סגסוגות זיכרון

סגסוגות זוכרות או סגסוגות זוכרות צורה או ניטינול או סגסוגות חכמות הן מתכות ה"זוכרות" את הגאומטריה שלהן. לאחר שעצם העשוי מסגסוגת זוכרת עבר שינוי צורה מסידורו ה"מקורי", הוא יחזור לגאומטריה המקורית שלו בכוחות עצמו במהלך חימום (אפקט חד כיווני) או, בטמפרטורת סביבה גבוהה יותר פשוט במהלך הורדת עומס המתח שנוצר בעיוות (פסוודו-אלסטיות או סופר אלסטיות). תכונות יוצאות דופן אלו נגזרות מתלות בטמפרטורה של השתנות פאזת המרטנזיט מסימטריות נמוכה לסימטריות גבוהה יותר במבנה הגבישי. מבנים גבישיים אלו ידועים כמרטנזיט ואוסטניט.

סקירה כללית

שלושת הסוגים העיקריים של סגסוגות זיכרון הם נחושת-אבץ-חמרן, נחושת-חמרן-ניקל וניקל-טיטניום (NiTi מכאן השם ניטינול כשם גנרי לסגסוגות זוכרות). סגסוגות NiTi הן בדרך כלל יקרות יותר ובעלות תכונות מכניות טובות יותר בהשוואה לסגסוגות זיכרון על בסיס נחושת. הטמפרטורה שבה סגסוגת הזיכרון הספציפית משנה את מבנַה הגבישי היא אופיינית לסגסוגת וניתנת לשינוי על ידי שינוי יחסי המרכיבים (האטומים המתכתיים) בסגסוגת.

מסמנים M_s כטמפרטורה שבה המבנה מתחיל להשתנות מאוסטניט למרטנזיט בעת קירור; M_f היא הטמפרטורה בה המעבר בין המבנים מסתיים. בהתאמה, A_s וA_f הן הטמפרטורות שבהן מתחיל ומסתיים המעבר ההפוך ממרטנזיט לאוסטניט. חשוב לציין כי שימוש חוזר באפקט הסגסוגת זיכרון עלול להוביל לשינוי בטמפרטורות האופיינית לטרנספורמציה (אפקט זה ידוע כ"תשישות שימוש" - functional fatigue).

בגרף זה ציר הY מסמל את שבר המרטנזיט.

אפקט חד כיווני לעומת אפקט דו כיווני

לסגסוגות זיכרון ישנו מגוון רחב של תופעות זיכרון צורה. השתיים הנפוצות הן אפקט חד כיווני ודו כיווני. תיאור סכמטי של שני האפקטים נתון באיור להלן.

באיור שמעל, השלבים מאד דומים: מתחילים במרטנזיט (a), ועל ידי הפעלת כח פיזיקלי חיצוני גורמים לעיוות עבור החד כיווני ועיוות קיצוני עבור הדו כיווני (b), מחממים את הסגסוגת (c), ואז מקררים אותה שוב (d). בחד כיווני הקירור לא גורם לשינוי צורה מקרוסקופית. העיוות הוא הכרחי עבור היווצרות צורת הטמפ' הנמוכה. בעת חימום השינוי מתחיל בA_s ומסתיים בA_f(הפרש טיפוסי בין הטמפרטורות הוא 2-20 מעלות צלזיוס, תלוי בהרכב הסגסוגת ותנאי העמסת העיוות). A_s מוגדר על ידי הסגסוגת והרכבה ונע בין (150-) ל 200 מעלות צלזיוס.

האפקט הדו כיווני הוא אפקט שבו החומר "זוכר" שתי צורות שונות: אחת בטמפ' נמוכה והשנייה בטמפ' גבוהה. זה יכול להישמר גם ללא הפעלת כח חיצוני(אפקט דו כיווני עצמי). הסיבה שהחומר מתנהג בצורה כה שונה במצבים אלו טמונה באימון. אימון גורם לכך שסגסוגת זיכרון יכולה "ללמוד" להתנהג בדרך מסוימת. בנסיבות נורמליות, סגסוגת זיכרון "זוכרת את צורתה בטמפ' הגבוהה, אבל במהלך החימום והמעבר אליה, שוכחת את צורתה בטמפ' הנמוכה. עם זאת ניתן "לאמן" את הסגסוגת "לזכור" להשאיר סימנים של צורתה בתנאי הטמפ' הנמוכה בפאזת הטמפ' הגבוהה. ישנם מספר דרכים לעשות זאת.

מבנה גבישי

על פי החוקרים הסיבה שסגסוגות זיכרון הן בעלות תכונות אלו היא שבעת שינוי הטמפרטורה ישנו שינוי במבנה הגבישי של הסגסוגת בין שתי פאזות מרטנזיט ואוסטניט. השינוי במבנה הגבישי כולל ארגון מחדש של מיקומי החלקיקים במבנה הגביש של המוצק. בסגסוגות זיכרון מעברי פאזה אלו מתרחשים מתחת לנקודת ההמסה והסגסוגת "מעדיפה" צורה מקרוסקופית שונה עבור מבנה גבישי מיקרוסקופי שונה.

תכונות

מאוד חזק ומכיל מתכות שונות ורבות.

שימושים

• קפיצים לשסתומים במנגנוני כיבוי אש.
• אנטנות ללוויינים הנפתחות מעצמן בחלל.
• תומכנים לעורקי דם.
• רצועות המתכת של גשר אורטודנטי.

הרכב

חומרים בעלי אפקט זיכרון צורה בטמפרטורות שונות ובאחוזים שונים של הרכב תמיסתם המוצקה.

• Ag-Cd 44/49 ב % Cd.
• Au-Cd 46.5/50 ב % Cd
• Cu-Al-Ni 14/14.5 משקלי % Al ו 3/4.5 משקלי % Ni
• Cu-Sn בערך 15 ב % Sn
• Cu-Zn 38.5/41.5 משקלי ב% Zn
• מעט (Cu-Zn-X (X = Si,Sn,Al משקלי % של XXX
• In-Ti 18/23 ב % Ti
• Ni-Al 36/38 ב% Al
• Ni-Ti 49/51 ב % Ni
• Fe-Pt בערך 25 ב % Pt
• Mn-Cu 5/35 ב % Cu
• ברזל-מנגן-צורן
• סגסוגות פלטינה
• קובלט-ניקל-אלומיניום
• קובלט-ניקל-גליום
• ניקל-ברזל-גליום

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא סגסוגות זיכרון בוויקישיתוף

• סמארט מטיריאלס - כל המידע על ניטינול, סגסוגת זיכרון וחומרים חכמים
• הסבר על ניטינול באתר של חברת אוקסיד טכנולוגיה מתקדמת
• הרצאה על ניטינול וחומרים חכמים באונ׳ תל אביב