ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Θέμα διπλωματικής εργασίας: «Υλικά με μνήμη σχήματος: Μελέτη ενεργοποιητών από έξυπνα μαγνητικά υλικά» Συγγραφή εργασίας: Αρκουδάκη Σοφία (A.M.511/ ) Επιβλέπων καθηγητής: Π. Παπανίκος Μέλη της επιτροπής: Ν. Ζαχαρόπουλος, Β. Μουλιανίτης Σύρος, Ιούνιος 2012

2 Στον καθηγητή μου, για τη συνεργασία, το ενδιαφέρον και τον επαγγελματισμό του. 2

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Εισαγωγή Ιστορικά στοιχεία Τοποθέτηση των SMMs στον κόσμο των υλικών Έξυπνα/ευφυή υλικά και υλικά αποκρινόμενα σε ερεθίσματα Υλικά με μνήμη σχήματος Φαινόμενο μνήμης σχήματος Βασικές αρχές Κατηγοριοποίηση Υλικών με Μνήμη Σχήματος Μαγνητικά υλικά με μνήμη σχήματος Ενεργοποιητές Ορισμοί Γραμμικοί και διαφορικοί ενεργοποιητές Βιβλιογραφική ανασκόπιση Μοντελοποίηση..65 Αναφορές..72 3

4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι τα λεγόμενα «υλικά με μνήμη σχήματος», με έμφαση στα «μαγνητικά υλικά με μνήμη σχήματος» και την πιο διαδεδομένη εφαρμογή αυτών, τους ενεργοποιητές. Τα υλικά με μνήμη σχήματος ανήκουν σε μια ευρύτερη κατηγορία υλικών που ονομάζονται «έξυπνα» ή «ευφυή» υλικά. Οι έννοιες των έξυπνων, ευφυών και και προσαρμοστικών υλικών και δομών εμφανίστηκαν στα μέσα της δεκαετίας του 1980 και πλέον είναι το θέμα εκτεταμένης επιστημονικής έρευνας. Συγκεκριμένα, τα υλικά μνήμης σχήματος (shape memory materials SMMs), έχουν την ικανότητα να ενεργοποιούνται αποκρινόμενα σε εξωτερικά ερεθίσματα μέσω της αλλαγής του σχήματός τους, αποκτώντας ένα «προσωρινό» σχήμα και στη συνέχεια να επανέρχονται στο αρχικό τους ανακάμπτοντας από μια παραμόρφωση που προκλήθηκε από την εξωτερική διέγερση. Η ιδιότητα αυτή, λύνει πολλά από τα προβλήματα που δεν μπορούν να λύσουν τα συμβατικά υλικά και σήμερα, νέες εφαρμογές τους εξετάζονται καθημερινά. Όλες οι κατηγορίες υλικών με μνήμη σχήματος (μεταλλικά κράματα, πολυμερή, σύνθετα κ.α.) βρίσκουν ήδη ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών σε πολλές βιομηχανίες. ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να κατανοήσουμε τη συμπεριφορά των υλικών αυτών αναλύοντας το μηχανισμό που κρύβεται πίσω από τις αλλαγές στις οποίες αυτά υπόκεινται και τις αρχές που τα διέπουν. Θα επικεντρωθούμε περισσότερο στις πιο γνωστές μέχρι σήμερα ομάδες καθώς και στα πιο γνωστά και κοινά υλικά. Μέσα από την «αποκωδικοποίηση» της συμπεριφοράς τους θα κατανοήσουμε όλες τις δυνατότητές τους και τη βοήθεια που έχουν να προσφέρουν στη λύση προβλημάτων σε εφαρμογές που αδυνατούν να καλύψουν τα συμβατικά υλικά. Επίσης θα διακρίνουμε περισσότερα πιθανά πεδία εφαρμογών στο μέλλον. Τέλος σκοπός της εργασίας είναι να κατανοήσουμε και τον τρόπο λειτουργίας ενός νέου τύπου ενεργοποιητή (μια από τις σημαντικότερες εφαρμογές των υπό εξέταση υλικών), του διαφορικού, μέσω της ανάπτυξης ενός μοντέλου από μαγνητικό υλικό μνήμης σχήματος, στο ANSYS. ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Αρχικά, στο πρώτο κεφάλαιο, θα τοποθετήσουμε τα υλικά με μνήμη σχήματος στον κόσμο των υλικών με σκόπό να κατανοήσουμε την έννοια των έξυπνων συστημάτων και δομών,την ευρύτερη δηλαδή ομάδα στην οποία ανήκουν. Εν συνεχεία, θα διακρίνουμε και θα αναλύσουμε τις πιο κοινές κατηγορίες των υλικών αυτών και θα μελετήσουμε τις σημαντικότερες ιδιότητες που παρουσιάζουν τα υλικά με μνήμη σχήματος και τους μηχανισμούς που προκαλούν τη συμπεριφορά τους. Επίσης θα περιγράψουμε και τις διαφορές που επιδεικνύουν οι ομάδες αυτές μεταξύ τους, στις 4

5 βασικότερες κοινές ιδιότητές τους. Μέσα από αυτή τη διαδικασία θα κατανοήσουμε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της καθεμιάς και επομένως και τα πιθανά πεδία εφαρμογών της κάθε ομάδας. Στο επόμενο κεφάλαιο, θα επικεντρωθούμε στην πιο κοινή και γνωστή εφαρμογή των υλικών μνήμης σχήματος, τους ενεργοποιητές και συγκεκριμένα τους ενεργοποιητές μαγνητικής ενεργοποίησης. Οι ενεργοποιητές γενικότερα, είναι το επίκεντρο του επιστημονικού ενδιαφέροντος όσο αφορά στις εφαρμογές εδώ και πολλά χρόνια και θα συνεχίσει να είναι αφού έχουν εισχωρήσει σε όλα σχεδόν τα πεδία της βιομηχανίας, από τη ρομποτική μέχρι και την ιατρική, αφού μπορούν να αντικαταστήσουν ολόκληρα μηχανικά μέρη και παραδοσιακές τεχνολογίες, βασισμένοι στην αναστρεψιμότητα των υλικών που εξετάζουμε. Παρά τις συνεχείς εξελίξεις στα εξεταζόμενα υλικά, ακόμα και οι ίδιοι οι ενεργοποιητές εξελίσονται συνεχώς και γίνονται ολοένα και «εξυπνότεροι». Στο τελευταίο κεφάλαιο, παρουσιάζεται και ένας σχετικά νέος τύπος ενεργοποιητή, ο οποίος λύνει κάποια από τα προβλήματα που αδυνατεί να καλύψει ο συμβατικός γραμμικός μαγνητικός ενεργοποιητής. Προκειμένου να κατανοήσουμε τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί όταν διεγείρεται από το μαγνητικό πεδίο, μοντελοποιήσαμε, με τη βοήθεια του ANSYS, έναν διαφορικό ενεργοποιητή κατασκευασμένο από μαγνητικό υλικό μνήμης σχήματος και με δεδομένη τη συμπεριφορά του, μελετήθηκε η κίνηση που κάνει όταν εφαρμόζονται διαφορετικές κατανομές μαγνητικών πεδίων. 5

6 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 6

7 Η ανάπτυξη σε ορισμένες αναδυόμενες τεχνολογίες, όπως για παράδειγμα η ελάχιστα επεμβατική χειρουργική, τα μικροσυστήματα, και τα μη επανδρωμένα οχήματα της αεροπορίας κ.λπ., απαιτεί μη συμβατικά υλικά. Τα έξυπνα υλικά και τα υλικά με μνήμη σχήματος παρέχουν τις σωστές λύσεις σε πολλές από αυτές τις τεχνολογίες και στα προβλήματα που προκύπτουν. Το όραμα «Το υλικό είναι η μηχανή» δεν είναι πια μελλοντικό, αλλά έχει γίνει πλέον απτό για όλους. Χάρη στα διάφορα υλικά με μνήμη σχήματος, μπορούμε να σχεδιάσουμε τώρα ένα υλικό και να το προγραμματίσουμε ώστε να εκτελεστεί μια προκαθορισμένη ακολουθία ενεργειών, όπως ακριβώς και στα μηχανήματα, αλλά με μεγαλύτερη ευφυΐα και ευελιξία, με την έννοια ότι το υλικό μπορεί να αισθανθεί και στη συνέχεια να αντιδράσει, ακόμη και σε μοριακό επίπεδο. Τα υλικά αυτά έχουν ξετυλίξει ένα συναρπαστικό πεδίο για μεγάλη ποικιλία μηχανολογικών εφαρμογών, οι οποίες είναι συχνά προβληματικές για τα παραδοσιακά υλικά και τις παραδοσιακές προσεγγίσεις. Τα υλικά με μνήμη σχήματος ανήκουν σε μια ευρύτερη κατηγορία υλικών που ονομάζεται έξυπνα ή ευφυή υλικά. Εν μέρει εξαιτίας του αυξημένου ενδιαφέροντος για τα ευφυή υλικά και δομές, τα υλικά με μνήμη σχήματος είναι το θέμα εκτεταμένης έρευνας και νέα SMA (shape memory alloys), FSMA (ferromagnetic shape memory alloys) και τα SMP υλικά (shape memory polymers ) και εφαρμογές εξετάζονται καθημερινά. Τα υλικά με μνήμη σχήματος βρίσκουν ήδη ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών σε πολλές βιομηχανίες. Επικρατούσα έρευνα υποστηρίζει την ευρέως διαδεδομένη άποψη ότι τα υλικά αυτά θα γίνουν ακόμη πιο κοινά στο μέλλον, καθώς επίσης θα παρέχουν κάποια από την απαραίτητη τεχνολογία πίσω από φουτουριστικά concepts όπως οι πολυμορφικές κατασκευές και τα νανορομπότ που, μέχρι πρόσφατα, θεωρούνταν κάτι περισσότερο από επιστημονική φαντασία. 1.1 Ιστορικά στοιχεία Οι έννοιες των έξυπνων, ευφυών, και προσαρμοστικών υλικών και των δομών εμφανίστηκαν στα μέσα της δεκαετίας του 1980 [1]. Τα έξυπνα υλικά-κλειδιά περιλαμβάνουν τα πιεζοηλεκτρικά (piezoelectrics), μεταλλικά κράματα με μνήμη σχήματος (shape-memory alloys), Ηλεκτροσταλτικά υλικά (Εlectrostrictive materials), μαγνητοσταλτικά υλικά (magnetostrictive materials), ηλεκτρορεολογικά και μαγνητορεολογικά ρευστά, τζελ πολυηλεκτρολύτη (polyelectrolyte gels), πυροηλεκτρικά (pyroelectrics), photostrictive υλικά( photostrictive materials) materials), φωτοσιδηροηλεκτρικά υλικά (photoferroelectric materials), μαγνητο-οπτικά υλικά (magneto-optical materials), και υπεραγώγιμων υλικών (superconducting materials). Η συμπεριφορά μνήμης σχήματος παρατηρήθηκε για πρώτη φορά σε ένα δείγμα καδμίου-χρυσού (AuCd)από τους Chang και Read το Αυτός ο μετασχηματισμός του σχήματος αργότερα παρατηρήθηκε σε ορείχαλκο (brass) το 1938, καθώς επίσης και σε μια δοκό από AuCd το Δεν ήταν μέχρι το 1962 που ένα πλήρες φαινόμενο μνήμης σχήματος παρατηρήθηκε σε μια σειρά από κράματα νικελίου-τιτανίου από τους Buehler, Gilfrich και Wiley. Αυτό το κράμα μνήμης σχήματος (SMA), καλείται τώρα Nitinol (NiTi) και είναι το πιο γνωστό εμπορικά 7

8 SMA. Όχι μόνο αυτό το κράμα επιδεικνύει εξαιρετικά χαρακτηριστικά μνήμης σχήματος, αλλά μπορεί επίσης να έχει μεταβλητή θερμοκρασία μετασχηματισμού αλλάζοντας τη χημεία ή η σύνθεσή του [1]. Υπήρξε συνεχής έρευνα αφιερωμένη στην εξεύρεση νέων κραμάτων που παρουσιάζουν το φαινόμενο μνήμης σχήματος. Τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας τα τελευταία χρόνια έχουν δείξει τέτοια κράματα όπως ο χαλκός, ο ψευδάργυρος και το αλουμίνιο σε συνδυασμό με μικρότερες ποσότητες νικελίου και τιτανίου. Πολλές εφαρμογές των μετάλλων μνήμης σχήματος περιλαμβάνουν προσθετικούς βραχίονες, καφετιέρες, σφραγίδες και συνδετήρες, φίλτρα θρόμβων, φριτέζες, μηχανές espresso, και ούτω καθεξής. Προτάσεις για νέες εφαρμογές περιλαμβάνουν μορφοποίηση πτερύγων (wing morphing), διακόπτες κυκλωμάτων, αποσβεστήρες πυρός, συστήματα αυτόματης εξαέρωσης, πίνακες ελέγχου θυρών, και άλλα [1]. Πολλές εφαρμογές του SMA Nitinol βρίσκονται στον ιατρικό τομέα και τομέα και περιλαμβάνουν χρήσεις στην επεμβατική καρδιολογία, νευρολογία, την ακτινολογία και την αγγειακή χειρουργική. Επίσης περιλαμβάνουν συστήματα μεταφοράς φαρμάκων και στέντ, σφιγκτήρες αγγείων (vascular closure devices), εμφυτεύσιμες συσκευές, οι καθετήρες και συσκευές θρομβεκτομής. Κράματα με μνήμη σχήματος σχήματος χρησιμοποιούνται επίσης για την επισκευή των σπασμένων οστών. Τα τέλη της δεκαετίας του 1980, είδαν την εισαγωγή του Nitinol σε μια σειρά από ελάχιστα επεμβατικές ενδοαγγειακές εφαρμογές [2]. Μια άλλη κατηγορία υλικών με μνήμη σχήματος (SMMs) είναι τα πολυμερή μνήμης σχήματος (SMPs), τa οποίa μπορούν να ενεργοποιούνται με τη θερμότητα, τα μαγνητικά πεδία και ακόμη και το φως. Τα SMPs είναι διαθέσιμα στην αγορά για πάνω από 20 χρόνια και διατηρούν ένα προσωρινό σχήμα μετά την προ-παραμόρφωση σε υψηλή θερμοκρασία και την επακόλουθη ψύξη. Όταν ξαναθερμαίνονται, το αρχικό σχήμα μπορεί να ανακτηθεί. Διαθέτουν την ικανότητα να ανακτήσουν μεγάλες παραμορφώσεις, της τάξης του % με την εφαρμογή θερμότητας και διαφέρουν από τα μέταλλα στο ότι η υαλώδης μετάπτωση (που εμφανίζεται στη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης Tg) από μια σκληρή σε μια μαλακή πολυμερική φάση είναι υπεύθυνη για το φαινόμενο και όχι μια μεταλλική μαρτενσιτική-ωστενιτική μετάβαση. Σιδηρομαγνητικά (FSMAs)ή μαγνητικά κράματα μνήμης σχήματος (MSMAs) έχουν επίσης γίνει το θέμα μιας εκτεταμένης ερευνητικής προσπάθειας από την ανακάλυψη (το 1990) των μεγάλων τάσεων που προκαλούνται από μαγνητικά πεδία σε κράματα περιεκτικότητας μέχρι και 8-10% σε νικέλιο-μαγγάνιο-γάλλιο (Ni-Mn-Ga). Τα υλικά αυτά παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον, λόγω του ότι η μαγνητική απόκριση τείνει να είναι ταχύτερη και πιο αποτελεσματική από την απόκριση στη θερμοκρασία των SMA. Τα σιδηρομαγνητικά υλικά και τα πολυμερή με μνήμη σχήματος ανακαλύφθηκαν πιο πρόσφατα και βρίσκονται ακόμα σε πρώιμο στάδιο εμπορευματοποίησης αλλά παραμένουν σε συνεχή έρευνα. Οι πιλοτικές εφαρμογές διερευνώνται στον τομέα της υγείας, της αεροδιαστημικής, της αυτοκινητοβιομηχανίας και άλλων βιομηχανιών. Άλλες πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν χρήσεις σε μικροενεργοποιητές, κινητήρες, βαλβίδες, αντλίες, μπουζί, αισθητήρες, διακόπτες, ιατρικές συσκευές και υψηλής ακρίβειας ρομποτικοί βραχίονες. 8

9 1.2 Τοποθέτηση των SMMs στον κόσμο των υλικών Όπως υποδηλώνεται και από το παρακάτω σχήμα, τα υλικά που έχουν την ιδιότητα να αποκρίνονται σε ερεθίσματα και ονομάζονται στα αγγλικά «stimulus-responsive materials» (SRMs). Ανάμεσά τους, μια ομάδα SRM υλικών είναι ικανή να αλλάζει το σχήμα της παρουσία του σωστού ερεθίσματος[3], αλλάζοντας τις φυσικές ή χημικές ιδιότητές τους. Αυτά που αλλάζουν τις φυσικές τους ιδιότητες μπορούν μεταξύ άλλων να μεταβάλλουν το σχήμα τους. Αν η αλλαγή του σχήματος είναι αυθόρμητη και άμεση παρουσία της σωστής διέγερσης, το υλικό ονομάζεται «υλικό αλλαγής σχήματος» ή στην αγγλική ορολογία «shape change material» (SCM). Δυο τυπικά παραδείγματα SCM υλικών είναι τα πολυμερή που ενεργοποιούνται με ηλεκτρισμό (EAP) και τα πιεζοηλεκτρικά υλικά (όπως PZT-piezoelectric materials ). Από την άλλη, όταν η αλλαγή του σχήματος είναι προσωρινή, τότε μιλάμε για Shape Memory Materials (SMMs). Σε αυτά, το προσωρινό τους σχήμα μπορεί πρακτικά να κρατηθεί για πάντα, εκτός και αν η σωστή διέγερση εφαρμοστεί ώστε να ενεργοποιήσει την ανάκτηση του σχήματος. Τα SMMs με τη σειρά τους διακρίνονται σε διάφορες κατηγορίες, οι οποίες ανάλογα με τις ιδιότητές τους επιλύουν διαφορετικά προβλήματα και έχουν διαφορετικές εφαρμογές. Τις σημαντικότερες από αυτές τις κατηγορίες θα αναλύσουμε διεξοδικότερα παρακάτω. Φυσικά, οποιοδήποτε υλικό κάτω από ελαστική παραμόρφωση μπορεί να ονομάζεται «αποκρινόμενο στην τάση» (stress-responsive- SCM). 9

10 Εικ.1 Τοποθέτηση διαφόρων τύπων SMMs στον κόσμο των υλικών[3]. 1.3 Έξυπνα ή ευφυή υλικά και υλικά αποκρινόμενα σε ερεθίσματα Όπως αναφέραμε παραπάνω τα υλικά με μνήμη σχήματος είναι ουσιαστικά μια υποκατηγορία των «αποκρινόμενων σε ερεθίσματα υλικών» ή αλλιώς «ευφυή» / «έξυπνα» υλικά. Το ενδιαφέρον σχετικά με αυτά τα υλικά δεν εντοπίζεται στην ικανότητα εκπλήρωσης πολύ υψηλών και σταθερών προδιαγραφών, αλλά στη δυνατότητα ελεγχόμενης μεταβολής της συμπεριφοράς τους. Δηλαδή, σε αυτά, μεγαλύτερη σημασία έχουν οι λειτουργίες/ενέργειες που μπορούν να εκτελέσουν παρά οι ονομαστικές τιμές κάποιων φυσικών ιδιοτήτων ή χαρακτηριστικών τους (όπως το μέτρο ελαστικότητας, η ειδική αντίσταση κτλ) [Gandhi, 1992],[5]. Ως ευφυή υλικά ονομάζονται τα συστήματα που έχουν την ικανότητα να μεταβάλλουν τη συμπεριφορά τους ή ορισμένα φυσικά (όπως σχήμα, διαστάσεις, ιδιοσυχνότητα, συντελεστή απόσβεσης δονήσεων και άλλα ) ή/και χημικά χαρακτηριστικά τους, με δεδομένο και ελεγχόμενο τρόπο, αποκρινόμενα σε εξωτερικά 10

11 ερεθίσματα/διεγέρσεις όπως είναι η θερμότητα, η πίεση, το ηλεκτρικό ή μαγνητικό πεδίο, το ph, η παραμόρφωση κ.α.[4],[5]. Επιπλέον, ένα σύστημα χαρακτηρίζεται ως ευφυές (οι όροι «πολυλειτουργικό», «έξυπνο», «ευφυές» στη βιβλιογραφία είναι ισοδύναμοι) όταν διαθέτει την ικανότητα της «αίσθησης» κάποιας εξωτερικής διέγερσης και της ενεργοποίησης με ελεγχόμενο τρόπο. Πιο συγκεκριμένα, τα συστήματα αυτά ενσωματώνουν αισθητήρες και ενεργοποιητές, με τους οποίους αισθάνονται αλλαγές στο εξωτερικό περιβάλλον (π.χ. επιβαλλόμενη τάση ή αλλαγή θερμοκρασίας) ή στη δομή τους (π.χ. ανάπτυξη ατελειών ή μεταβολή της κρυσταλλικής δομής) και αποκρίνονται σε αυτές με τους ενεργοποιητές, αλλάζοντας κάποια ιδιότητά τους προς ορισμένη κατεύθυνση (π.χ. δυσκαμψία, σχήμα, ικανότητα απόσβεσης). Τα έξυπνα/ευφυή/αυτό-προσαρμοζόμενα συστήματα, όπως ήδη αναφέραμε, αποτελούνται από τρία βασικά στοιχεία: Αισθητήρες, Ενεργοποιητές, Επεξεργαστές ελέγχου. Σχηματικά, Εικ.2 «Έξυπνο» σύστημα. Το σημείο τομής των τριών κύκλων ορίζει την ύπαρξη των ευφυών υλικών[4]. Ένα επιπρόσθετο χαρακτηριστικό είναι η ικανότητα επαναφοράς του συστήματος στην αρχική του κατάσταση (από το «προσωρινό» στο «μόνιμο» σχήμα )όταν η διέγερση αφαιρεθεί. Υπάρχει ένας αριθμός τύπων έξυπνων υλικών, μερικοί από τους οποίους είναι ήδη πολύ γνωστοί. Μερικά παραδείγματα είναι τα ακόλουθα: -Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά ( Piezoelectric materials )είναι υλικά που παράγουν διαφορά δυναμικού όταν εφαρμόζεται κάποια τάση. - Shape memory alloys and shape memory polymers είναι υλικά στα οποία μεγάλες παραμορφώσεις μπορούν να προκληθούν και να ανακτηθούν μέσω μεταβολών της 11

12 θερμοκρασίας ή της παραμόρφωσης (ψευδοελαστικότητα). Η μεγάλη παραμόρφωση προκύπτει λόγω της μαρτενσιτικής αλλαγής φάσης. - Τα μαγνητοσταλτικά υλικά (magnetostrictive materials) επιδεικνύουν αλλαγές στο σχήμα τους κάτω από τη επίδραση μαγνητικού πεδίου και επίσης επιδεικνύουν αλλαγή στη μαγνήτισή τους κάτω από την επίδραση μηχανικής τάσης. - Τα μαγνητικά κράματα με μνήμη σχήματος (magnetic shape memory alloys)είναι υλικά που αλλάζουν το σχήμα τους ως απάντηση σε μια σημαντική αλλαγή στο μαγνητικό πεδίο. - PΗ-ευαίσθητα πολυμερή (ph-sensitive polymers) είναι υλικά που αλλάζουν σε όγκο όταν το PΗ του περιβάλλοντος αλλάζει. - Πολυμερή αποκρινόμενα στη θερμοκρασία (temperature-responsive polymers) είναι υλικά τα οποία υφίστανται αλλαγές με τη θερμοκρασία. - Halochromic materials. Είναι κοινώς χρησιμοποιούμενα υλικά που αλλάζουν το χρώμα τους σαν αποτέλεσμα της αλλαγής οξύτητας. Μια προτεινόμενη εφαρμογή είναι για πίνακες που μπορούν να αλλάξουν το χρώμα τους για να υποδηλώσουν τη διάβρωση του μετάλλου από κάτω τους. - Τα χρωμογενή συστήματα ( chromogenic systems) αλλάζουν χρώμα ως απάντηση σε ηλεκτρικές, οπτικές και θερικές αλλαγές. Αυτά περιλαμβάνουν τα ηλεκτροχρωμικά υλικά που αλλάζουν το χρώμα ή την αδιαφάνειά τους με την εφαρμογή τάσης/voltage (π.χ. οθόνες υγρών κρυστάλλων), τα θερμοχρωμικά υλικά αλλάζουν το χρώμα τους ανάλογα με τη θερμοκρασία τους, και τα φωτοχρωμικά υλικά τα οποία αλλάζουν το χρώμα τους σε απάντηση στο φως για παράδειγμα, γυαλιά ηλίου ευαίσθητα στο φως που σκουραίνουν όταν εκτείθονται σε έντονο φως ηλίου -Σιδηρορευστά ( ferrofluids) - Τα φωτομηχανικά υλικά (photomechanical materials) αλλάζουν το σχήμα τους κάτω από την έκθεση σε φως. - Τα αυτο-ιάσιμα υλικά (self-healing materials) έχουν την εγγενή ικανότητα να αποκαθιστούν ζημιές που οφείλονται σε φυσιολογική χρήση, επεκτείνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής του υλικού. - Τα διηλεκτρικά ελαστομερή (Dielectric elastomers /DEs) είναι συστήματα έξυπνων υλικών τα οποία παράγουν μεγάλες παραμορφώσεις/strains (μέχρι 300%) κάτω από την επιρροή ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. - Magnetocaloric materials. Είναι σύνθετα που υφίστανται μια αναστρέψιμη αλλαγή θερμοκρασίας μετά από έκθεση σε μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο. - Θερμοηλεκτρικά υλικά (thermoelectric materials) χρησιμοποιούνται για να χτίσουν συσκευές που μετατρέπουν τις διαφορές θερμοκρασίας σε ηλεκτρισμό και αντίστροφα. Τα συνηθέστερα ευφυή υλικά-κλειδιά και οι χρονιές-ορόσημο γι αυτά Πυροηλεκτρικά/Pyroelectrics (315 B.C.) Πιεζοηλεκτρικά/Piezoelectrics (1880) Υλικά με μνήμη σχήματος/shape-memory materials (1932) Ηλεκτρο- και μαγνητο-σταλτικά υλικά/electro- and magnetostrictive materials (1954/1840) Ηλεκτρο- και μαγνητο-ρεολογικά ρευστά/electro- and magnetorheological fluids ( ER, MR ) (1784/1947) Πολυηλεκτρολυτικά τζελ/polyelectrolyte gels (ph muscles) (1949) 12

13 Φωτοσταλτικά υλικά/photostrictive materials (1974); photovoltaic materials Υπεραγωγοί (1911) Υγροί κρύσταλλοι/liquid crystals Οπτικές ίνες/optical fibers Σωματίδια ηλεκτροφωταύγειας/electroluminescence particles Μαγνητο-οπτικά/Magneto-optical, Ηλεκτρομαγνήτες/electromagnets, Μαγνητοελαστικά υλικά/magnetoelastic materials Εικ.3 Ανάκτηση σχήματος με εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου. Εφαρμογές ευφυών υλικών Τα σύνθετα υλικά με ενσωματωμένους αισθητήρες και ενεργοποιητές θα κερδίσουν την τεχνολογική αποδοχή μόνο εάν η δομική ακεραιότητα τους δεν μειώνεται σημαντικά εξαιτίας της παρουσίας αισθητήρων και ενεργοποιητών, που προς το παρόν είναι σημαντικά μεγαλύτεροι σε διάμετρο από τις ίνες άνθρακα, τις αραμιδικές ίνες ή τις οπτικές ίνες (που έχουν χαρακτηριστικά 8-10μm διάμετρο). Οι πιθανές εφαρμογές τέτοιων ευφυών συστημάτων/υλικών είναι άφθονες. Παρακάτω ακολουθούν ορισμένες εφαρμογές αρκετές από τις οποίες βρίσκονται ακόμα υπό ανάπτυξη. Οι εφαρμογές των ευφυών υλικών περιλαμβάνουν: το σχεδιασμό «έξυπνου κελύφους» αεροσκαφών που ενσωματώνουν αισθητήρες οπτικών ινών για ανίχνευση δομικών ρωγμών, γέφυρες με αισθητήρες αλλά και με κινούμενα στοιχεία για να αντιμετωπίζει βίαιες δονήσεις, ιπτάμενα μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα (flying microelectromechanical systems) με τηλεχειρισμό για έρευνα και για αποστολές διάσωσης, υποβρύχια οχήματα τύπου stealth με ειδικούς τεχνητούς μύες σχεδιασμένους για κολύμβηση φτιαγμένους από ειδικά πολυμερή σώματα, βαλβίδες ελέγχου υψηλής ταχύτητας (αναλογικές βαλβίδες, βαλβίδες εμβόλου κλπ.), εγχυτήρες (καυσίμου, εκτυπωτικής μελάνης, βιοϊατρικοί δοσολόγοι, κ.τ.λ.), ρομποτικοί βραχίονες και χειριστές,για τους οποίους απαιτείται ταχύτατη ανταπόκριση και υψηλή συχνότητα λειτουργίας, γραμμικοί κινητήρες, εφαρμογές σε συσκευές τοποθέτησης (positioning) υψηλής ακρίβειας, αντλίες και μικροαντλίες (π.χ. αντλίες ψύξης για ηλεκτρονικές συσκευές), ενεργή απόσβεση ταλαντώσεων, δονήσεων και κραδασμών, μηχανικοί συζεύκτες (φρένα, δαγκάνες, συγκρατητήρες), ηχοβολιστικές συσκευές (sonars), 13

14 εφαρμογές υπερήχων, μεγάφωνα, ηλεκτρικές συνδεσμολογίες (ηλεκτρονόμοι, διακόπτες κυκλώματος), εφαρμογές αισθητήρων (αισθητήρες θέσης, χειριστήρια, παρακολούθηση δονήσεων), διάφορες εφαρμογές MEMS ενεργοποιητών (actuators), ημιενεργούς απορροφητές δόνησης, αισθητήρες οπτικής ίνας σε γέφυρες, εύκαμπτα φτερά για μη επανδρωμένα αεροπορικά οχήματα, μηχανική δοκιμή και οι μικροδομικές μελέτες των MEMS υλικών (microelectromechanical systems/μικρο-ηλεκτρονικά συστήματα), ενεργητικός και παθητικός έλεγχος απόσβεσης για τις μεγάλες αστικές κατασκευές, αυτοθεραπευόμενο σκυρόδεμα, σύνθεση έξυπνων συστημάτων ενεργοποιητών για χαμηλής και υψηλής συχνότητας μακρο-κίνηση, τηλεπισκόπηση της ζημίας στις μεγάλες αστικές κατασκευές που χρησιμοποιούν ενσωματωμένους αισθητήρες για το μετριασμό κινδύνου και εξαιρετικά υψηλής ακρίβειας ελεγχόμενης μορφής έξυπνες κατασκευές. 14

15 2 ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΜΝΗΜΗ ΣΧΗΜΑΤΟΣ 15

16 ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΜΝΗΜΗ ΣΧΗΜΑΤΟΣ 2.1 Φαινόμενο μνήμης σχήματος Στα έξυπνα υλικά που αναφέραμε παραπάνω, ανήκουν και τα λεγόμενα υλικά με μνήμη σχήματος ή αλλιώς SMM ( shape memory materials ). Όπως ήδη εξηγήσαμε, τα SMM είναι υλικά που έχουν τη δυνατότητα να αλλάζουν το σχήμα τους απαντώντας σε εξωτερικά ερεθίσματα όπως η θερμοκρασία ή το μαγνητικό πεδίο. Έτσι, μπορούμε να διακρίνουμε δυο κυριότερες κατηγορίες: τα υλικά με μνήμη σχήματος θερμικής ενεργοποίησης και υλικά με μνήμη σχήματος μαγνητικής ενεργοποίησης. Ωστόσο, κάποια από τα υλικά αυτά μπορούν επίσης να ενεργοποιηθούν από μεταβολές της πίεσης, του ηλεκτρικού πεδίου, μεταβολές της τιμής του ph, την υπεριώδη ακτινοβολία ή ακόμα και από την επαφή με το νερό. Επιπρόσθετα, τα υλικά μνήμης σχήματος αποκτούν ένα «προσωρινό» σχήμα (temporary shape) και επανέρχονται στο αρχικό τους ανακάμπτοντας από μια σημαντική και φαινομενικά σχεδόν πλαστική παραμόρφωση που προκλήθηκε από το εξωτερικό ερέθισμα που αναφέραμε παραπάνω. Υπάρχουν διάφοροι τύποι των SMM, που έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα. Μεταξύ αυτών, τα κράματα μνήμης σχήματος (SMAs) και τα πολυμερή μνήμης σχήματος (SMPs) είναι τα πιο σημαντικά σήμερα. Επίσης, υπάρχουν και τα κεραμικά με μνήμη σχήματος (shape memory ceramics/smcs), καθώς και τα τζελ μνήμης σχήματος ( shape memory gels/smg ) τα οποία ωστόσο δεν αναφέρονται στην βιβλιογραφία εκτενώς και επομένως δεν θα αναλωθούμε σε αυτά. Τα προϊόντα SMM που διατίθενται αυτή τη στιγμή στο εμπόριο, βασίζονται κυρίως σε μεταλλικά κράματα (Shape Memory Alloys ή SMA) εκμεταλλευόμενα τη μνήμη σχήματος ή την υπερελαστικότητα, τις δύο βασικές ιδιότητες των υλικών αυτών. Πολυμερή υλικά με μνήμη σχήματος (Shape Memory Polymers ή SMP) ή gels αναπτύσσονται γρήγορα τα τελευταία χρόνια ενώ μαγνητικά κράματα με μνήμη σχήματος υπάρχουν ήδη στο εμπόριο. Τέλος, σε ερευνητικό επίπεδο βρίσκονται τα κεραμικά υλικά με μνήμη σχήματος, τα οποία ενεργοποιούνται όχι μόνο από τη θερμοκρασία αλλά και από ελαστική ενέργεια και ηλεκτρικό ή μαγνητικό πεδίο. Το φαινόμενο αυτό της ενεργοποίησής τους λόγω εξωτερικών διεγέρσεων ονομάζεται SME effect ( shape memory effect ). Το SME effect παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1932 από τον Arne Ölander και αφορούσε την ψευδοελαστική συμπεριφορά του κράματος AuCd (κράμα χρυσού-καδμίου ). Ωστόσο, το ενδιαφέρον για το φαινόμενο αυτό δεν ήταν ακόμα τόσο μεγάλο. Στα υλικά θερμικής ενεργοποίησης, αλλαγή στο σχήμα προκαλούμενη από αλλαγή της θερμοκρασίας ονομάζεται ειδικότερα TME effect ( temperature memory effect ) και έχει παρατηρηθεί ήδη εδώ και περίπου δυο δεκαετίες. Το φαινόμενο ΤΜΕ αναφέρεται σε ένα φαινόμενο που στην ελλιπή μετατροπή σε SMA, η προηγούμενη θερμοκρασία διακοπής (κατά την θέρμανση) μπορεί να απομνημονευθεί και να αποκαλυφθεί στην επόμενη διαδικασία θέρμανσης. 16

17 Εικ.4 Σχηματική απεικόνιση του shape memory effect ( μακροσκοπικά ) 2.2 Βασικές αρχές Υπάρχουν τρία θεμελιώδη φαινόμενα μνήμης σχήματος: 1. Μονόδρομη μνήμη σχήματος ( one-way effect ) 2. Αμφίδρομη μνήμη σχήματος ( two-way effect ) 3. H ψευδοελαστικότητα (ή υπερελαστικότητα) [1]. Πρέπει να υπογραμμίσουμε ότι οι όροι ψευδοελαστικότητα και υπερελαστικότητα συχνά χρησιμοποιούνται ως συνώνυμα στη βιβλιογραφία. Πιο αναλυτικά: 1. Ξεκινώντας από το σημείο Α, το υλικό μας βρίσκεται σε θερρμοκρασία χαμηλότερη της Μf, σε μαρτενσιτική (twinned) δομή με αρχικό μήκος L0. Ασκώντας εξωτερική εφελκυστική δύναμη, φθάνουμε στο σημείο Β, όπου το υλικό έχει προσανατολισμένη (detwinned ) μαρτενσιτική δομή και επιμήκυνση ΔL. Θερμαίνοντας, το υλικό μεταβαίνει στην ωστενιτική φάση, με την αναδιάταξη του κρυσταλλικού πλέγματος να οδηγεί στην ανάκτηση του αρχικού μήκους. Με ψύξη, συμβαίνει νέα αλλαγή φάσης σε μαρτενσίτη δίχως αλλαγή στις εξωτερικές διαστάσεις του υλικού. Σε αυτή την περίπτωση, επειδή συμβαίνει αλλαγή σχήματος μόνο κατά τον αντίστροφο μετασχηματισμό (θέρμανση) το φαινόμενο ονομάζεται «μονόδρομη μνήμη σχήματος» ( oneway shape memory effect ) [6]. 2. Η αμφίδρομη μνήμη σχήματος ( two-way shape memory effect ) προυποθέτει αλλαγή στις εξωτερικές διαστάσεις του υλικού, τόσο κατά τη φάση θέρμανσης, όσο και κατά τη φάση ψύξης, χώρις την ύπαρξη εξωτερικών φορτίων ή παραμορφώσεων. Η αλλαγή της φάσης από ωστενίτη σε μαρτενσίτη πραγματοποιείται με την πτώση της θερμοκρασίας, αλλά περιορίζεται από αντιστρεπτές καταστάσεις στο εσωτερικό του κράματος, όπως μετακινήσεις ατόμων ή κατακρημνίσεις [6]. Αυτό τo φαινόμενο είναι πιθανώς το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο και ευεργετικό φαινόμενο των SMA ( χρειαζόμαστε, ωστόσο, να καταλάβουμε ότι το two-way shape memory effect είναι βασικά ένα 17

18 φαινόμενο που ανήκει στα υλικά αλλαγής σχήματος (SCM/shape change materials ), δεδομένου ότι η αλλαγή στο σχήμα είναι άμεση και αυθόρμητη με την παρουσία του κατάλληλου ερεθίσματος ). Η θερμική ενέργεια μπορεί να μεταφραστεί αποτελεσματικά σε μηχανική ενέργεια χρησιμοποιώντας το twoway effect. Εάν μια δύναμη εφαρμόζεται σε ένα SMA στην μαρτενσιτική κατάσταση, θέρμανση πάνω από τη θερμοκρασία μαρτενσιτικού μετασχηματισμού ενώ εφαρμόζεται η ίδια ισχύς, θα προκαλέσει την μείωση της παραμόρφωσης του κράματος (aυτή είναι η ίδια ισχύς που θα προκαλέσει λιγότερη πίεση στην ωστενιτική κατάσταση σε σχέση με την μαρτενσιτική). Αυτό οφείλεται στη μειωμένη ελαστικότητα της ωστενιτικής φάσης. Η δύναμη που παράγεται κατά τη μετατροπή μεταξύ των δύο καταστάσεων είναι αρκετά σημαντική, και αυτό κάνει τα SMAS χρήσιμα για μια σειρά εφαρμογών. To twoway effect μπορεί επίσης να επιτευχθεί χωρίς την εφαρμογή μιας εξωτερικής δύναμης. Αυτό απαιτεί μια ειδική θερμική κατεργασία που περιλαμβάνει θέρμανση του υλικού σε διαφορετικές θερμοκρασίες υπό πίεση. Το πραγματικό two-way effect παράγει λιγότερη κίνηση και δύναμη και είναι λιγότερο κατανοητό από το two-way effect που περιλαμβάνει εξωτερική δύναμη. Η διαδικασία θερμικής επεξεργασίας είναι επίσης πιο ακριβή, με αποτέλεσμα να κάνει αυτό τον τύπο του two-way effect λιγότερο επιθυμητό από ότι τη μέθοδο της εξωτερικής δύναμης. Υπενθυμίζεται ότι το two-way effect μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε έναν αριθμό διαφορετικών ενεργοποιητών τόσο θερμικών όσο και ηλεκτρικών. Επειδή το two-way effect λειτουργεί τόσο με ορθές όσο και με διατμητικές τάσεις, ένα ευρύ φάσμα γεωμετρικών διαμορφώσεων μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ενεργοποιητές. Εικ.5 Συμπεριφορά μνήμης σχήματος μονής και διπλής κατεύθυνσης σε κοινό ποιοτικό διάγραμμα παραμόρφωσης θερμοκρασίας [6] 3. Το τρίτο φαινόμενο που επιδεικνύεται από τα SMAs είναι η ψευδοελαστικότητα (ή υπερελαστικότητα) που εμφανίζεται μόνο όταν το SMA είναι ελαφρώς πάνω από τη θερμοκρασία μετάβασης.ο όρος αυτός αναφέρεται στην ικανότητα του υλικού να επανέρχεται στο αρχικό του σχήμα, έχοντας υποστεί μεγάλη 18

19 παραμόρφωση, μετά την αφαλιρεση του εξωτερικού φορτίου[6]. Όταν ένα κράμα είναι στην ωστενιτική κατάσταση ( δηλαδή σε υψηλές θερμοκρασίες ), μαρτενσιτικός μετασχηματισμός λόγω τάσης μπορεί να συμβεί και ανάκτηση μπορεί να επιτευχθεί άμεσα και ταυτόχρονα με την απελευθέρωση του εφαρμοζόμενου φορτίου, όπως ακριβώς ένα λάστιχο. Αυτό ονομάζεται υπερελαστικότητα (SE/super-elasticity). Σύμφωνα με τον παραπάνω ορισμό, το φαινόμενο μνήμης σχήματος (SME) είναι το χαρακτηριστικό των SMMs (υλικών με μνήμη σχήματος), ενώ η υπερ-ελαστικότητα (SE) είναι αυτό των SCMs (shape change material). Ωστόσο, επειδή το υλικό είναι πάνω από τη θερμοκρασία μετάβασης, η θερμική ενέργεια του περιβάλλοντος μετατρέπει το μαρτενσίτη πίσω σε ωστενίτη μετά την αποφόρτηση. Το υλικό αυτό μετατρέπεται δυναμικά πίσω στο προηγούμενο ωστενιτικό σχήμα του, παρέχοντας μια πολύ ελαστική ή rubberlike ελαστικότητα στο κράμα. Το φαινόμενο αυτό επιτρέπει στο SMA να έχει ανακτήσιμη τάση μεγαλύτερη από αυτή των περισσότερων υλικών. Άλλος ορισμός: H ψευδοελαστικότητα, μερικές φορές ονομάζεται και «υπερελαστικότητα», είναι μια ελαστική (αναστρέψιμη) απόκριση σε μια εφαρμοσμένη τάση, που προκαλείται από ένα μετασχηματισμό φάσης μεταξύ της ωστενιτικών και μαρτενσιτικών φάσεων ενός κρυστάλλου. Παρουσιάζεται σε κράματα με μνήμη σχήματος. Η ψευδοελαστικότητα προέρχεται από την αναστρέψιμη κίνηση των ορίων του τομέα κατά τη διάρκεια του μετασχηματισμού φάσης, παρά μόνο από την έκταση των δεσμών ή την την εισαγωγή ατελειών στο κρυσταλλικό πλέγμα (έτσι δεν είναι πραγματική υπερελαστικότητα, αλλά μάλλον περισσότερο ψευδοελαστικότητα). Έτσι, ένα ψευδοελαστικό υλικό μπορεί να επιστρέψει στο προηγούμενο σχήμα του (ως εκ τούτου, μνήμη σχήματος) μετά την αφαίρεση των ακόμη σχετικά υψηλών εφαρμοσμένων παραμορφώσεων Μία ειδική περίπτωση ψευδοελαστικότητας ονομάζεται Bain Correspondence. Αυτό περιλαμβάνει τον ωστενιτικό/ μαρτενσιτικό μετασχηματισμό φάσης μεταξύ ενός εδροκεντρωμένου κρυσταλλικού πλέγματος (face-centered) και και μιας χωροκεντρομένης (body-centered) κυβικής κρυσταλλικής δομής[7]. Τα υπερελαστικά κράματα ανήκουν στην ευρύτερη οικογένεια των κραμάτων με μνήμη σχήματος. Όταν είναι μηχανικά φορτωμένο, ένα υπερελαστικό μέταλλο, παραμορφώνεται αναστρέψιμα σε πολύ υψηλές παραμορφώσεις - έως 10% - με τη δημιουργία μιας φάσης λόγω της τάσης. Όταν το φορτίο αφαιρείται, η νέα φάση γίνεται ασταθής και το υλικό ανακτά το αρχικό του σχήμα. Σε αντίθεση με τα κράματα με μνήμη σχήματος, καμία αλλαγή στη θερμοκρασία δεν είναι απαραίτητη για το κράμα για να ανακτήσει την αρχική του μορφή. Υπερελαστικές συσκευές επωφελούνται των μεγάλων, αναστρέψιμων παραμορφώσεων και περιλαμβάνουν κεραίες, σκελετούς γυαλιών, και βιοϊατρικά stents. 19

20 Ένα επιπρόσθετο φαινόμενο είναι η rubber-like συμπεριφορά: Μερικά κράματα που επιδεικνύουν το φαινόμενο μνήμης σχήματος, δείχνουν ελαστική/rubber-like ευελιξία. Όταν οι ράβδοι είναι λυγισμένοι, επανέρχονται αυθόρμητα με την απελευθέρωση της τάσης. Από το 1932 έχει γίνει γνωστό ότι ένας αριθμός από ταξινομημένα κράματα δείχνουν μια ασυνήθιστη συμπεριφορά παραμόρφωσης. Αυτά τα μέταλλα (συμπεριλαμβανομένων των Au Cd, Au Cu Zn, Cu Zn Al, Cu Al Ni ), κατόπιν γήρανσης για κάποιο χρονικό διάστημα σε μια μαρτενσιτική κατάσταση, μπορεί να παραμορφωθεί σαν ένα μαλακό και ψευδο-ελαστικό λάστιχο ( με μια ανακτήσιμη παραμόρφωση τόσο μεγάλη όσο μερικές ποσοστιαίες μονάδες ). Η rubber-like συμπεριφορά, σε αντίθεση με την υπερελαστικότητα ( επίσης μια rubber-like εκδήλωση ) είναι χαρακτηριστική της μαρτενσιτικής φάσης όχι της μητρικής φάσης ( φάση υψηλής θερμοκρασίας ), και παρουσιάζεται όταν ο μαρτενσίτης παραμορφώνεται. Οι μη γηρασμένοι μαρτενσίτες δεν δείχνουν αυτή τη συμπεριφορά, αλλά την τυπική SME συμπεριφορά μνήμης σχήματος. Στη συνέχεια, οι τομείς λόγω εφαρμοζόμενης τάσης φαίνεται να είναι λιγότερο σταθεροί από τους αρχικούς, έτσι ώστε οι αρχικοί τομείς μπορούν να αποκατασταθούν όταν η τάση έχει αφαιρεθεί. Αυτό οδηγεί σε μια ανακτήσιμη παραμόρφωση και μακροσκοπική rubber-like συμπεριφορά (RLB). Το κεντρικό πρόβλημα είναι να εξηγηθεί τι είναι αυτό που συμβαίνει κατά τη διάρκεια της γήρανσης του μαρτενσίτη και προκαλεί τη διαφορά σταθερότητας μεταξύ του stress-induced τομέα και του αρχικού. Η ύπαρξη της RLB συμπεριφοράς σε μαρτενσίτες ενός τομέα ( single-domain martensites ), απέδειξε ότι η RLB και το φαινόμενο γήρανσης πρέπει να προέρχονται από ατομική αναδιάταξη καθ όλο το μαρτενσίτη. Η ψευδοελαστικότητα είναι πιο γενικός όρος που περιλαμβάνει τόσο την υπερελαστικότητα όσο και την rubber-like συμπεριφορά. Ως εκ τούτου, είναι λιγότερο περιγραφικός σαν όρος. Οι όροι υπερελαστικότητα και rubber-like συμπεριφορά είναι πιο συγκεκριμένοι και τείνουν στο να αποφεύγουν την ασάφεια δίνοντας έμφαση στη μητρική φάση και τις μαρτενσιτικές ιδιότητες, αντίστοιχα. Και τα δυο είναι ισόθερμα φαινόμενα. Η προέλευση αυτής της RLB συμπεριφοράς και του φαινομένου της γήρανσης έχει παραμείνει ασαφές. 20

21 Εικ.6 (a) SMA one-way effect, (b) two-way effect, and (c) pseudoelasticity. 2.3 Κατηγοριοποίηση Υλικών με Μνήμη Σχήματος Aπό την πρώτη φορά που παρατηρήθηκε το SME effect μέχρι και σήμερα, έρευνες και πειράματα έχουν μέχρι στιγμής κάνει την εξής διάκριση σε κατηγορίες για τα υλικά με μνήμη σχήματος: SMA alloys : μεταλλικά κράματα με μνήμη σχήματος SMP polymers : πολυμερή με μνήμη σχήματος SMH hybrids : υβρίδια με μνήμη σχήματος SMG gels: τζελ μνήμης σχήματος SMC ceramics: κεραμικά με μνήμη σχήματος SMc composites : σύνθετα με μνήμη σχήματος, καθώς και συνδυασμοί αυτών όπως είναι τα shape memory polymeric hybrid gels και τα shape memory hybrid composites. Παρακάτω θα αναλύσουμε, όχι όλες αλλά, τις σημαντικότερες από αυτές τις κατηγορίες, αυτές δηλαδή που μέχρι στιγμής έχουν τραβήξει το επιστημονικό ενδιαφέρον, έχουν εξεταστεί περισσότερο και παρουσιάζουν τις περισσότερες εφαρμογές. 21

22 SMA alloys ( μεταλλικά κράματα ): Σύμφωνα με τον τύπο του ερεθίσματος, τα μέταλλα με μνήμη σχήματος χωρίζονται σε δυο κατηγορίες, η μια είναι τα θερμο-αποκρινόμενα ( thermo-responsive ) και η άλλη είναι τα μαγνητο-αποκρινόμενα (magneto-responsive ), όπως για παράδειγμα τα σιδηρομαγνητικά SMA ( FSMAs ). Ως εκ τούτου, τα πρώτα μπορούν να ενεργοποιηθούν μόνο θερμικά μέσω θέρμανσης, ενώ τα τελευταία μπορούν επίσης να ενεργοποιηθούν εφαρμόζοντας ένα στατικό μαγνητικό πεδίο ( μαγνητο-αποκρινόμενα ) ή ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο ( επαγωγική θέρμανση ) για να ενεργοποιήσει το φαινόμενο μνήμης σχήματος ( SME ). Και στους δυο τύπους, ο αναστρέψιμος μαρτενσιτικός μετασχηματισμός είναι υπεύθυνος για την συμπεριφορά τους. Πρόκειται για κράματα μετάλλων που συνήθως ενεργοποιούνται με εφαρμογή θερμότητας. Παρά το γεγονός ( όπως αναφέρθηκε παραπάνω ) ότι το SME effect είχε παρατηρηθεί ήδη από το 1932, το ενδιαφέρον για την κατηγορία κραμάτων με μνήμη σχήματος δεν ήταν τόσο έντονο μέχρι τη δεκαετία του 60, όπου σημαντική ανακτήσιμη παραμόρφωση παρατηρήθηκε σε ένα κράμα ΝiTi, κυρίως λόγω της μειωμένης ικανότητάς τους να αξιοποιηθούν σε εμπορικές εφαρμογές. Σήμερα, ένα ευρύ φάσμα κραμάτων με μνήμη σχήματος έχουν αναπτυχθεί. Ανάμεσά τους, μόνο τρια συστήματα κραμάτων είναι εμπορικής σημασίας. Αυτά είναι: NiTi-based ( κράματα νικελίου-τιτανίου ), copper (Cu)-based (CuAlNi/copper-aluminum-nickel, and CuZnAl/copper-zinc-aluminum ) and Fe-based ( π.χ. FeMnSi/iron-manganese-silicon, FeNiC and FeNiCoTi ). Συστηματική σύγκριση αυτών των τριών ομάδων, έδειξε οτι τα κράματα νικελίου-τιτανίου είναι η καλύτερη επιλογή, καθώς έχει υψηλή απόδοση, μεγάλη βιοσυμβατότητα και γενικότερα καλύτερες ιδιότητες σε σχέση με τα άλλα κράματα. Αυτή η ομάδα κραμάτων είναι γνωστή και ως NiTinol (Νickel Titanium naval ordnance laboratory) γιατί ανακαλύφθηκε κατά λάθος το 1959 από τον William J. Buehler στο Εργαστήριο Ναυτικών Ερευνών στις Η.Π.Α. [8].Συνήθως αποτελείται από % νικέλιο και % τιτάνιο [2]. Φαινόμενο και μηχανισμός Τα θερμο-αποκρινόμενα κράματα με μνήμη σχήματος χαρακτηρίζονται από τέσσερεις θερμοκρασίες, δηλαδή τις austenite start temperature (As), austenite finish temperature (Af), martensite start temperature (Ms) και martensite finish temperature (Mf). Με ψύξη από ωστενιτική φάση υψηλής θερμοκρασίας, ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός αρχίζει στην Ms και τελειώνει στην Mf. Με θέρμανση από μαρτενσιτική φάση χαμηλής θερμοκρασίας, ο αντίστροφος μαρτενσιτικός μετασχηματισμός ξεκινά στην As και τελειώνει στην Af [3]. Σε χαμηλή θερμοκρασία, η κρυσταλλική δομή του SMA παρουσιάζει μια βελονειδή δομή που ονομάζεται μαρτενσίτης, ενώ παρουσιάζει μια ισχυρή κυβική δομή όταν θερμαίνεται που ονομάζεται ωστενίτης [1]. Οι διαφορετικές φυσικές ιδιότητες στις μαρτενσιτικές και ωστενιτικές κρυσταλλικές δομές παράγουν το φαινόμενο μνήμης σχήματος. Στην μαρτενσιτική κρυσταλλική δομή το υλικό είναι πιο ενδοτικό (χαμηλότερο μέτρο Young) από ότι στην ωστενιτική κρυσταλλική δομή του. Η ωστενιτική κρυσταλλική δομή είναι είναι πολύ πιο άκαμπτη (υψηλότερο μέτρο Young). Το εύρος της θερμοκρασίας στην οποία τα SMAs υποβάλλονται σε μαρτενσιτικό μετασχηματισμό εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, μερικοί από τους οποίους μπορούν να τροποποιηθούν για την κάλυψη συγκεκριμένων αναγκών. Η θερμοκρασία στην οποία ο μαρτενσίτης αρχίζει να διαμορφώνεται, διαφέρει για διαφορετικά υλικά και διαφορετικές αναλογίες μετάλλων στα κράματα μνήμης 22

23 σχήματος. Το εύρος θερμοκρασίας μεταξύ των μαρτενσιτικών και ωστενιτικών καταστάσεων είναι επίσης ένας σημαντικός παράγοντας για τις εφαρμογές των SMAs. Το τυπικό εύρος είναι περίπου 5 έως 10 C. Η άλλη σημαντική ιδιότητα αυτού του κρυσταλλικού μετασχηματισμού είναι η ύπαρξη της θερμοκρασιακής υστέρησης. Αυτό σημαίνει ότι ο μετασχηματισμός από μαρτενσίτη σε ωστενίτη εμφανίζεται σε υψηλότερες θερμοκρασίες κατά τη θέρμανση και ο μετασχηματισμός από ωστενίτη σε μαρτενσίτη εμφανίζεται σε χαμηλότερη θερμοκρασία κατά την ψύξη. Ένα άλλο ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των SMAs είναι η υστέρηση (hysteresis). Υστέρηση είναι η εξάρτηση ενός συστήματος, όχι μόνο από το παρόν περιβάλλον του, αλλά και από το προηγούμενό του περιβάλλον. Η εξάρτηση αυτή προκύπτει διότι το σύστημα μπορεί να βρίσκεται σε περισσότερες από μία εσωτερικές καταστάσεις. Για να προβλέψουμε τη μελλοντική εξέλιξή του, είτε η εσωτερική του κατάσταση ή η ιστορία του πρέπει να είναι γνωστή. Υστέρηση εμφανίζεται σε σιδηρομαγνητικά και σιδηροηλεκτρικά υλικά, καθώς επίσης και στην παραμόρφωση ορισμένων υλικών (όπως τα λάστιχα και τα κράματα μνήμης σχήματος) απαντώντας σε διαφορετικές δυνάμεις. Τροποποιήσεις του υλικού μπορούν να μειώσουν την υστέρηση είτε τόσο χαμηλά όπως στους 15 C ή τόσο υψηλά όσο στους 100 C. Tο φαινόμενο της υστέρησης παρουσιάζεται σε μεγαλύτερη ή μικρότερη κλίμακα σε όλα τα κράματα νικελίου-τιτανίου. Ανάλογα με την ιστορία θερμικής φόρτισης, ένα SMA μπορεί να είναι ωστενίτης (austenite) (Α), μαρτενσίτης (martensite) (TM) ή αποδιδυμοποιημένος μαρτενσίτης (detwinned martensite) (DM)[3]. Ο ωστενίτης Α και ο ΤΜ μπορούν να συνυπάρχουν κατά τη διάρκεια θερμικών κύκλων ελεύθερων τάσεων. Οι σχέσεις μεταξύ αυτών των τριών φάσεων και των έξι δυνατών μετασχηματισμών φαίνονται στην Εικόνα 7. Αυτοί οι έξι μετασχηματισμοί είναι: (1) Ο ωστενίτης μετατρέπεται σε αποδιδυμοποιημένο μαρτενσίτη κατα την εφαρμογή ενός φορτίου(a DM). (2) Ο αποδιδυμοποιημένος μαρτενσίτης μετατρέπεται ξανά σε ωστενίτη κατα την αποφόρτιση σε υψηλές θερμοκρασίες ή κατα τη θέρμανση με την εφαρμογή πολύ μικρού ή μηδενικού φορτίου(dm A). (3) Ο αποδιδυμοποιημένος μαρτενσίτης (variant k) μετατρέπεται σε άλλο προσανατολισμένο μαρτενσίτη (variant l) κατα την φόρτιση (DMk DMl). (4) Ο αποδιδυμοποιημένος μαρτενσίτης μετατρέπεται σε προσανατολισμένο μαρτενσίτη κατα τη φόρτιση (TM DM). (5) Ο ωστενίτης μετατρέπεται σε αποδιδυμοποιημένο μαρτενσίτη κατα την ψύξη (A TM). 23

24 (6) Ο αποδιδυμοποιημένος μαρτενσίτης μετατρέπεται σε ωστενίτη κατα την θέρμανση (TM A). Όπως μπορούμε να δούμε, θεμελιωδώς, υπάρχουν δυο τύποι μετασχηματισμών στα SMAs, o ένας είναι μεταξύ ωστενίτη και μαρτενσίτη, και ο άλλος μεταξύ των μερτενσιτικών διδυμιών. Η θερμο-μηχανική συμπεριφορά των SMAs είναι περίπλοκη και δεν εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία, την τάση και την παραμόρφωση, αλλά επίσης από τη φάση. Θα πρέπει να επισημανθεί ότι λόγω της διαφοράς στη δομή του κρυστάλλου και / ή τον προσανατολισμό, οι ιδιότητες ενός SMA διαφόρων φάσεων (για πολυκρυστάλλους) ή προσανατολισμών (για ενιαίο κρύσταλλο) μπορεί να διαφέρουν σημαντικά. Εικ.7 Τρεις φάσεις και έξι μετασχηματισμοί. Οι δείκτες l και k αντιπροσωπεύουν διαφορετικές μαρτενσιτικές διδυμίες. 24

25 Εικ.8 Αλλαγή στη δομή του πλέγματος. Στην περίπτωση της ενεργοποίησης μέσω της ωμικής θέρμανσης ( joule heating ή ohmic heating), τρόπος προτιμότερος για πολλές μηχανικές εφαρμογές, πρέπει να έχουμε κατά νου την επίδραση της μη-ομοιόμορφης κατανομής της θερμοκρασίας. Πρέπει να δώσουμε αρκετή προσοχή στην πιθανώς μειωμένη απόδοση λόγω ανομοιομορφίας στην κατανομή της θερμοκρασίας. Ακόμα μπορούμε υποθέσουμε ότι ένα κομμάτι SMA είναι ενιαίο και ομοιογενές παντού, η επίδραση της θερμότητας που παράγεται κατά το μετασχηματισμό φάσης θα προκαλέσει πρόσθετη επίδραση της ταχύτητας παραμόρφωσης[3]. Αν και το two-way SME είναι πραγματικά ένα φαινόμενο που ανήκει στα SCMs ( shape change materials ), υπάρχουν μερικοί τρόποι για την ανάπτυξη του σε ένα SMA το οποίο έχει αρχικά μόνο το one-way SME, δηλαδή, μόνο ο ωστενίτης υψηλής θερμοκρασίας μπορεί να ανακτήσει το σχήμα του (που είναι εγγενής). Οι περισσότερες προσεγγίσεις μάθησης (training approaches) απαιτούν πολλούς θερμομηχανικούς κύκλους, πράγμα που δεν είναι βολικό. Η απόδοση αυτού του twoway SME (μπορούμε να το καλούμε εγγενές two-way SME ή materials two-way SME) είναι πολύ περιορισμένη όσο αφορά στη μέγιστη ανακτήσιμη παραμόρφωση και τη μέγιστη τάση ενεργοποίησης. Ως εκ τούτου, η χρήση του μηχανικού two-way SME είναι προτιμότερη για τις μηχανικές εφαρμογές. Τέλος, πρέπει να λάβουμε υπόψη ότι το SME εξακολουθεί να παρατηρείται στα SMAs και στην κλίμακα νανόμετρου, το οποίο παρέχει τη δυνατότητα να επιτύχουμε '' Το υλικό είναι η μηχανή''. 25

26 Γενικά χαρακτηριστικά των SMA Όπως ήδη αναφέραμε, η θερμο-μηχανική συμπεριφορά των SMAs είναι περίπλοκη και δεν εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία, την τάση και την παραμόρφωση, αλλά επίσης από τη φάση του υλικού. Λόγω της διαφοράς στη δομή του κρυστάλλου και / ή τον προσανατολισμό, οι ιδιότητες ενός SMA διαφόρων φάσεων (για πολυκρυστάλλους) ή προσανατολισμών ( για μονοκρύσταλλο) μπορεί να διαφέρουν σημαντικά. Τα κράματα με μνήμη σχήματος έχουν εξαιρετικές ιδιότητες, όπως είναι το μικρό μέγεθος, η υψηλή αντοχή και έχουν πολλές τεχνικές εφαρμογές. Ωστόσο, έχουν προφανή μειονεκτήματα, όπως το υψηλό κόστος παραγωγής, περιορισμένη ανακτήσιμη παραμόρφωση και αξιόλογη τοξικότητα. Συμπεριφορά και ιδιότητες NiTinol: Το Nitinol μπορεί να υπάρχει σε δύο διαφορετικές εξαρτώμενές από τη θερμοκρασία κρυσταλλικές φάσεις, που ονομάζονται μαρτενσίτης (χαμηλότερη θερμοκρασία) και ωστενίτης(υψηλότερη θερμοκρασία), των οποίων οι φυσικές ιδιότητες διαφέρουν. Η μοναδική συμπεριφορά μνήμης του κράματος απορρέει από το μετασχηματισμό φάσης από ωστενίτη σε μαρτενσίτη που προκαλείται από τη θερμοκρασία σε ατομική κλίμακα, που μερικές φορές αναφέρεται ως θερμοελαστικός μαρτενσιτικός μετασχηματισμός. Ο μετασχηματισμός που προκαλεί την ανάκαμψη σχήματος είναι αποτέλεσμα της ανάγκης της δομής του κρυσταλλικού πλέγματος για να διατηρήσει ένα ελάχιστο επίπεδο ενέργειας για μια δεδομένη θερμοκρασία. Ενώ το Nitinol είναι μαλακό και εύκολα παραμορφώσιμο στη μαρτενσιτική μορφή του, γυρίζει στο αρχικό σχήμα και ακαμψία του, όταν θερμαίνεται στην υψηλότερη θερμοκρασία του, στη μορφή του ωστενίτη. Η θερμοκρασία στην οποία η μετάβαση από ωστενίτη σε μερτενσίτη συμβαίνει μπορεί να ελεγχθεί με μικρές αλλαγές στη σύνθεση των υλικών και συνήθως κυμαίνεται από κάτω από -100 C έως πάνω από C [2]. Καθώς το κράμα νικελίου-τιτανίου είναι μεγάλης εμπορικής σημασίας, θεωρείται χρήσιμο να αναφέρουμε κάποιες από τις ιδιότητές του. Οι φυσικές ιδιότητες του Nitinol εξαρτώνται από τη σύνθεση του μετάλλου και τον τρόπο επεξεργασίας του. Έτσι, περιλαμβάνουν σημείο τήξης γύρω στο 1240 C C, και πυκνότητα της τάξης των 6,5 g / cm ³. Διάφορες άλλες φυσικές ιδιότητες δοκιμασμένες σε διαφορετικές θερμοκρασίες με διάφορες συνθέσεις στοιχείων περιλαμβάνουν ηλεκτρική αντίσταση, θερμοηλεκτρική ενέργεια, hall coefficient, ταχύτητα του ήχου, απόσβεση, θερμοχωρητικότητα, μαγνητική ευαισθησία (magnetic susceptibility), και θερμική αγωγιμότητα. Δοκιμασμένες μηχανικές ιδιότητες περιλαμβάνουν σκληρότητα, αντοχή σε κρούση, αντοχή σε κόπωση, και κατεργασιμότητα. Eπίσης, η μεγάλη δύναμη που παράγεται παράγεται κατά την επιστροφή στην αρχική μορφή του είναι μια πολύ χρήσιμη ιδιότητα. Άλλες χρήσιμες ιδιότητες των Nitinol είναι τα «άριστα χαρακτηριστικά απόσβεσης σε θερμοκρασίες κάτω από τη θερμοκρασία μετάβασης, η αντίσταση στη διάβρωση, η μη μαγνητική φύση του, η χαμηλή πυκνότητα και υψηλή αντοχή σε κόπωση». Το Nitinol είναι, επίσης, σε κάποιο βαθμό ανθεκτικό στην κρούση και στη θερμότητα. Οι ιδιότητες αυτές μεταφράζονται σε πολλές χρήσεις. Άλλα χαρακτηριστικά που κάνουν 26

27 τα κράματα Ni-Ti να ξεχωρίζουν από τα υπόλοιπα SMA είναι η μεγάλη τους ολκιμότητα, η υψηλή αντίσταση στη διάβρωση, οι σταθερές θερμοκρασίες μετασχηματισμού, το ότι μπορούν να ανακτούν παραμορφώσεις μέχρι και 8% των αρχικών τους διαστάσεων, η υψηλή βιοσυμβατότητά τους και η ικανότητα ηλεκτρικής ενεργοποίησης[9]. Τέλος, το one-way effect είναι ιδιαίτερα χρήσιμο για τα Ni-Ti κράματα, λόγω της ύπαρξης δύο σημείων απόδοσης. Αυτό το κράμα παρουσιάζει ένα χαμηλό σημείο απόδοσης και ένα σημαντικά υψηλό σημείο απόδοσης. Παραμορφώσεις πάνω από το πρώτο σημείο απόδοσης είναι εύκολα ανακτήσιμες με τη θέρμανση, αλλά παραμορφώσεις πάνω από το δεύτερο σημείο απόδοσης δεν ανακτώνται με τη θέρμανση. Το τυπικό ποσό των ανακτήσιμων παραμορφώσεων είναι τόσο υψηλό όσο 3-4% για τα κράματα με βάση το χαλκό και 6-8% για τα Ni-Ti κράματα. Τέλος, η υψηλή τάση ενεργοποίησης (μέχρι 500 MPa) είναι ένα άλλο πλεονέκτημα των SMA με βάση το NiTi. Έτσι, αν η τιμή δεν είναι ένα εξαιρετικά σημαντικό ζήτημα, είναι η πρώτη επιλογή, ιδίως στον τομέα της βιοϊατρικής και των εφαρμογών MEMS (microelectromechanical systems/μικρο-ηλεκτρονικά συστήματα). Εφαρμογές κραμάτων μνήμης σχήματος: Οι εφαρμογές των κραμάτων με μνήμη σχήματος είναι πολλές και επεκτείνονται σε διάφορους τομείς από την βιομηχανία μέχρι την ιατρική. Ενδεικτικά αναφέρουμε τους σημαντικότερους από αυτούς. -Βιομηχανία: Στα αεροσκάφη (η Boeing, η General Electric Aircraft Engines, η Goodrich Corporation, η NASA, και η All Nippon Airways ανέπτυξαν το Variable Geometry Chevron χρησιμοποιώντας μεταλλικό κράμα μνήμης σχήματος που μειώνει το θόρυβο της μηχανής του αεροσκάφους), Στις σωληνώσεις, Στην αυτοκινητοβιομηχανία, Στις τηλεπικοινωνίες (εύκαμπτες και ανθεκτικές κεραίες για κινητά τηλέφωνα), Στη ρομποτική και για την ανάπτυξη του εξοπλισμού δορυφόρων, Στην MST (MicroSystems Technology) όπως: ενεργοποιητές και αισθητήρες, Στην κλωστοϋφαντουργία (η χρήση των υλικών αυτών είναι ακόμα περιορισμένη λόγω του κόστους τους και της μικρής αντοχής τους στη γήρανση και την καταπόνηση κατά τη διάρκεια της ζωής τους). Τα κράματα μνήμης σχήματος τα συναντάμε και σε άλλες εφαρμογές όπως σε θερμικές μηχανές, μηχανές ανύψωσης, στα κλιματιστικά (airconditions), σε ηλεκτρικούς φούρνους και σε ψυκτικά συστήματα αυτοκινήτων. Επίσης τα SMA μπορούν να πάρουν την μορφή ευθειών καλωδίων, ελικοειδών ελατηρίων, ελατηρίων με τη μορφή προβόλων (cantilever springs), ροδέλες μορφής ελατηρίου (wave-washer springs), καλώδια στρέψης / ράβδοι, σωλήνες στρέψης, και ούτω καθεξής.τέλος, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της σεισμικής συμπεριφοράς γεφυρών, δηλαδή τη μείωση του κινδύνου κατάρρευσης τους και τη μείωση της φθοράς που προκαλείται κατά την τριβή των τμημάτων μεταξύ τους. 27

28 Εικ.9 αριστερά: wave-washer spring, δεξιά: cantilever springs -Ιατρική: Στην οπτομετρία (σε σκελετούς γυαλιών που μπορούν να καμφθούν εντελώς εκτός σχήματος και να επανέλθουν μετά από θέρμανση, εκμεταλλευόμενα την ιδιότητα της ψευδοελαστικότητας), Στην ορθοπεδική χειρουργική (σε συσκευές για οστεοτομές). Εξαιτίας του ότι τα SMA παρουσιάζουν παρόμοια μηχανική συμπεριφορά με βιολογικά υλικά, όπως οστά και τένοντες, μπορούν να χρησιμοποιούνται σε ισχιακά εμφυτεύματα, για πλήρωση οστών και για συγκράτηση μοσχευμάτων [Μπουρόπουλος, 2002], [9], Επίσης στον τομέα της ορθοδοντικής, ένα παράδειγμα είναι η χρήση των SMA σε ορθοδοντικά υπερελαστικά σύρματα. Τα κοινά ορθοδοντικά σύρματα χρειάζονται σφίξιμο καθώς τα δόντια μετατοπίζονται, ενώ στα υπερελαστικά σύρματα κάτι τέτοιο δεν είναι απαραίτητο, αφού κινούνται και αυτά μαζί με τα δόντια. Αυτό συμβαίνει καθώς τα υπερελαστικά σύρματα έχουν την ικανότητα να παραμορφώνονται υπό σταθερή πίεση. Έτσι μειώνεται ο πόνος του ασθενούς και οι επισκέψεις στον οδοντίατρο [Tsoi, 2002], [9]. Εικ.10 χρήση SMA σε ορθοδοντικά υπερελαστικά σύρματα και σκελετούς γυαλιών Επιπρόσθετα, αξίζει να αναφέρουμε ότι τα SMA τα συναντάμε και σε αντικείμενα καθημερινής χρήσης, για παράδειγμα στο ρουχισμό, όπως στηθόδεσμοι, νυφικά και παπούτσια που χρησιμοποιούν το φαινόμενο της υπερελαστικότητας για να διατηρούν το σχήμα τους και παράλληλα να είναι άνετα. Ακόμα, έχουν φτιαχτεί διαμαντένια περιδέραια, σε σχήμα λουλουδιών, που «ανθίζουν» με τη θερμοκρασία του σώματος, καθώς και βραχιόλια που εφαρμόζουν τέλεια στον καρπό και αφαιρούνται μόνο εάν βραχούν με κρύο νερό. Τέλος, εξαιτίας των εξαιρετικών ιδιοτήτων απόσβεσης των κραμάτων μνήμης σχήματος, χρησιμοποιούνται σε ρακέτες αντισφαίρισης και σε χιονοπέδιλα με ενσωματωμένες λωρίδες SMA, που όταν έρχονται σε επαφή με το χιόνι 28

29 βελτιώνουν την ικανότητα απόσβεσής τους. Επίσης, έχουν γίνει και δίχτυα από SMA που μοιάζουν με νάιλον όμως έχουν μεγαλύτερη αντοχή και ελαστικότητα [9]. Εικ.11 «έξυπνα» υφάσματα (χρήση SMA στην κλωστοϋφαντουργία) Εφαρμογές NiTinol: - Εφαρμογές έχουμε στη Μηχανολογία/Ηλεκτρολογία όπως χρήσεις εξαρτημάτων SMA σε θερμικά ενεργοποιούμενους διακόπτες κυκλωμάτων, σε κυκλώματα θερμοστατών, στις ενώσεις σωλήνων (με τη μορφή δακτυλίων), ή στις ενώσεις ελασμάτων (με τη μορφή σφήνας). - Σύρματα, λεπτές ταινίες ή στρεπτικές ράβδοι NiTi, χρησιμοποιούνται στη Ρομποτική, υποκαθιστώντας τους μύες σε ρομποτικούς βραχίονες. Μια επίσης πολύ ενδιαφέρουσα εφαρμογή σε αυτό τον τομέα είναι σε συσκευές απομακρυσμένης εξουδετέρωσης ναρκών ή εκρηκτικών μηχανισμών. Επιπρόσθετα, το κράμα Νικελίου-Τιτανίου βρίσκει εφαρμογή και στον τομέα της Αεροναυπηγικής και της Τεχνολογίας Οχημάτων. Η χρήση του είναι διαδεδομένη σαν ενεργοποιητής διακόπτης σε υποσυστήματα οχημάτων, σε αυτο-επισκευαζόμενα πολυμερικά τμήματα αυτοκινήτων (π.χ. προφυλακτήρες), σε θερμοστάτες κυκλωμάτων ψύξης κ.α. Επίσης, χρησιμοποιείται σε πόρτες αεροσκαφών για αεροστεγές σφράγισμα της καμπίνας των επιβατών, σε τμήματα κινητήρων jet για μείωση του θορύβου καθώς και σε δορυφορικά υποσυστήματα (κεραίες, φωτοβολταϊκά πάνελ). Η πρώτη καταγεγραμμένη εφαρμογή των SMA ήταν το 1969, όταν ο Raychem παρήγαγε επιτυχώς Nitinol υδραυλικές συζεύξεις σωλήνων ( shrink-to-fit pipe couplings) που ονομάζονται Cryofit ( για την Grumman Corporation), τις οποίες έχει χρησιμοποιήσει και ο στρατός στα υδραυλικά συστήματα των F -14 μαχητικών αεροσκαφών[2]. Τα πλεονεκτήματα της χρήσης συζεύξεων από στοιχεία SMA εκτός της μεγάλης αξιοπιστίας τους, είναι ότι δεν προκαλείται θερμική ζημιά του περιβάλλοντος υλικού, εξαιτίας του ότι δε χρειάζονται υψηλές θερμοκρασίες για τοπική συγκόλληση και ότι οι συζεύξεις μπορούν να αφαιρεθούν απλά με ψύξη[9]. Οι σύνδεσμοι μνήμης σχήματος χρησιμοποιούνται τώρα επίσης και σε υποθαλάσσιους αγωγούς αλλά και από τη βιομηχανία πετροχημικών. - Από τις αρχές της δεκαετίας του 1970 ξεκινάει και η χρήση του στην Ιατρική ( Τα κράματα Ni-Ti έχουν εξαιρετική βιοσυμβατότητα και κατά την τελευταία δεκαετία βρίσκουν εφαρμογές ως βιοϋλικά ) και πιο συγκεκριμένα, στους κλάδους: της καρδιοαγγειακής χειρουργικής. Παράδειγμα αποτελούν οι μεταλλικές ενδοπροθέσεις/ενδαυλικοί νάρθηκες και Stent, που χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις αρτηριοσκλήρωσης και σε μερικές περιπτώσεις ακολουθούν την αγγειοπλαστική με μπαλόνι. Ο ρόλος τους είναι να συγκρατούν εκ των έσω τα 29