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Aleación con memoria de forma

En metalurgia , una aleación con memoria de forma ( AMF ) es una aleación que se deforma en frío pero recupera su forma original ("memorizada") al calentarse. También se la cono...

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En metalurgia , una aleación con memoria de forma ( AMF ) es una aleación que se deforma en frío pero recupera su forma original ("memorizada") al calentarse. También se la conoce como metal con memoria , aleación con memoria , metal inteligente , aleación inteligente y alambre muscular . La "geometría memorizada" se puede modificar fijando la geometría deseada y sometiéndola a un tratamiento térmico ; por ejemplo, se puede enseñar a un alambre a memorizar la forma de un muelle helicoidal .

Las piezas fabricadas con aleaciones con memoria de forma pueden ser alternativas ligeras y de estado sólido a los actuadores convencionales , como los sistemas hidráulicos , neumáticos y basados ​​en motores. También pueden utilizarse para crear juntas herméticas en tuberías metálicas y reemplazar un circuito cerrado sensor-actuador para controlar la temperatura del agua regulando la relación de flujo de agua caliente y fría.

Descripción general

Las dos aleaciones con memoria de forma más comunes son cobre - aluminio - níquel y níquel - titanio ( NiTi ), pero las SMA también se pueden crear aleando zinc , cobre , oro y hierro . Aunque las SMA basadas en hierro y cobre, como Fe -Mn-Si, Cu-Zn-Al y Cu-Al-Ni, están disponibles comercialmente y son más baratas que NiTi, las SMA basadas en NiTi son preferibles para la mayoría de las aplicaciones debido a su estabilidad y practicidad [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] así como a su rendimiento termomecánico superior. [ 4 ] Las SMA pueden existir en dos fases diferentes, con tres estructuras cristalinas diferentes (es decir, martensita maclada, martensita desmaclada y austenita) y seis transformaciones posibles. [ 5 ] [ 6 ] El comportamiento termomecánico de las SMA está regido por una transformación de fase entre la austenita y la martensita.

Las aleaciones de NiTi pasan de austenita a martensita al enfriarse a partir de una temperatura inferior a M s ; M f es la temperatura a la que se completa la transición a martensita durante el enfriamiento. Por consiguiente, durante el calentamiento, A s y A f son las temperaturas a las que comienza y termina la transformación de martensita a austenita.

La aplicación de una carga mecánica a la martensita provoca una reorientación de los cristales, denominada "desmaclado", que resulta en una deformación que no se recupera (no se conserva) tras liberar la carga mecánica. El desmaclado comienza con una tensión σs y finaliza con σf , por encima de la cual la martensita continúa mostrando un comportamiento exclusivamente elástico (siempre que la carga sea inferior al límite elástico). La deformación conservada por el desmaclado se recupera tras el calentamiento hasta la austenita.

La transformación de fase de austenita a martensita también puede ocurrir a temperatura constante aplicando una carga mecánica superior a cierto nivel. La transformación se revierte al liberar la carga.

En esta figura, el eje vertical representa la fracción de martensita. La diferencia entre la transición de calentamiento y la de enfriamiento genera histéresis , donde se pierde parte de la energía mecánica durante el proceso. La forma de la curva depende de las propiedades del material de la aleación con memoria de forma, como su composición [ 7 ] y el endurecimiento por deformación [ 8 ] .

Efecto de memoria de forma

Esta animación ilustra el efecto completo de memoria de forma:
  1. Enfriamiento desde la austenita hasta la martensita (maclada), que ocurre al comienzo de la vida útil de la aleación con memoria de forma o al final de un ciclo térmico.
  2. Aplicar una tensión para desdoblar la martensita.
  3. Calentar la martensita para reformar la austenita, restaurando así la forma original.
  4. Enfriar la austenita hasta convertirla de nuevo en martensita maclada.

El efecto de memoria de forma (EMF) [ 9 ] se produce porque una transformación de fase inducida por la temperatura revierte la deformación, como se muestra en la curva de histéresis anterior. Típicamente, la fase martensítica es monoclínica u ortorrómbica (B19' o B19 ). Dado que estas estructuras cristalinas no tienen suficientes sistemas de deslizamiento para facilitar el movimiento de dislocaciones, se deforman por maclado , o mejor dicho, por desmaclado. [ 10 ]

La martensita es termodinámicamente favorable a temperaturas más bajas, mientras que la austenita ( cúbica B2 ) lo es a temperaturas más altas. Dado que estas estructuras tienen diferentes tamaños de red y simetría, el enfriamiento de la austenita a martensita introduce energía de deformación interna en la fase martensítica. Para reducir esta energía, la fase martensítica forma muchos maclados; esto se denomina "maclado autoacomodativo" y es la versión de maclado de las dislocaciones geométricamente necesarias . Dado que la aleación con memoria de forma se fabricará a partir de una temperatura más alta y generalmente se diseña de manera que la fase martensítica sea dominante a la temperatura de operación para aprovechar el efecto de memoria de forma, las SMA "comienzan" con un alto grado de maclado. [ 11 ]

Cuando la martensita se carga, estos maclados autoacomodados proporcionan una vía fácil para la deformación. Las tensiones aplicadas desmaclan la martensita, pero todos los átomos permanecen en la misma posición relativa a los átomos cercanos; no se rompen ni se reforman enlaces atómicos (como ocurriría con el movimiento de dislocaciones). Por lo tanto, cuando se eleva la temperatura y la austenita se vuelve termodinámicamente favorable, todos los átomos se reorganizan en la estructura B2, que resulta ser la misma forma macroscópica que la forma B19' previa a la deformación. [ 12 ] Esta transformación de fase ocurre extremadamente rápido y confiere a las aleaciones con memoria de forma su característico "chasquido".

El uso repetido del efecto de memoria de forma puede provocar un cambio en las temperaturas características de transformación (este efecto se conoce como fatiga funcional, ya que está estrechamente relacionado con un cambio en las propiedades microestructurales y funcionales del material). [ 13 ] La temperatura máxima a la que las aleaciones con memoria de forma ya no pueden ser sometidas a tensión se denomina M d , donde las aleaciones con memoria de forma se deforman permanentemente. [ 14 ]

Memoria de forma unidireccional frente a bidireccional

Las aleaciones con memoria de forma presentan diferentes efectos de memoria de forma. Los dos efectos más comunes son la memoria de forma unidireccional y la bidireccional. A continuación se muestra un esquema de estos efectos. Los procedimientos son muy similares: se parte de la martensita, se aplica una deformación, se calienta la muestra y se enfría de nuevo.

Efecto de memoria unidireccional

Cuando una aleación con memoria de forma se encuentra en estado frío (por debajo de M f ), el metal puede doblarse o estirarse y conservará esas formas hasta que se caliente por encima de la temperatura de transición. Al calentarse, recupera su forma original. Cuando el metal se enfría de nuevo, conserva la forma hasta que se deforma nuevamente.

Con el efecto unidireccional, el enfriamiento desde altas temperaturas no provoca un cambio de forma macroscópico. Es necesaria una deformación para crear la forma de baja temperatura. Al calentar, la transformación comienza en A s y se completa en A f (típicamente de 2 a 20  °C o más caliente, dependiendo de la aleación o las condiciones de carga). A s está determinado por el tipo y la composición de la aleación y puede variar entre−150  °C y200  °C .

Efecto bidireccional

El efecto de memoria de forma bidireccional es el efecto por el cual el material recuerda dos formas diferentes: una a bajas temperaturas y otra a altas temperaturas. Un material que muestra un efecto de memoria de forma tanto durante el calentamiento como durante el enfriamiento se dice que tiene memoria de forma bidireccional. Esto también se puede obtener sin la aplicación de una fuerza externa (efecto bidireccional intrínseco). La razón por la cual el material se comporta de manera tan diferente en estas situaciones radica en el entrenamiento. El entrenamiento implica que una memoria de forma puede "aprender" a comportarse de cierta manera. En circunstancias normales, una aleación con memoria de forma "recuerda" su forma de baja temperatura, pero al calentarse para recuperar la forma de alta temperatura, inmediatamente "olvida" la forma de baja temperatura. Sin embargo, se puede "entrenar" para "recordar" dejar algunos recordatorios de la condición deformada de baja temperatura en las fases de alta temperatura. Una forma de entrenar la SMA consiste en aplicar una carga térmica cíclica bajo un campo de tensión constante . Durante este proceso, se introducen defectos internos en la microestructura que generan tensiones internas permanentes que facilitan la orientación de los cristales martensíticos. [ 15 ] Por lo tanto, al enfriar una aleación con memoria de forma (SMA) entrenada en fase austenítica sin aplicar tensión, la martensita se forma sin maclas debido a las tensiones internas, lo que provoca un cambio en la forma del material. Al recalentar la SMA hasta la fase austenítica, recupera su forma inicial.

Hay varias maneras de hacer esto. [ 16 ] Un objeto moldeado y entrenado que se calienta más allá de cierto punto perderá el efecto de memoria bidireccional.

Pseudoelasticidad

Las aleaciones con memoria de forma (AMF) presentan un fenómeno a veces denominado superelasticidad, pero que se describe con mayor precisión como pseudoelasticidad . La superelasticidad implica que los enlaces atómicos entre los átomos se estiran hasta una longitud extrema sin sufrir deformación plástica. La pseudoelasticidad también permite alcanzar grandes deformaciones recuperables con poca o ninguna deformación permanente, pero se basa en mecanismos más complejos.

Una animación de pseudoelasticidad

Las SMA exhiben al menos 3 tipos de pseudoelasticidad. Los dos tipos menos estudiados son la formación de pseudotwin y el comportamiento similar al del caucho debido al orden de corto alcance. [ 17 ]

A tensiones superiores a la tensión martensítica (A), la austenita se transformará en martensita e inducirá grandes deformaciones macroscópicas hasta que no quede austenita (C). Al descargar, la martensita volverá a la fase austenítica por debajo de la tensión austenítica (D), momento en el que se recuperará la deformación hasta que el material sea completamente austenítico y quede poca o ninguna deformación. [ 18 ]

El principal efecto pseudoelástico proviene de una transformación de fase inducida por la tensión. La figura de la derecha muestra cómo se produce este proceso.

Aquí se aplica una carga isotérmica a una SMA por encima de la temperatura de finalización de la austenita, A f , pero por debajo de la temperatura de deformación de la martensita, M d . La figura anterior ilustra cómo es posible esto, relacionando la transformación de fase inducida por tensión pseudoelástica con la transformación de fase inducida por temperatura del efecto de memoria de forma. Para un punto particular en A f , es posible elegir un punto en la línea M s con una temperatura más alta , siempre que ese punto M d también tenga una tensión más alta . El material exhibe inicialmente un comportamiento elástico-plástico típico de los metales. Sin embargo, una vez que el material alcanza la tensión martensítica, la austenita se transformará en martensita y se producirá la desmaclación. Como se mencionó anteriormente, esta desmaclación es reversible al transformarse de nuevo de martensita a austenita. Si se aplican grandes tensiones, el comportamiento plástico, como la desmaclación y el deslizamiento de la martensita, se iniciará en sitios como los límites de grano o las inclusiones. [ 19 ] [ 20 ] Si el material se descarga antes de que ocurra la deformación plástica, volverá a austenita una vez que se alcance una tensión crítica para la austenita (σ as ). El material recuperará casi toda la deformación que fue inducida por el cambio estructural, y para algunas SMA esto puede ser deformaciones mayores al 10 por ciento. [ 21 ] [ 22 ] Este bucle de histéresis muestra el trabajo realizado para cada ciclo del material entre estados de deformaciones pequeñas y grandes, lo cual es importante para muchas aplicaciones. 

Gráfico de tensión-temperatura de las líneas de martensita y austenita en una aleación con memoria de forma.

En un gráfico de deformación frente a temperatura, las líneas de inicio y fin de la austenita y la martensita discurren paralelas. El efecto memoria de forma y la pseudoelasticidad son, en realidad, diferentes aspectos del mismo fenómeno, como se muestra a la izquierda.

La clave de las grandes deformaciones reside en la diferencia de estructura cristalina entre las dos fases. La austenita generalmente presenta una estructura cúbica, mientras que la martensita puede ser monoclínica u otra estructura distinta a la de la fase original, típicamente con menor simetría. En el caso de un material martensítico monoclínico como el Nitinol, la fase monoclínica presenta menor simetría, lo cual es importante ya que ciertas orientaciones cristalográficas acomodarán mayores deformaciones en comparación con otras orientaciones bajo una tensión aplicada. Por lo tanto, el material tenderá a formar orientaciones que maximicen la deformación total antes de cualquier aumento en la tensión aplicada. [ 23 ] Un mecanismo que contribuye a este proceso es el maclado de la fase martensítica. En cristalografía, un límite de macla es un defecto bidimensional en el que el apilamiento de planos atómicos de la red se refleja a través del plano del límite. Dependiendo de la tensión y la temperatura, estos procesos de deformación competirán con la deformación permanente, como el deslizamiento.

σ ms depende de parámetros como la temperatura y el número de sitios de nucleación para la nucleación de fase. Las interfaces e inclusiones proporcionarán sitios generales para que comience la transformación, y si estos son grandes en número, aumentará la fuerza impulsora para la nucleación. [ 24 ] Se necesitará un σ ms menor que para la nucleación homogénea. Del mismo modo, aumentar la temperatura reducirá la fuerza impulsora para la transformación de fase, por lo que será necesario un σ ms mayor . Se puede ver que a medida que aumenta la temperatura operativa de la SMA, σ ms será mayor que el límite elástico, σ y , y la superelasticidad ya no será observable.

Historia

Los primeros pasos documentados hacia el descubrimiento del efecto memoria de forma se dieron en la década de 1930. Según Otsuka y Wayman, Arne Ölander descubrió el comportamiento pseudoelástico de la aleación Au-Cd en 1932. Greninger y Mooradian (1938) observaron la formación y desaparición de una fase martensítica al disminuir y aumentar la temperatura de una aleación Cu-Zn. El fenómeno básico del efecto memoria, regido por el comportamiento termoelástico de la fase martensítica, fue ampliamente divulgado una década después por Kurdjumov y Khandros (1949) y también por Chang y Read (1951). [ 13 ]

Las aleaciones de níquel-titanio fueron desarrolladas por primera vez entre 1962 y 1963 por el Laboratorio de Armamento Naval de los Estados Unidos y comercializadas bajo el nombre comercial Nitinol (acrónimo de Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratories). Sus extraordinarias propiedades se descubrieron por accidente. Una muestra que se había deformado varias veces fue presentada en una reunión de la dirección del laboratorio. Uno de los directores técnicos asociados, el Dr. David S. Muzzey, decidió comprobar qué sucedería si la muestra se sometía a calor y colocaba su encendedor debajo. Para asombro de todos, la muestra recuperó su forma original. [ 25 ] [ 26 ]

Existe otro tipo de aleación con memoria de forma (AMF), denominada aleación ferromagnética con memoria de forma (AMMF), que cambia de forma bajo la acción de campos magnéticos intensos. Estos materiales resultan de particular interés, ya que su respuesta magnética tiende a ser más rápida y eficiente que las respuestas inducidas por la temperatura.

Las aleaciones metálicas no son los únicos materiales termosensibles; también se han desarrollado polímeros con memoria de forma , que estuvieron disponibles comercialmente a finales de la década de 1990.

Estructuras cristalinas

Muchos metales presentan diversas estructuras cristalinas con la misma composición, pero la mayoría no muestra este efecto de memoria de forma. La propiedad especial que permite a las aleaciones con memoria de forma recuperar su forma original tras el calentamiento es que su transformación cristalina es completamente reversible. En la mayoría de las transformaciones cristalinas, los átomos de la estructura se desplazan por el metal mediante difusión, modificando la composición localmente, aunque el metal en su conjunto esté formado por los mismos átomos. Una transformación reversible no implica esta difusión atómica; en cambio, todos los átomos se desplazan simultáneamente para formar una nueva estructura, de forma similar a como se puede crear un paralelogramo a partir de un cuadrado empujando dos lados opuestos. A diferentes temperaturas, se favorecen diferentes estructuras, y cuando la estructura se enfría por debajo de la temperatura de transición, la estructura martensítica se forma a partir de la fase austenítica.

Fabricar

Las aleaciones con memoria de forma se fabrican generalmente mediante fundición, fusión por arco al vacío o fusión por inducción. Estas son técnicas especializadas que se utilizan para minimizar las impurezas en la aleación y asegurar una mezcla homogénea de los metales. El lingote se lamina en caliente para obtener secciones más largas y, posteriormente, se estira para convertirlo en alambre.

La forma en que se "entrenan" las aleaciones depende de las propiedades deseadas. El "entrenamiento" determina la forma que la aleación recordará al calentarse. Esto ocurre calentando la aleación de manera que las dislocaciones se reordenen en posiciones estables, pero no tan caliente como para que el material se recristalice . Se calientan a una temperatura entre400  °C ySe someten a 500  °C durante 30 minutos, se les da forma mientras están calientes y luego se enfrían rápidamente sumergiéndolas en agua o enfriándolas con aire.

Propiedades

Las aleaciones con memoria de forma a base de cobre y de níquel-titanio se consideran materiales de ingeniería. Estas composiciones se pueden fabricar en prácticamente cualquier forma y tamaño.

La resistencia a la fluencia de las aleaciones con memoria de forma es menor que la del acero convencional, pero algunas composiciones tienen una resistencia a la fluencia mayor que el plástico o el aluminio. La tensión de fluencia para Ni Ti puede alcanzar500 MPa  . El elevado coste del metal y los requisitos de procesamiento dificultan y encarecen la integración de aleaciones con memoria de forma (AMF) en el diseño. Por ello, estos materiales se utilizan en aplicaciones donde se pueden aprovechar sus propiedades superelásticas o el efecto de memoria de forma. La aplicación más común es en la actuación.

Una de las ventajas de utilizar aleaciones con memoria de forma es el alto nivel de deformación plástica recuperable que se puede inducir. La deformación recuperable máxima que estos materiales pueden soportar sin sufrir daños permanentes es de hasta8% para algunas aleaciones. Esto se compara con una deformación máxima.0,5% para aceros convencionales.

Limitaciones prácticas

Las aleaciones con memoria de forma (SMA) presentan muchas ventajas sobre los actuadores tradicionales, pero también adolecen de una serie de limitaciones que pueden dificultar su aplicación práctica. En numerosos estudios, se ha destacado que solo unas pocas aplicaciones patentadas de aleaciones con memoria de forma han alcanzado el éxito comercial debido a las limitaciones del material, la falta de conocimiento sobre el mismo y el diseño, y las herramientas asociadas, como el uso de enfoques y técnicas de diseño inadecuados. [ 27 ] Los desafíos en el diseño de aplicaciones de SMA radican en superar sus limitaciones, que incluyen una deformación útil relativamente pequeña, una baja frecuencia de actuación, una baja controlabilidad, una baja precisión y una baja eficiencia energética. [ 28 ]

Tiempo de respuesta y simetría de la respuesta

Los actuadores de SMA se activan típicamente de forma eléctrica, donde una corriente eléctrica produce calentamiento Joule . La desactivación suele ocurrir por transferencia de calor por convección natural al ambiente. En consecuencia, la activación de los SMA suele ser asimétrica, con un tiempo de activación relativamente rápido y un tiempo de desactivación lento. Se han propuesto varios métodos para reducir el tiempo de desactivación de los SMA, incluyendo la convección forzada [ 29 ] y el aislamiento del SMA con un material conductor para manipular la tasa de transferencia de calor.

Entre los métodos novedosos para mejorar la viabilidad de los actuadores de SMA se incluye el uso de un aislamiento conductor . Este método emplea una pasta térmica para transferir rápidamente el calor de la SMA por conducción. Este calor se transfiere posteriormente al entorno con mayor facilidad por convección, ya que los radios exteriores (y el área de transferencia de calor) son significativamente mayores que en el caso del alambre desnudo. Este método resulta en una reducción significativa del tiempo de desactivación y un perfil de activación simétrico. Como consecuencia del aumento de la tasa de transferencia de calor , se incrementa la corriente necesaria para lograr una fuerza de actuación determinada. [ 30 ]

Respuesta comparativa fuerza-tiempo de la aleación de memoria de forma Ni-Ti sin recubrimiento y con recubrimiento. [ 31 ]

Fatiga estructural y fatiga funcional

Las aleaciones con memoria de forma (AMF) son susceptibles a la fatiga estructural, un modo de falla en el que la carga cíclica provoca la iniciación y propagación de una grieta que, finalmente, resulta en una pérdida catastrófica de su función por fractura. La física subyacente a este modo de fatiga radica en la acumulación de daño microestructural durante la carga cíclica. Este modo de falla se observa en la mayoría de los materiales de ingeniería, no solo en las AMF.

Las aleaciones con memoria de forma (AMF) también están sujetas a fatiga funcional, un modo de fallo atípico en la mayoría de los materiales de ingeniería, en el que la AMF no falla estructuralmente, pero pierde sus características de memoria de forma/superelasticidad con el tiempo. Como resultado de la carga cíclica (tanto mecánica como térmica), el material pierde su capacidad de experimentar una transformación de fase reversible. Por ejemplo, el desplazamiento de trabajo en un actuador disminuye con el aumento del número de ciclos. La física subyacente es un cambio gradual en la microestructura, más específicamente, la acumulación de dislocaciones de deslizamiento de acomodación . Esto suele ir acompañado de un cambio significativo en las temperaturas de transformación. [ 32 ] El diseño de los actuadores de AMF también puede influir en la fatiga estructural y funcional de la AMF, como por ejemplo las configuraciones de poleas en el sistema AMF-Polea. [ 33 ]

Activación no intencionada

Los actuadores de aleación con memoria de forma (SMA) suelen activarse eléctricamente mediante calentamiento Joule . Si la SMA se utiliza en un entorno donde la temperatura ambiente no está controlada, puede producirse una activación involuntaria debido al calentamiento ambiental.

Aplicaciones

Industrial

Aeronaves y naves espaciales

Boeing , General Electric Aircraft Engines , Goodrich Corporation , la NASA , la Universidad de Texas A&M y All Nippon Airways desarrollaron el Chevron de Geometría Variable utilizando una aleación con memoria de forma de NiTi. Este diseño de tobera de ventilador de área variable (VAFN) permitiría motores a reacción más silenciosos y eficientes en el futuro. En 2005 y 2006, Boeing realizó con éxito pruebas de vuelo de esta tecnología. [ 34 ]

Las aleaciones con memoria de forma (AMF) se están investigando como amortiguadores de vibraciones para vehículos de lanzamiento y motores a reacción comerciales. La gran cantidad de histéresis observada durante el efecto superelástico permite que las AMF disipen energía y amortigüen las vibraciones. Estos materiales son prometedores para reducir las altas cargas de vibración en las cargas útiles durante el lanzamiento, así como en las palas de los ventiladores de los motores a reacción comerciales, lo que permite diseños más ligeros y eficientes. [ 35 ] Las AMF también presentan potencial para otras aplicaciones de alto impacto, como rodamientos de bolas y trenes de aterrizaje. [ 36 ]

También existe un gran interés en utilizar aleaciones con memoria de forma (SMA) para diversas aplicaciones de actuadores en motores a reacción comerciales, lo que reduciría significativamente su peso y aumentaría su eficiencia. [ 37 ] Sin embargo, es necesario realizar más investigaciones en esta área para aumentar las temperaturas de transformación y mejorar las propiedades mecánicas de estos materiales antes de que puedan implementarse con éxito. Ma et al. [ 21 ] presentan una revisión de los avances recientes en aleaciones con memoria de forma de alta temperatura (HTSMA).

También se están explorando diversas tecnologías de modificación de alas. [ 35 ]

Automotor

El primer producto de gran volumen (> 5 millones de actuadores/año) es una válvula automotriz que controla las vejigas neumáticas de baja presión en los asientos de los automóviles , las cuales ajustan el contorno del soporte lumbar. Las ventajas generales de la aleación con memoria de forma (SMA) sobre los solenoides tradicionales en esta aplicación (menor ruido, menor compatibilidad electromagnética, menor peso, menor tamaño y menor consumo de energía) fueron el factor decisivo para reemplazar la tecnología estándar anterior con SMA.

El Chevrolet Corvette 2014 se convirtió en el primer vehículo en incorporar actuadores SMA, que reemplazaron a los actuadores motorizados más pesados ​​para abrir y cerrar la ventilación del maletero, facilitando así su cierre. También se están explorando diversas aplicaciones, como generadores eléctricos para producir electricidad a partir del calor residual de los gases de escape y deflectores de aire bajo demanda para optimizar la aerodinámica a diferentes velocidades.

Robótica

También se han realizado estudios limitados sobre el uso de estos materiales en robótica , por ejemplo el robot aficionado Stiquito (y "Roboterfrau Lara" [ 38 ] ), ya que permiten crear robots muy ligeros. Recientemente, Loh et al. presentaron una mano protésica que puede replicar casi por completo los movimientos de una mano humana [Loh2005]. También se están explorando otras aplicaciones biomiméticas. Los puntos débiles de la tecnología son la ineficiencia energética, los tiempos de respuesta lentos y la gran histéresis .

Válvulas

Las SMA también se utilizan para accionar válvulas . [ 39 ] Las válvulas SMA tienen un diseño particularmente compacto.

Mano robótica bioingenierizada

Existen algunos prototipos de mano robótica basados ​​en SMA que utilizan el efecto de memoria de forma (SME) para mover los dedos. [ 40 ]

Estructuras civiles

Las aleaciones con memoria de forma (AMF) encuentran diversas aplicaciones en estructuras civiles como puentes y edificios. En forma de barras o placas de refuerzo, se pueden utilizar para el refuerzo a flexión, cortante y sísmico de estructuras de hormigón y acero. Otra aplicación es el hormigón armado inteligente (HAI), que incorpora alambres de AMF embebidos en el hormigón. Estos alambres pueden detectar fisuras y contraerse para reparar microfisuras. También es posible la sintonización activa de la frecuencia natural estructural mediante alambres de AMF para amortiguar vibraciones, así como el uso de fibras de AMF en el hormigón. [ 41 ]

Tubería

La primera aplicación comercial para el consumidor fue un acoplamiento con memoria de forma para tuberías, por ejemplo, oleoductos, para aplicaciones industriales, tuberías de agua y tipos similares de tuberías para aplicaciones comerciales y de consumo.

electrónica de consumo

cámaras de teléfonos inteligentes

Varias compañías de teléfonos inteligentes han lanzado dispositivos con módulos de estabilización óptica de imagen (OIS) que incorporan actuadores SMA, fabricados bajo licencia de Cambridge Mechatronics.

Medicamento

Las aleaciones con memoria de forma se aplican en medicina, por ejemplo, como dispositivos de fijación para osteotomías en cirugía ortopédica , como actuador en herramientas quirúrgicas; agujas quirúrgicas dirigibles activas para intervenciones percutáneas mínimamente invasivas contra el cáncer en procedimientos quirúrgicos como biopsia y braquiterapia , [ 42 ] en aparatos de ortodoncia para ejercer fuerzas constantes de movimiento dental sobre los dientes, en endoscopia capsular se pueden utilizar como disparador para la acción de biopsia.

A finales de la década de 1980 se introdujo comercialmente el Nitinol como una tecnología facilitadora en varias aplicaciones médicas endovasculares mínimamente invasivas. Si bien es más costoso que el acero inoxidable, las propiedades autoexpandibles de las aleaciones de Nitinol fabricadas para BTR (respuesta a la temperatura corporal) han proporcionado una alternativa atractiva a los dispositivos expandibles con balón en los injertos de stent , ya que les da la capacidad de adaptarse a la forma de ciertos vasos sanguíneos cuando se exponen a la temperatura corporal. En promedio,El 50% de todos los stents vasculares periféricos disponibles actualmente en el mercado mundial están fabricados con nitinol.

Optometría

Las monturas de gafas fabricadas con aleaciones con memoria de forma que contienen titanio se comercializan bajo las marcas Flexon y TITANflex. Estas monturas suelen estar hechas de aleaciones con memoria de forma cuya temperatura de transición se sitúa por debajo de la temperatura ambiente. Esto permite que las monturas se deformen considerablemente bajo tensión, recuperando su forma original una vez que el metal se libera de la carga. Las grandes deformaciones, aparentemente elásticas, se deben al efecto martensítico inducido por la tensión, en el que la estructura cristalina se transforma bajo carga, permitiendo que la forma cambie temporalmente. Esto significa que las gafas fabricadas con aleaciones con memoria de forma son más resistentes a los daños accidentales.

Cirugía ortopédica

El metal con memoria de forma se ha utilizado en cirugía ortopédica como dispositivo de fijación y compresión para osteotomías , generalmente en procedimientos de extremidades inferiores. El dispositivo, que suele tener la forma de una grapa grande, se almacena en un refrigerador en su forma maleable y se implanta en orificios previamente perforados en el hueso a través de la osteotomía. Al calentarse, la grapa vuelve a su estado no maleable y comprime las superficies óseas para promover la consolidación ósea. [ 43 ]

Odontología

El abanico de aplicaciones de las aleaciones con memoria de forma (AMF) ha crecido con el paso de los años, siendo la odontología un área de desarrollo clave. Un ejemplo es la prevalencia de los aparatos de ortodoncia que utilizan tecnología de AMF para ejercer fuerzas constantes que mueven los dientes; el arco de nitinol fue desarrollado en 1972 por el ortodoncista George Andreasen . [ 44 ] Esto revolucionó la ortodoncia clínica. La aleación de Andreasen posee memoria de forma, expandiéndose y contrayéndose dentro de determinados rangos de temperatura gracias a su programación geométrica.

Posteriormente, Harmeet D. Walia utilizó la aleación en la fabricación de limas para conductos radiculares en endodoncia .

temblor esencial

Las técnicas tradicionales de cancelación activa para la reducción del temblor utilizan sistemas eléctricos, hidráulicos o neumáticos para accionar un objeto en la dirección opuesta a la perturbación. Sin embargo, estos sistemas son limitados debido a la gran infraestructura necesaria para producir grandes amplitudes de potencia a las frecuencias del temblor humano. Las aleaciones con memoria de forma (SMA) han demostrado ser un método eficaz de accionamiento en aplicaciones portátiles y han permitido una nueva clase de dispositivos de cancelación activa del temblor. [ 45 ] Un ejemplo reciente de dicho dispositivo es la cuchara Liftware , desarrollada por Lift Labs, filial de Verily Life Sciences .

Motores

Desde la década de 1970 se han desarrollado máquinas térmicas experimentales de estado sólido, que funcionan a partir de las diferencias de temperatura relativamente pequeñas entre depósitos de agua fría y caliente, incluido el motor Banks, desarrollado por Ridgway Banks .

Artesanía

Se venden en pequeñas piezas redondas para su uso en pulseras sin enganches.

Calefacción y refrigeración

Científicos alemanes de la Universidad de Saarland han desarrollado un prototipo de máquina que transfiere calor mediante un alambre de aleación de níquel-titanio ("nitinol") enrollado alrededor de un cilindro giratorio. A medida que el cilindro gira, el calor se absorbe por un lado y se libera por el otro, al pasar el alambre de su estado "superelástico" a su estado sin carga. Según un artículo publicado en 2019 por la Universidad de Saarland, la eficiencia de la transferencia de calor parece ser superior a la de una bomba de calor o un aire acondicionado convencional. [ 46 ]

Casi todos los aires acondicionados y bombas de calor que se utilizan hoy en día emplean la compresión de vapor de refrigerantes . Con el tiempo, parte de estos refrigerantes se filtran a la atmósfera y contribuyen al calentamiento global . Si la nueva tecnología, que no utiliza refrigerantes, resulta económica y práctica, podría representar un avance significativo en la lucha contra el cambio climático.

Sistemas de sujeción

Las aleaciones con memoria de forma (AMF), como el níquel-titanio (Nitinol) , se utilizan en sistemas de sujeción debido a su comportamiento termorreactivo único. [ 47 ] Las pinzas fabricadas con AMF se utilizan en cirugía dentofacial para curar fracturas mandibulares . [ 48 ]

Materiales

Diversas aleaciones presentan el efecto de memoria de forma. Los componentes de la aleación pueden ajustarse para controlar las temperaturas de transformación de la aleación con memoria de forma. Algunos sistemas comunes incluyen los siguientes (esta lista no es exhaustiva):

  • Ag-Cd 44/49 at.% Cd
  • Au-Cd 46,5/50 at.% Cd
  • Co-Ni-Al [ 49 ]
  • co-ni-ga
  • Cu-Al-Be-X(X:Zr, B, Cr, Gd)
  • Cu-Al-Ni 14/14,5 % en peso de Al, 3/4,5 % en peso de Ni
  • Cu-Al-Ni-Hf
  • Cu-Sn aprox. 15 at.% Sn
  • Cu-Zn 38,5/41,5 % en peso de Zn
  • Cu-Zn-X (X = Si, Al, Sn)
  • Fe-Mn-Si
  • Fe-Pt aprox. 25 at.% Pt
  • Mn-Cu 5/35 at.% Cu
  • Ni-Fe-Ga
  • Ni-Ti aprox. 55–60 % en peso de Ni
  • Ni-Ti-Hf
  • Ni-Ti-Pd
  • Ni-Mn-Ga [ 50 ]
  • Ni-Mn-Ga-Cu
  • Ni-Mn-Ga-Co
  • Ti-Nb

Referencias

  1. ↑ Wilkes, Kenneth E.; Liaw, Peter K. ; Wilkes, Kenneth E. (octubre de 2000). "El comportamiento a la fatiga de las aleaciones con memoria de forma". JOM . 52 (10): 45– 51. Bibcode : 2000JOM....52j..45W . doi : 10.1007/s11837-000-0083-3 . S2CID 137826371 . 
  2. ↑ Cederström, J.; Van Humbeeck, J. (febrero de 1995). "Relación entre las propiedades de los materiales con memoria de forma y sus aplicaciones" . Le Journal de Physique IV . 05 (C2): C2-335–C2-341. doi : 10.1051/jp4:1995251 .
  3. ↑ Hodgson, Darel E.; Wu, Ming H.; Biermann, Robert J. (1990). «Aleaciones con memoria de forma». Propiedades y selección: aleaciones no ferrosas y materiales de uso especial . págs. 897–902 . doi : 10.31399/asm.hb.v02.a0001100 . ISBN  978-1-62708-162-7.
  4. ↑ Huang, W. (febrero de 2002). "Sobre la selección de aleaciones con memoria de forma para actuadores". Materials & Design . 23 (1): 11– 19. Bibcode : 2002MatDe..23...11H . doi : 10.1016/S0261-3069(01)00039-5 .
  5. ↑ Sun, L.; Huang, WM (21 de mayo de 2010). "Naturaleza de la transformación multietapa en aleaciones con memoria de forma al calentarse". Metal Science and Heat Treatment . 51 ( 11–12 ): 573–578 . Bibcode : 2009MSHT...51..573S . doi : 10.1007/s11041-010-9213-x . S2CID 135892973 . 
  6. ↑ Mihálcz, István (2001). "Características fundamentales y método de diseño para aleación de níquel-titanio con memoria de forma" . Periodica Polytechnica Mechanical Engineering . 45 (1): 75–86 .
  7. ↑ Wu, S; Wayman, C (1987). "Transformaciones martensíticas y el efecto de memoria de forma en aleaciones Ti50Ni10Au40 y Ti50Au50". Metallography . 20 (3): 359. doi : 10.1016/0026-0800(87)90045-0 .
  8. ↑ Filip, Peter; Mazanec, Karel (mayo de 1995). "Influencia del endurecimiento por trabajo y el tratamiento térmico en la subestructura y el comportamiento de deformación de las aleaciones con memoria de forma TiNi". Scripta Metallurgica et Materialia . 32 (9): 1375– 1380. doi : 10.1016/0956-716X(95)00174-T .
  9. ^ QADER, Ibrahim Nazem; KOK, Mediha; Dağdelen, Fethi; AYDOĞDU, Yıldırım (30 de septiembre de 2019). ""Una revisión de los materiales inteligentes: investigaciones y aplicaciones"" . El-Cezeri Fen ve Mühendislik Dergisi . doi : 10.31202/ecjse.562177 . ISSN 2148-3736 . 
  10. ↑ Courtney, Thomas H. (2000). Comportamiento mecánico de los materiales (2.ª ed.). Boston: McGraw Hill. ISBN  0-07-028594-2OCLC 41932585​​ 
  11. ↑ Otsuka, K.; Ren, X. (julio de 2005). "Metalurgia física de aleaciones con memoria de forma basadas en Ti-Ni". Progress in Materials Science . 50 (5): 511– 678. doi : 10.1016/j.pmatsci.2004.10.001 . ISSN 0079-6425 . 
  12. ↑ "Definición de una aleación con memoria de forma" . smart.tamu.edu . Archivado del original el 1 de octubre de 2018. Consultado el 24 de mayo de 2019 .
  13. 1 2 K. Otsuka; CM Wayman, eds. (1999). Materiales con memoria de forma (PDF) . Cambridge University Press. ISBN 0-521-66384-9.
  14. ↑ Duerig, TW; Pelton, AR (1994). «Aleaciones con memoria de forma de Ti-Ni». En Gerhard Welsch; Rodney Boyer; EW Collings (eds.). Manual de propiedades de materiales: Aleaciones de titanio . Sociedad Americana de Metales. págs. 1035–48 . ISBN  0-87170-481-1.
  15. ↑ Aleaciones con memoria de forma: modelado y aplicaciones de ingeniería . Dimitris C. Lagoudas. Nueva York: Springer. 2008. ISBN 978-0-387-47685-8OCLC 272298744​​ {{cite book}}: CS1 mantenimiento: otros ( enlace )
  16. ↑ Tutorial de entrenamiento de forma de aleación con memoria de forma . (PDF). Consultado el 4 de diciembre de 2011.
  17. ↑ Kazuhiro Otsuka; Ren, Xiaobing (1997). "Origen del comportamiento similar al caucho en aleaciones metálicas". Nature . 389 (6651): 579– 582. Bibcode : 1997Natur.389..579R . doi : 10.1038/39277 . ISSN 1476-4687 . S2CID 4395776 .  
  18. ↑ Qian, Hui; Li, Hongnan; Song, Gangbing; Guo, Wei (2013). "Recentrado de un amortiguador pasivo de aleación con memoria de forma para el control de vibraciones estructurales" . Problemas matemáticos en ingeniería . 2013 : 1–13 . doi : 10.1155/2013/963530 . ISSN 1024-123X . 
  19. ↑ Shaw, J.; Kyriakides, S. (1995). "Aspectos termomecánicos del NiTi". Journal of the Mechanics and Physics of Solids . 43 (8): 1243– 1281. Bibcode : 1995JMPSo..43.1243S . doi : 10.1016/0022-5096(95)00024-D .
  20. ↑ Chowdhury, Piyas; Sehitoglu, Huseyin (2017). "Una revisión del fundamento atomístico del deslizamiento en aleaciones con memoria de forma" . Progress in Materials Science . 85 : 1–42 . Bibcode : 2017PrMS...85....1C . doi : 10.1016/j.pmatsci.2016.10.002 . ISSN 0079-6425 . 
  21. 1 2 Ma, J.; Karaman, I.; Noebe, RD (2010). "Aleaciones con memoria de forma de alta temperatura". International Materials Reviews . 55 (5): 257. Bibcode : 2010IMRv...55..257M . doi : 10.1179/095066010x12646898728363 . S2CID 218662109 . 
  22. ↑ Tanaka, Y.; Himuro, Y.; Kainuma, R.; Sutou, Y.; Omori, T.; Ishida, K. (2010-03-18). "Aleación ferrosa policristalina con memoria de forma que muestra una enorme superelasticidad". Science . 327 (5972): 1488– 1490. Bibcode : 2010Sci...327.1488T . doi : 10.1126/science.1183169 . ISSN 0036-8075 . PMID 20299589 . S2CID 9536512 .   
  23. ↑ Frankel, Dana J.; Olson, Gregory B. (2015). "Diseño de aleaciones con memoria de forma basadas en NiTi y PdTi reforzadas por precipitación de Heusler para un rendimiento cíclico" . Shape Memory and Superelasticity . 1 (2): 162– 179. Bibcode : 2015ShMeS...1...17F . doi : 10.1007/s40830-015-0017-0 . ISSN 2199-384X . 
  24. ↑ San Juan, J.; Nó, ML (2013). "Superelasticidad y memoria de forma a nanoescala: efectos del tamaño en la transformación martensítica". Journal of Alloys and Compounds . 577 : S25– S29. doi : 10.1016/j.jallcom.2011.10.110 .
  25. ↑ Kauffman, George e Isaac Mayo (octubre de 1993). "Metal con memoria" (PDF) . ChemMatters : 4–7 .
  26. ↑ Historia oral de William J. Buehler. Archivada el 3 de marzo de 2016 en Wayback Machine . wolaa.org.
  27. ↑ M. Jani, J.; Leary, M.; Subic, A. (2016). "Diseño de actuadores lineales de aleación con memoria de forma: una revisión". Journal of Intelligent Material Systems and Structures . 28 (13): 1699. doi : 10.1177/1045389X16679296 . S2CID 138509568 . 
  28. ↑ M. Jani, J.; Leary, M.; Subic, A.; Gibson, Mark A. (2014). "Una revisión de la investigación, aplicaciones y oportunidades de las aleaciones con memoria de forma". Materials and Design . 56 (5): 1078– 1113. doi : 10.1016/j.matdes.2013.11.084 .
  29. ↑ Lara-Quintanilla, A.; Hulskamp, ​​AW; Bersee, HE (octubre de 2013). "Un actuador de aleación con memoria de forma de alta velocidad para el control de carga aerodinámica en turbinas eólicas" . Journal of Intelligent Material Systems and Structures . 24 (15): 1834– 1845. doi : 10.1177/1045389X13478271 . S2CID 110098888 . 
  30. ↑ Huang, S; Leary, Martin; Attalla, Tamer; Probst, K; Subic, A (2012). "Optimización del tiempo de respuesta de la aleación con memoria de forma Ni-Ti mediante análisis de transferencia de calor transitoria". Materials & Design . 35 : 655– 663. doi : 10.1016/j.matdes.2011.09.043 .
  31. ↑ Leary, M; Schiavone, F; Subic, A (2010). "Retraso para el control del tiempo de respuesta de actuadores de aleación con memoria de forma". Materials & Design . 31 (4): 2124– 2128. doi : 10.1016/j.matdes.2009.10.010 .
  32. ↑ Miyazaki, S.; Kim, HY; Hosoda, H. (2006). "Desarrollo y caracterización de aleaciones superelásticas y con memoria de forma a base de titanio libres de níquel". Materials Science and Engineering: A . 438– 440: 18– 24. doi : 10.1016/j.msea.2006.02.054 .
  33. ↑ M. Jani, J.; Leary, M.; Subic, A. (2016). "Fatiga del sistema de polea NiTi SMA utilizando Taguchi y ANOVA". Smart Materials and Structures . 25 (5) 057001. Bibcode : 2016SMaS...25e7001M . doi : 10.1088/0964-1726/25/5/057001 . S2CID 138542543 . 
  34. ↑ Mabe, JH; Calkins, FT; Alkislar, MB (2008). "Boquilla de chorro de área variable que utiliza actuadores de aleación con memoria de forma en un diseño antagónico". En Davis, L. Porter; Henderson, Benjamin K; McMickell, M. Brett (eds.). Aplicaciones industriales y comerciales de las tecnologías de estructuras inteligentes 2008. Vol. 6930. pp. 69300T. doi : 10.1117/12.776816 . S2CID 111594060 .   
  35. 1 2 Lagoudas, DC; Hartl, DJ (2007). "Aplicaciones aeroespaciales de aleaciones con memoria de forma" . Actas de la Institución de Ingenieros Mecánicos, Parte G: Revista de Ingeniería Aeroespacial . 221 (4): 535. doi : 10.1243/09544100jaero211 .
  36. ↑ DellaCorte, C. (2014) Nuevos materiales superelásticos para aplicaciones avanzadas de rodamientos .
  37. ↑ Webster, J. (2006). "Componentes SMA adaptativos de alta integridad para aplicaciones en turbinas de gas". En White, Edward V (ed.). Estructuras y materiales inteligentes 2006: Aplicaciones industriales y comerciales de las tecnologías de estructuras inteligentes . Vol. 6171. pp. 61710F. doi : 10.1117/12.669027 . S2CID 108583552 .   
  38. ↑ El Proyecto Lara – G1 y G2 Archivado el 15/10/2014 en Wayback Machine . Lararobot.de. Consultado el 04/12/2011.
  39. ↑ "Ultracompactas: válvulas con actuadores de memoria de forma - Industria sanitaria" . 24 de marzo de 2021.
  40. ↑ Duerig, TW; Melton, KN; Proft, JL (1990), "Aleaciones con memoria de forma de histéresis amplia", Aspectos de ingeniería de las aleaciones con memoria de forma , Elsevier, págs. 130–136 , doi : 10.1016/b978-0-7506-1009-4.50015-9 , ISBN  978-0-7506-1009-4
  41. ↑ Song, G.; Ma, N.; Li, H. -N. (2006). "Aplicaciones de aleaciones con memoria de forma en estructuras civiles". Engineering Structures . 28 (9): 1266. Bibcode : 2006EngSt..28.1266S . doi : 10.1016/j.engstruct.2005.12.010 .
  42. ↑ Karimi, Saeed; Konh, Bardia (2019). "Aguja quirúrgica activa dirigible en 3D". Conferencia de Diseño de Dispositivos Médicos de 2019. doi : 10.1115/DMD2019-3307 . ISBN 978-0-7918-4103-7. S2CID 200136206 . 
  43. ↑ Mereau, Trinity M.; Ford, Timothy C. (marzo de 2006). "Grapas de compresión de nitinol para fijación ósea en cirugía del pie". Journal of the American Podiatric Medical Association . 96 (2): 102– 106. doi : 10.7547/0960102 . PMID 16546946. S2CID 29604863 .  
  44. ↑ Obituario del Dr. Andreasen . New York Times (15 de agosto de 1989). Consultado en 2016.
  45. ↑ Pathak, Anupam (2010). El desarrollo de una tecnología de actuación SMA antagónica para la cancelación activa del temblor humano (Tesis). hdl : 2027.42/76010 .
  46. ↑ Universidad de Saarland (13 de marzo de 2019). "Un equipo de investigación utiliza músculos artificiales para desarrollar un aire acondicionado para el futuro" . phys.org .
  47. ↑ "NT0404 Resorte de Nitinol (Níquel Titanio)" . Metales Refractarios Avanzados . Consultado el 7 de septiembre de 2024 .
  48. ↑ Drugacz, J; Lekston, Z (1995). "Uso de pinzas con memoria de forma de TiNiCo en el tratamiento quirúrgico de fracturas mandibulares ". J Oral Maxillofac Surg . 53 (6): 665–71 . doi : 10.1016/0278-2391(95)90166-3 . PMID 7776049 . 
  49. ↑ Dilibal, S.; Sehitoglu, H.; Hamilton, RF; Maier, HJ; Chumlyakov, Y. (2011). "Sobre el cambio de volumen en Co–Ni–Al durante la pseudoelasticidad" (PDF) . Materials Science and Engineering: A. 528 ( 6): 2875. doi : 10.1016/j.msea.2010.12.056 .
  50. ↑ Hamilton, RF; Dilibal, S.; Sehitoglu, H.; Maier, HJ (2011). "Mecanismo subyacente de la doble histéresis en monocristales de NiMnGa". Materials Science and Engineering: A . 528 (3): 1877. doi : 10.1016/j.msea.2010.10.042 .

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