Przemysł z pamięcią kształtu

Z artykułu dowiesz się:

• czym są materiały inteligentne,
• jakie są możliwe zastosowania stopów z pamięcią kształtu,
• w jaki sposób materiały inteligentne można stosować w przemyśle lotniczym.

Stopy z pamięcią kształtu, zwane także materiałami inteligentnymi, zostały odkryte niecałe sto lat temu. Ich nietypowe zachowanie polega na powracaniu do ustalonego kształtu pod wpływem ciepła. Oczywiście przy pewnych ograniczeniach wielkości odkształceń i zakresu temperatur.

Stopy z pamięcią kształtu wykazują zdolność do przyjmowania zaprogramowanych postaci w oparciu o przemiany fazowe martenzyt-austenit. Najsilniejszy efekt pamięci kształtu wykazuje stop na bazie niklu i tytanu o handlowej nazwie nitinol. Istota i mechanizm działania wydają się być dobrze poznane, jednak wykorzystanie w konkretnym celu, w lotnictwie, motoryzacji, medycynie czy robotyce stwarza liczne możliwości ich aplikacji. Wymaga jednak również prowadzenia dalszych badań. W obrocie handlowym dostępne są stopy nitinolu w postaci prętów, drutów a także blach.

Dużą popularnością cieszą się też stenty nitinolowe wykorzystywane w kardiochirurgii. Przemiany fazowe, a tym samym efekt pamięci kształtu, uzależnione są od temperatury oraz właściwości materiału. Występują one w ściśle określonym przedziale. Na poprawność działania takiego stopu wpływają m.in. procesy technologiczne, rodzaj obróbki wykończeniowej czy też trening materiału oraz wielkość obciążeń, jakim jest on poddawany. Oczekiwanym działaniem jest uzyskiwanie powtarzalności przy wielokrotnie występujących cyklach pracy jak również maksymalnie dużej gęstości energii przy jak najmniejszej masie. Na podstawie autorskich badań dostępnych stopów nitinolu w postaci drutu o średnicy 1 mm ustalono różnice w wielkości generowanych sił sięgające nawet 1000%.

Zastosowanie materiałów z pamięcią kształtu

W światowym przemyśle prowadzone są liczne prace badawcze związane z zastosowaniem materiałów inteligentnych. Korzystając z bazy publikacji sciencedirect.com, wykonano analizę ilościową artykułów badawczych wyszukiwanych po słowie kluczowym „nitinol”. Do czerwca 2023 roku w bazie znalazło się łącznie 17 670 publikacji, przy czym oryginalne artykuły badawcze stanowią mniej niż połowę. Szczegółowy rozkład przedstawiono na wykresie (rys. 1).

Dominującą dziedziną wśród wszystkich prac jest medycyna (medicine and dentistry), której dotyczy blisko 85% publikacji, drugie miejsce zajmuje materiałoznawstwo (materials science), zaś trzecie należy do inżynierii (engineering).

Eksperymentalne badania opisujące działanie nitinolu przedstawiono już w rozprawie doktorskiej z 1990 roku [1]. Kompleksowy przegląd ponad 500 badań dotyczących aplikacji tego nietypowego stopu przedstawiono w pracy [2], która stanowi kompendium wiedzy dla zainteresowanych stopami z pamięcią kształtu. Istotną właściwością stopów z pamięcią kształtu jest wysoka gęstość energii. Przy czym należy pamiętać, że sprawność pracy takiego siłownika jest ograniczona.

W niniejszej publikacji przedstawiono koncepcję wykorzystania nitinolu w roli siłownika skrętnego w elemencie kompozytowym. Taką dość nietypową belką jest łopata wirnika nośnego bezzałogowego śmigłowca i to właśnie tam zaproponowano zastosowanie materiałów z pamięcią kształtu.

Galeria

Zobacz więcej