سبائك ذاكرة الشكل: هل تعرفها حقًا؟

يعد تطوير الطاقة مجال تطبيق مهم لسبائك ذاكرة الشكل. وبالاستفادة من خاصية سبائك ذاكرة الشكل لتغيير شكلها أثناء التسخين والتبريد، يمكن تحويل الطاقة الحرارية منخفضة الدرجة، مثل الحرارة المهدرة والطاقة الحرارية الأرضية والطاقة الشمسية مباشرة إلى طاقة ميكانيكية للاستخدام.

واستنادًا إلى هذا المبدأ، تم تطوير مجموعة متنوعة من المحركات الحرارية بنجاح، مما أدى إلى تسريع عملية تصغير المحركات الحرارية وقابليتها للنقل.

في السنوات الأخيرة، عكف الباحثون في جميع أنحاء العالم على تطوير مواد ذات وظيفة الذاكرة، وفي المقام الأول ذاكرة الشكل وذاكرة درجة الحرارة وذاكرة اللون. من بينها، يعد تطوير مواد سبائك ذاكرة الشكل هو الأسرع.

ونظرًا للأداء المتفوق وآفاق التطبيق الواسعة لمواد سبائك الذاكرة ذات الشكل في مجالات مثل السيارات والروبوتات وتطوير الطاقة والمعدات الطبية والأجهزة المنزلية، فقد أصبحت واحدة من مواد جديدة التي سيتم تطويرها في القرن الحادي والعشرين.

كانت سبائك ذاكرة الشكل أول مواد ذات وظيفة ذاكرة تم اكتشافها. ففي أوائل الخمسينيات من القرن العشرين، اكتشف الخبراء في جامعة إلينوي في الولايات المتحدة بالصدفة خلال تجربة أن سبائك الذهب والكادميوم لها وظيفة ذاكرة الشكل.

وفي وقت لاحق، وُجد أن سبائك الإنديوم-الثاليوم لها أيضًا تأثير ذاكرة مماثل، ولكن نظرًا لارتفاع تكلفتها، لم تجذب الانتباه. لم يكن حتى عام 1963 عندما اكتشف معهد بحوث الأسلحة البحرية الأمريكية بالصدفة خلال أبحاثهم على سبائك النيكل والتيتانيوم أن هذه السبائك لها تأثير ذاكرة الشكل بشكل كبير.

كما أنها تتمتع بالعديد من المزايا الفريدة التي لا تمتلكها المعادن الأخرى، مثل المرونة الفائقة الممتازة ومقاومة التآكل ومقاومة الاهتزازات. وقد جذب هذا الاكتشاف انتباه الباحثين وبدأت الأبحاث بشأنه.

في السنوات الأخيرة، ظهرت سبائك ذاكرة الشكل مع التطور السريع للعلوم والتكنولوجيا، وتم تطوير عشرات السبائك ذات وظائف ذاكرة الشكل.

وحاليًا، تشمل أبرز سبائك ذاكرة الشكل المستخدمة عمليًا سبائك النيكل والتيتانيوم والنحاس والحديد (أو الفولاذ المقاوم للصدأ).

I. تطوير سبائك ذاكرة الشكل

1. سبائك ذاكرة الشكل من النيكل والتيتانيوم والنيكل

تُعد سبائك النيكل والتيتانيوم من بين المواد الأكثر تفوقًا والأكثر استخدامًا في سبائك ذاكرة الشكل. وتتميز بالليونة الجيدة، وقوة ذاكرة الشكل، والإجهاد، ومقاومة التآكل، والمقاومة الكهربائية، والثبات، ولكنها أيضًا عالية التكلفة.

تتميز هذه السبائك بسلوكيات ذاكرة الشكل أحادية الاتجاه وثنائية الاتجاه على حد سواء، ويمكن توسيع نطاق درجة الحرارة التي تظهر فيها هذه السلوكيات أو تقليلها من خلال تحسينات السبيكة.

في السنوات الأخيرة، تعمل العديد من الدول على تطوير سلسلة من سبائك النيكل والتيتانيوم المحسّنة بإضافة عناصر أخرى لتعزيز خصائصها وتقليل تكاليفها. على سبيل المثال، يمكن أن تؤدي إضافة النحاس أو الفاناديوم والألومنيوم والكروم والزركونيوم وكميات ضئيلة من الكالسيوم إلى تحسين صلابتها وقابليتها للتشغيل الآلي وقابليتها للقطع بشكل كبير.

وعلاوة على ذلك، يمكن أن تؤدي إضافة العناصر الأرضية النادرة والبورون والسيليكون والفوسفور والكبريت وغيرها إلى سبائك النيكل والتيتانيوم والنحاس إلى سبائك النيكل والتيتانيوم والنحاس إلى سبائك ذاكرة الشكل مع خصائص استرداد محسنة بشكل كبير.

تُنتج شركة سوميتومو للصناعات الكهربائية في اليابان أسلاكًا من سبائك النيكل والتيتانيوم ذات الشكل الجمالي المبهج عن طريق إضافة النحاس (أو الألومنيوم والزركونيوم والفاناديوم والكوبالت والحديد) إلى سبائك النيكل والتيتانيوم وسحب السلك بعد معالجة السطحتلبية متطلبات الديكور.

طورت شركة كانتوكو في اليابان سلكًا من سبائك النيكل والتيتانيوم بقطر نصف قطر خصلة الشعر، والذي يتميز بقدرة جيدة على التركيب والنسج والمرونة والحساسية الحرارية. هذه الخصائص تجعله قابلاً للتطبيق على نطاق واسع في مجالات مثل صمامات السيارات، وسخانات المياه، ومنظمات المياه، والمنظم الحراري الكهربائي المصغر، وحمالات الصدر.

2. سبائك ذاكرة الشكل القائمة على النحاس

سبائك ذاكرة الشكل القائمة على النحاس أرخص وأسهل في التشكيل من سبائك ذاكرة النيكل والتيتانيوم، وبالتالي فهي تتمتع بإمكانيات تطويرية كبيرة.

ومع ذلك، فإن قوة سبائك ذاكرة الشكل القائمة على النحاس أدنى من قوة سبائك ذاكرة النيكل والتيتانيوم، وتتضاءل قدرة ذاكرتها بسرعة مع التسخين المتكرر.

لتحسين الخواص الميكانيكية لسبائك الذاكرة القائمة على النحاس، يتم استخدام كميات صغيرة من تيتانيوموالمنجنيز والزركونيوم يمكن إضافتها. أفضل سبائك ذاكرة الشكل النحاسية أداءً وأكثرها استخدامًا هي سبائك النحاس والزنك والألومنيوم.

تتميز هذه السبيكة بموصلية حرارية عالية وحساسة للتغيرات في درجات الحرارة، مما يجعلها مناسبة لصنع مكونات حساسة للحرارة. وتستخدم دول مثل الولايات المتحدة واليابان سبائك النحاس والزنك والألومنيوم في فتحات النوافذ الأوتوماتيكية للصوبات الزراعية والمشاتل لتنظيم درجة حرارة الغرفة.

ومع ذلك، فإن مقاومة سبائك النحاس والزنك والألومنيوم أقل من مقاومة سبائك النيكل والتيتانيوم، مما يجعلها غير مناسبة لحالات التسخين الكهربائي. يمكن أن تؤدي إضافة الحديد أو السيليكون إلى تحسين مقاومتها للتآكل.

نجحت إحدى الشركات في طوكيو باليابان في تطوير سبيكة من النحاس والنيكل والألومنيوم ذات تأثيرات ذاكرة لونية. وتتغير هذه السبيكة من اللون الأحمر إلى الذهبي في درجات حرارة متفاوتة ويمكن استخدامها على نطاق واسع في إنتاج المشغولات الفنية والزينة والألعاب والأجهزة المنزلية.

3. سبائك ذاكرة الشكل المستندة إلى الحديد

سبائك ذاكرة الشكل القائمة على الحديد منخفضة التكلفة ومتوفرة، مما يجعلها أكثر قدرة على المنافسة. وتشمل سبائك ذاكرة الشكل القائمة على الحديد المطورة سبائك الحديد والمنغنيز، وسبائك الحديد والبلاتين، وسبائك ذاكرة الشكل المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ.

بإضافة السيليكون إلى سبائك المنجنيز، يمكن الحصول على سبائك الحديد والمنجنيز والسيليكون ذات تأثيرات ذاكرة جيدة الشكل. وتتميز هذه السبائك بقوة عالية ولكن مقاومتها للتآكل ضعيفة.

ويمكن أن تؤدي إضافة الكروم إلى تحسين مقاومتها للتآكل بشكل كبير. وتستخدم سبائك ذاكرة الشكل القائمة على الحديد الآن على نطاق واسع في تصنيع وصلات الأنابيب والمسامير والموصلات الأخرى، وكذلك التركيبات. فهي ليست سهلة التركيب والتشغيل فحسب، بل آمنة وموثوقة أيضًا، مما يجعلها مواد وظيفية واعدة.

لا تتمتع سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ المطورة حديثًا في اليابان بخصائص ممتازة لاستعادة الشكل ومقاومة التآكل فحسب، بل تُظهر أيضًا قابلية تشغيل آلية جيدة ومقاومة للأكسدة في درجات الحرارة العالية.

بالإضافة إلى المكونات الرئيسية من الكروم والمنجنيز والسيليكون والحديد، تحتوي هذه السبائك على كمية معينة من النيكل أو الكوبالت والنحاس والنيتروجين.

يمكن صهر هذه السبائك المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ ذات ذاكرة الشكل الفولاذي في أفران صناعة الصلب التقليدية وتصنيعها في منتجات نهائية باستخدام الطرق الشائعة، مما يجعلها متعددة الاستخدامات للغاية.

ثانيًا. تطبيقات سبائك ذاكرة الشكل

تُستخدم سبائك ذاكرة الشكل، نظرًا لخصائصها الفائقة، على نطاق واسع في أجهزة التحكم الآلي والروبوتات وصناعة السيارات وتطوير الطاقة والرعاية الصحية والسلع الاستهلاكية اليومية.

1. الاستخدام في مجال السيارات والروبوتات وتطوير الطاقة للتحكم الآلي

تعمل السبائك ذات ذاكرة الشكل كمستشعرات لدرجة الحرارة وعناصر مشغلة، مما يجعلها حساسة للغاية للتحكم الآلي. أحد الاستخدامات الأكثر شيوعًا لهذه السبائك في المكابح.

يُستخدم حاليًا أكثر من مائة نوع مختلف من مكابح ذاكرة الشكل في صناعة السيارات، وذلك في المقام الأول للتحكم في المحركات وناقل الحركة ونظام التعليق لتعزيز السلامة والموثوقية والراحة.

تُستخدم سبائك ذاكرة الشكل أيضًا في أجهزة منع الضوضاء في أنظمة نقل الحركة اليدوية وفي أجهزة التحكم في غاز وقود المحرك. ويمكن استخدام تأثير الذاكرة والمرونة الفائقة لهذه السبائك في أجهزة استشعار الإزاحة ومكابح الروبوتات الصناعية.

حقق تطبيق مكابح سبائك ذاكرة الشكل في الروبوتات نتائج مشجعة. باستخدام نوابض سبائك ذاكرة الشكل وأسلاك السبائك الخاصة بها، يمكن تجميع الروبوتات الصغيرة. ومن خلال التحكم في انكماش السبيكة، يمكن لأصابع الروبوت أن تنفتح وتنغلق وتنثني.

يتم التحكم في موضع الروبوت وحركته وسرعته عن طريق إدخال تيار متغير التردد النبضي مباشرة إلى عنصر السبيكة. يتم التحكم في قوة استعادة الشكل من خلال حجم التيار، مما يجعل الحركات تحاكي حركات العضلات البيولوجية.

بالإضافة إلى ذلك، يعد تطوير الطاقة مجال تطبيق مهم آخر لسبائك ذاكرة الشكل. فباستخدام الخصائص المتغيرة الشكل لسبائك ذاكرة الشكل أثناء التسخين والتبريد، يمكن تحويل الطاقة الحرارية منخفضة الدرجة مثل الحرارة المهدرة والطاقة الحرارية الأرضية والطاقة الشمسية مباشرة إلى طاقة ميكانيكية للاستخدام.

واستنادًا إلى هذا المبدأ، تم تطوير مجموعة متنوعة من المحركات الحرارية بنجاح، مما أدى إلى تسريع عملية تصغير المحركات الحرارية وتخفيفها.

2. الاستخدام في الأجهزة الطبية الخاصة بأمراض الأسنان والأوعية الدموية

وقد أدت المرونة الفائقة والتوافق الحيوي وعدم سمية سبائك ذاكرة الشكل إلى نجاح تطبيقها في المجال الطبي.

في طب الأسنان، يمكن استخدام سبائك ذاكرة الشكل لصنع جذور الأسنان الاصطناعية ومصففات الأسنان وتيجان الأسنان. يتم تثبيت السن الاصطناعية على علكة من سبائك النيكل والتيتانيوم، وتحتها صفائح جذر من سبيكة مزدوجة الطبقة.

من خلال الجراحة، يتم تثبيت صفائح الجذور هذه معاً في درجات حرارة منخفضة ويتم زرعها في العظم السنخي. وتحت تأثير درجة حرارة الجسم، تنعكس صفائح الجذور وتعود إلى شكلها الأصلي على شكل ثمانية وتثبت بقوة في العظم السنخي.

جذور الأسنان الاصطناعية هذه مقاومة للتآكل ومتوافقة حيوياً وتستخدم على نطاق واسع في طب الأسنان.

بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم أيضًا سبائك الذاكرة فائقة المرونة كأسلاك محاذاة الأسنان، والتي تتفوق على تلك المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ. يمكن أن تحافظ المرونة الفائقة لمشبك سبائك الذاكرة على مرونتها لفترة طويلة، مما يلغي الحاجة إلى الاستبدال بسبب الاسترخاء المرن.

يمكن لهذه المرونة طويلة الأمد تقصير فترة العلاج. تُستخدم سبائك ذاكرة الشكل أيضاً في صناعة تيجان الأسنان، والتي يمكن أن تتكيف تلقائياً مع نمو أسنان الأطفال، مما يقلل من الانزعاج والألم الناتج عن ارتداء تيجان الأسنان.

تتمتع الأجهزة الطبية الخاصة بأمراض الأوعية الدموية المصنوعة من سبائك النيكل والتيتانيوم ذات ذاكرة الشكل بالعديد من المزايا.

على سبيل المثال، يمكن معالجة سكين إزالة الانسداد الوعائي المصنوع من سبيكة ذاكرة الشكل عند درجة حرارة منخفضة لتشكيل شكل أسطواني.

عند إدخالها في الأوعية الدموية للمريض وتسخينها إلى درجة حرارة الجسم، تتسطح شفرة السكين تلقائيًا بسبب تأثير ذاكرة الشكل، ومن خلال تدويرها يمكن إزالة الصمات أو الترسبات الوعائية.

كما أجرى الخبراء الطبيون بنجاح عمليات جراحية لإزالة تمدد الأوعية الدموية في الدماغ باستخدام مشبك مصنوع من مزيج من أسلاك من سبائك ذاكرة الشكل وأسلاك الفضة.

3. الاستخدام في الأجهزة المنزلية

تُستخدم سبائك ذاكرة الشكل أيضًا على نطاق واسع في الأجهزة المنزلية مثل سخانات الطعام ومكيفات الهواء وأجهزة طهي الأرز.

تستخدم شركة Sharp في اليابان مكونات سبائك ذاكرة الشكل للتحكم في التحويل بين التسخين بالموجات الدقيقة والتسخين الحراري في سخانات الطعام، مما يقلل بشكل كبير من حجم ووزن السخانات ويخفض التكاليف بمقدار الثلثين.

تستخدم شركة باناسونيك سبائك ذاكرة الشكل لصنع مكيفات هواء مزدوجة الاستخدام مع أجهزة تحويل اتجاه الرياح.

يتغير اتجاه الرياح بشكل حساس: عندما تكون درجة حرارة الرياح بين 32-37 درجة مئوية، تهب الرياح إلى الأسفل؛ وعندما تنخفض درجة حرارة الرياح إلى 25-32 درجة مئوية، تتغير تلقائيًا لتهب أفقيًا.

هذا الجهاز مستقر وخفيف الوزن ومنخفض التكلفة وخالٍ من الضوضاء عند بدء تشغيل باب الرياح، مما يجعله شائعًا لدى المستخدمين. كما تستخدم سبائك ذاكرة الشكل على نطاق واسع لصنع منظمات الحرارة لأجهزة طهي الأرز الكهربائية.

عندما ترتفع درجة الحرارة، سيتم فتح الدائرة وفصلها تلقائيًا. عندما تنخفض درجة الحرارة إلى مستوى معين، سيعيد توصيل مصدر الطاقة ويحافظ تلقائيًا على درجة الحرارة.

ثالثًا. سبائك الذاكرة الشكلية تتقدم نحو التسويق التجاري

في السنوات الأخيرة، بدأت منتجات "الذاكرة" المصنوعة من سبائك ذاكرة الشكل المختلفة في اكتساح السوق، مع تزايد عدد هذه المنتجات "الذاكرة" التي تدخل في الحياة اليومية. وتتقدم تطبيقات سبائك ذاكرة الشكل بشكل أكبر نحو التسويق التجاري.

حظيت حمالة صدر "الذاكرة" التي أنتجتها شركة يابانية للسلع اليومية بإقبال فوري من قبل النساء بعد طرحها في الأسواق. صُنعت حمالة الصدر هذه من سلك رقيق وناعم من سبائك النيكل والتيتانيوم والنيكل والذاكرة، وهي أخف وزنًا وأكثر نعومة ومرونة وراحة من حمالات الصدر التقليدية.

أكبر ميزة لها هي أنها يمكن أن تعود إلى شكلها الأصلي من خلال استشعار درجة حرارة الجسم حتى لو تشوهت بعد الغسيل.

تنتج شركة فوروكاوا إلكتريك المحدودة في اليابان إطارات نظارات مصنوعة من سبائك ذاكرة الشكل يمكنها تغيير شكلها مع تمدد العدسة وانكماشها، مع الحفاظ على رابطة محكمة مع العدسة. كما تقوم الشركة بتصنيع دمى يمكنها تغيير تسريحات الشعر باستخدام الخصائص الفريدة لسبائك ذاكرة الشكل.

صُنع شعر الدمية من سلك من سبائك الذاكرة النحاسية الشكل، ويمكن أن تتغير تسريحة الشعر بتغير درجة الحرارة، مما يجعلها تحظى بشعبية كبيرة بين الأطفال.

طرحت شركة يابانية مصنعة للأحذية أول حذاء جلدي في العالم مصنوع باستخدام سبائك ذاكرة الشكل، وهي ليست ناعمة ومريحة فحسب، بل تمنع الحذاء من التشوه بشكل فعال.

يعد تطوير الطاقة مجال تطبيق مهم لسبائك ذاكرة الشكل. وباستخدام خاصية سبائك ذاكرة الشكل لتغيير شكلها عند تسخينها وتبريدها، يمكن تحويل الطاقة الحرارية منخفضة الدرجة، مثل الحرارة المهدرة والطاقة الحرارية الأرضية والطاقة الشمسية، مباشرة إلى طاقة ميكانيكية للاستخدام.

واستناداً إلى هذا المبدأ، تم تطوير العديد من المحركات الحرارية بنجاح، مما أدى إلى تسريع عملية تصغير المحركات الحرارية وقابليتها للنقل.