آلیاژهای با حافظه شکلی (Shape Memory Alloys - SMAs) دسته‌ای از مواد فلزی هستند که می‌توانند پس از تغییر شکل دادن، با اعمال یک محرک خارجی (معمولاً گرما) به شکل اصلی خود بازگردند. این ویژگی خارق‌العاده، SMAs را به گزینه‌هایی ایده‌آل برای ساخت سازه‌های هوشمند (Smart Structures) تبدیل کرده است که قادر به حس کردن، عمل کردن و سازگاری با محیط خود هستند.
۱. اصول و مکانیزم حافظه شکلی
ویژگی منحصربه‌فرد SMAs بر پایه یک تبدیل فاز حالت جامد به نام تبدیل مارتنزیتی (Martensitic Transformation) است که تغییر شکل قابل توجهی را به همراه دارد:
- فاز آستنیت (Austenite): فاز مادر با دمای بالا که دارای ساختار بلوری مکعبی متمرکز بر بدنه (BCC) یا مکعبی متمرکز بر وجه (FCC) است. این فاز دارای استحکام و تقارن بالا است.
- فاز مارتنزیت (Martensite): فاز با دمای پایین که دارای ساختار بلوری دوقلویی (Twinning) یا ساختار مونوکلینیک است. این ساختار به راحتی تحت تنش، بدون ایجاد تنش پلاستیک دائم، تغییر شکل می‌دهد.
الف) اثر حافظه شکلی تک‌جهته (One-Way SME)
- سرد شدن: آلیاژ در حالت آستنیت گرم می‌شود و سپس با سرد شدن به شکل مارتنزیت تبدیل می‌شود.
- تغییر شکل: قطعه در فاز مارتنزیت (سرد) تغییر شکل داده (کرنش داده) می‌شود.
- بازیابی: با اعمال گرما (بالاتر از دمای تبدیل A_f)، آلیاژ دوباره به فاز آستنیت تبدیل شده و به شکل اولیه و اصلی خود بازمی‌گردد.
ب) خاصیت فوق‌الاستیسیته (Superelasticity - SE)
این خاصیت در دمایی بالاتر از دمای تبدیل آستنیت (A_f) رخ می‌دهد. آلیاژ تحت تنش مکانیکی تغییر شکل می‌دهد (بدون نیاز به گرما)، اما با حذف تنش، بلافاصله به شکل اولیه بازمی‌گردد. این خاصیت به دلیل تبدیل تنش‌القایی مارتنزیتی است.
۲. رایج‌ترین آلیاژهای با حافظه شکلی
نام آلیاژ | ترکیبات اصلی | ویژگی‌های کلیدی |
نایتینول (NiTi) | نیکل و تیتانیوم | پرکاربردترین SMA؛ خواص فوق‌الاستیسیته عالی، مقاومت به خوردگی بالا، زیست‌سازگار. |
آلیاژهای مس-پایه | Cu-Zn-Al، Cu-Al-Ni | ارزان‌تر از نایتینول، اما خواص مکانیکی و مقاومت به خستگی ضعیف‌تر. |
آلیاژهای آهن-پایه | Fe-Mn-Si | استحکام بالا، هزینه تولید پایین، اما محدودیت در استفاده به عنوان محرک. |
۳. کاربردهای SMAs در سازه‌های هوشمند
SMAs در سازه‌های هوشمند اغلب به عنوان حسگرها و محرک‌ها (Sensors and Actuators) به کار می‌روند، زیرا می‌توانند بدون قطعات متحرک پیچیده، نیرو و حرکت قابل توجهی ایجاد کنند.
الف) صنعت هوافضا و هوایی
- بال‌های هوشمند (Smart Wings): استفاده از SMAها برای تغییر شکل آیرودینامیکی لبه‌های بال هواپیما در حین پرواز (بدون نیاز به سیستم‌های هیدرولیک سنگین) برای افزایش بازده سوخت یا مانورپذیری.
- مکانیزم‌های استقرار (Deployment Mechanisms): در ماهواره‌ها و فضاپیماها برای باز کردن آنتن‌ها یا صفحات خورشیدی. SMAها می‌توانند جایگزین فنرها و قفل‌های سنتی شوند، وزن را کاهش داده و قابلیت اطمینان را افزایش دهند.
ب) مهندسی عمران و کاهش لرزش
- میراگرهای ارتعاش (Vibration Dampers): استفاده از SMAs با خاصیت فوق‌الاستیسیته در اتصالات سازه‌ای یا به عنوان دمپرهای لرزه‌ای در پل‌ها و ساختمان‌ها. این خاصیت، انرژی زلزله یا باد را جذب کرده و میرا می‌کند و سازه را به شکل اولیه خود بازمی‌گرداند.
- اتصال‌دهنده‌های خود-مرکزکننده (Self-Centering Connections): استفاده از SMAها در تیرها و ستون‌ها برای بازگرداندن سازه به حالت عمودی پس از یک رویداد لرزه‌ای شدید.
ج) مهندسی پزشکی و زیست‌سازگاری
- استنت‌های عروقی (Stents): پرکاربردترین استفاده از نایتینول. استنت در دمای اتاق (فاز مارتنزیت) فشرده می‌شود، از طریق کاتتر وارد بدن شده و با رسیدن به دمای بدن (37^circ C) به شکل اصلی خود (آستنیت) منبسط شده و رگ مسدود شده را باز می‌کند.
- سیم‌های ارتودنسی: سیم‌های فوق‌الاستیک نایتینول نیروی ثابت و ملایمی را بر دندان‌ها وارد می‌کنند.
د) سایر کاربردهای صنعتی
- شیرهای فعال شونده با حرارت (Thermal Actuators): استفاده از SMAs برای ساخت شیرهای کنترل جریان (مانند شیرهای کنترل دما در سیستم‌های تهویه مطبوع) که با تغییر دما، بدون نیاز به موتورهای الکتریکی یا سیستم‌های پیچیده، باز و بسته می‌شوند.
- کوپلینگ‌های لوله (Pipe Couplings): برای اتصال دائمی و ضد نشت لوله‌ها در دمای بالا، به ویژه در صنایع نفت و گاز.
۴. چالش‌ها و محدودیت‌ها
- تخریب خستگی (Fatigue): پایداری چرخه‌ای SMAs، به‌ویژه در کاربردهایی که نیاز به تعداد زیادی سیکل بازیابی دارند، محدود است. این مواد پس از تعداد زیادی چرخه مکانیکی و حرارتی دچار خستگی و کاهش نیروی بازیابی می‌شوند.
- کندی سرعت پاسخ: بازیابی شکل به انتقال حرارت وابسته است که در قطعات با حجم بالا می‌تواند نسبتاً کُند باشد و سرعت پاسخ محرک را محدود کند.
- هزینه بالا: تولید آلیاژهای با کیفیت بالا مانند نایتینول همچنان نسبتاً گران است.
