형상 기억 합금: 형상 기억 합금에 대해 잘 알고 계십니까?

에너지 개발은 형상기억합금의 중요한 응용 분야입니다. 가열 및 냉각 시 형태가 변하는 형상 기억 합금의 특성을 활용하여 폐열, 지열, 태양 에너지와 같은 저급 열에너지를 기계 에너지로 직접 변환하여 사용할 수 있습니다.

이 원리를 기반으로 다양한 열 엔진이 성공적으로 개발되어 열 엔진의 소형화 및 휴대성이 가속화되고 있습니다.

최근 전 세계 연구자들은 주로 형상 기억, 온도 기억, 색상 기억과 같은 메모리 기능 소재를 개발하고 있습니다. 그중에서도 형상 기억 합금 소재의 개발이 가장 빠릅니다.

자동차, 로봇 공학, 에너지 개발, 의료 장비 및 가전 제품과 같은 분야에서 형상 기억 합금 소재의 우수한 성능과 광범위한 응용 가능성으로 인해 신소재 21세기에 개발될 것입니다.

형상 기억 합금은 최초로 발견된 기억 기능 소재입니다. 1950년대 초, 미국 일리노이 대학의 전문가들은 실험 중에 우연히 금-카드뮴 합금에 기억 형상 기능이 있다는 사실을 발견했습니다.

나중에 인듐-탈륨 합금도 비슷한 메모리 효과를 가지고 있다는 것이 밝혀졌지만 높은 비용으로 인해 주목을 끌지 못했습니다. 1963년 미국 해군 무기 연구소가 니켈-티타늄 합금에 대한 연구 중에 우연히 이러한 합금에 상당한 형상 기억 효과가 있다는 사실을 발견한 것은 1963년이 되어서였습니다.

또한 뛰어난 초탄성, 내식성, 내진동성 등 다른 금속에는 없는 독특한 장점을 많이 가지고 있습니다. 이 발견은 연구자들의 관심을 끌었고 이에 대한 연구가 시작되었습니다.

최근 몇 년 동안 과학 기술의 급속한 발전과 함께 형상 기억 합금이 등장했으며 형상 기억 기능을 가진 수십 가지 합금이 개발되었습니다.

현재 실용적으로 가장 많이 사용되는 형상 기억 합금은 니켈-티타늄, 구리, 철(또는 스테인리스강) 계열입니다.

I. 형상 기억 합금의 개발

1. 니켈-티타늄 형상 기억 합금

니켈-티타늄 합금은 형상 기억 합금에서 가장 우수하고 널리 사용되는 재료 중 하나입니다. 연성, 형상 기억 강도, 변형률, 내식성, 전기 저항성, 안정성이 우수하지만 비용이 높은 것이 특징입니다.

이러한 합금은 단방향 및 양방향 형상 기억 동작을 모두 특징으로 하며, 합금 개선을 통해 이러한 동작을 나타내는 온도 범위를 확장하거나 줄일 수 있습니다.

최근 많은 국가에서 니켈-티타늄 합금의 특성을 더욱 향상시키고 비용을 절감하기 위해 다른 원소를 추가하여 일련의 개선된 니켈-티타늄 합금을 연구하고 있습니다. 예를 들어 구리 또는 바나듐, 알루미늄, 크롬, 지르코늄, 미량의 칼슘을 첨가하면 인성, 기계 가공성, 절삭성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

또한 니켈-티타늄-구리 합금에 희토류 원소와 붕소, 실리콘, 인, 황 등을 첨가하면 회수 특성이 크게 향상된 형상 기억 합금을 만들 수 있습니다.

일본의 스미토모 전기 산업은 니켈-티타늄 합금에 구리(또는 알루미늄, 지르코늄, 바나듐, 코발트, 철)를 첨가한 후 와이어를 그려서 심미적으로 만족스러운 형상 기억 합금 와이어를 생산합니다. 표면 처리를 사용하여 장식적인 요구를 충족합니다.

일본의 칸토쿠는 머리카락 가닥의 절반 직경의 니켈-티타늄 합금 와이어를 개발하여 우수한 복합성 및 직조성, 탄성, 열 감도를 자랑합니다. 이러한 특성 덕분에 자동차 밸브, 온수기, 물 조절기, 소형 전기 온도 조절기, 브래지어 등의 분야에 널리 적용될 수 있습니다.

2. 구리 기반 형상 기억 합금

구리 기반 형상 기억 합금은 니켈-티타늄 메모리 합금보다 저렴하고 성형이 쉽기 때문에 상당한 개발 잠재력을 가지고 있습니다.

그러나 구리 기반 형상 기억 합금은 니켈-티타늄 메모리 합금에 비해 강도가 떨어지고 반복 가열하면 기억 능력이 빠르게 감소합니다.

구리 기반 메모리 합금의 기계적 특성을 개선하기 위해 소량의 티타늄, 망간, 지르코늄을 첨가할 수 있습니다. 가장 성능이 우수하고 가장 널리 사용되는 구리 기반 형상 기억 합금은 구리-아연-알루미늄 합금입니다.

이 합금은 열전도율이 높고 온도 변화에 민감하여 열에 민감한 부품을 만드는 데 적합합니다. 미국과 일본과 같은 국가에서는 온실과 보육원의 자동 창문 개폐기에 구리-아연-알루미늄 합금을 사용하여 실내 온도를 조절합니다.

그러나 구리-아연-알루미늄 합금의 저항성은 니켈-티타늄 합금보다 낮기 때문에 전기 가열 상황에는 적합하지 않습니다. 철이나 실리콘을 첨가하면 내식성을 향상시킬 수 있습니다.

일본 도쿄의 한 회사가 컬러 메모리 효과가 있는 구리-니켈-알루미늄 합금을 개발하는 데 성공했습니다. 이 합금은 다양한 온도에서 빨간색에서 황금색으로 변하며 예술 공예품, 장식, 장난감 및 가전 제품 생산에 널리 사용될 수 있습니다.

3. 철 기반 형상 기억 합금

철 기반 형상 기억 합금은 저렴하고 자원이 풍부하여 경쟁력이 높습니다. 개발된 철 기반 형상 기억 합금에는 철-망간 합금, 철-백금 합금, 스테인리스강 형상 기억 합금이 있습니다.

망간 합금에 실리콘을 첨가하면 형상 기억 효과가 좋은 철-망간-실리콘 합금을 얻을 수 있습니다. 이 합금은 강도는 높지만 내식성이 떨어집니다.

크롬을 첨가하면 내식성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 철 기반 형상 기억 합금은 현재 파이프 조인트, 리벳 및 기타 커넥터와 고정 장치 제조에 널리 사용되고 있습니다. 설치와 작동이 간편할 뿐만 아니라 안전하고 신뢰할 수 있어 유망한 기능성 소재입니다.

일본에서 새로 개발된 스테인리스 스틸 형상 기억 합금은 형상 회복 특성과 내식성이 우수할 뿐만 아니라 가공성과 고온 산화에 대한 내성이 뛰어납니다.

이러한 합금에는 크롬, 망간, 실리콘 및 철의 주성분 외에도 일정량의 니켈 또는 코발트, 구리 및 질소가 포함되어 있습니다.

이러한 스테인리스 스틸 형상 기억 합금은 전통적인 제강 용광로에서 녹여 일반적인 방법을 사용하여 완제품으로 제조할 수 있어 활용도가 매우 높습니다.

II. 형상 기억 합금의 응용

형상 기억 합금은 우수한 특성으로 인해 자동 제어 장치, 로봇 공학, 자동차 산업, 에너지 개발, 의료 및 일상 소비재에 널리 사용됩니다.

1. 자동 제어를 위한 자동차, 로봇 공학 및 에너지 개발에서 사용

형상 기억 합금은 온도 센서 및 작동 소자로 작동하므로 자동 제어에 매우 민감합니다. 이러한 합금의 가장 일반적인 용도 중 하나는 브레이크입니다.

현재 자동차 업계에서는 100가지가 넘는 형상 기억 브레이크가 주로 엔진, 변속기, 서스펜션을 제어하여 안전성, 신뢰성, 편안함을 향상시키는 데 사용되고 있습니다.

형상 기억 합금은 수동 변속기 시스템의 소음 방지 장치와 엔진 연료 가스 제어 장치에도 사용됩니다. 이러한 합금의 메모리 효과와 초탄성은 변위 센서와 산업용 로봇 브레이크에 적용될 수 있습니다.

로봇에 형상 기억 합금 브레이크를 적용하여 고무적인 결과를 얻었습니다. 형상 기억 합금 스프링과 합금 와이어를 사용하여 소형 로봇을 조립할 수 있습니다. 합금의 수축을 제어함으로써 로봇의 손가락을 열고, 닫고, 구부릴 수 있습니다.

로봇의 위치, 동작 및 속도는 펄스 가변 주파수 전류를 직접 입력하여 제어됩니다. 합금 원소. 모양 회복력은 전류의 크기에 따라 제어되므로 움직임이 생물학적 근육 움직임을 모방합니다.

또한 에너지 개발은 형상 기억 합금의 또 다른 중요한 응용 분야입니다. 가열 및 냉각 시 형상 기억 합금의 형상 변화 특성을 활용하여 폐열, 지열 에너지, 태양 에너지와 같은 저급 열 에너지를 기계 에너지로 직접 변환하여 사용할 수 있습니다.

이 원리를 바탕으로 다양한 열 엔진이 성공적으로 개발되어 열 엔진의 소형화 및 경량화에 박차를 가하고 있습니다.

2. 치과 및 혈관 질환 의료 기기에서 사용

형상 기억 합금의 초탄성, 생체 적합성, 무독성 덕분에 의료 분야에서 성공적으로 적용되고 있습니다.

치과에서는 형상 기억 합금을 사용하여 인공 치아 뿌리, 치아 정렬기 및 치과 크라운을 만들 수 있습니다. 인공 치아는 니켈-티타늄 합금 잇몸에 고정되고 그 아래에는 이중층 합금 뿌리 시트가 있습니다.

수술을 통해 이 뿌리 시트를 저온에서 함께 고정하고 치조골에 이식합니다. 체온의 영향을 받아 뿌리 시트는 원래의 8자 모양으로 반전되고 회복되어 치조골에 단단히 고정됩니다.

이러한 인공 치아 뿌리는 부식에 강하고 생체 적합성이 있어 치과에서 널리 사용됩니다.

또한 형상 기억 합금은 스테인리스 스틸보다 우수한 치아 정렬 와이어로도 사용됩니다. 메모리 합금 클립의 초탄성 덕분에 탄성을 오랫동안 유지할 수 있어 탄성 이완으로 인한 교체가 필요 없습니다.

이러한 장기적인 탄성은 치료 기간을 단축할 수 있습니다. 형상 기억 합금은 또한 어린이의 치아가 발달함에 따라 자동으로 조절할 수 있는 치과 크라운을 만드는 데 사용되어 치과 크라운 착용의 불편함과 통증을 줄여줍니다.

니켈-티타늄 형상 기억 합금으로 만든 혈관 질환용 의료 기기에는 많은 장점이 있습니다.

예를 들어 형상 기억 합금으로 만든 혈관 색전증 제거 칼은 저온에서 가공하여 원통형 모양을 만들 수 있습니다.

환자의 혈관에 삽입하여 체온으로 가열하면 형상 기억 효과로 인해 칼날이 자동으로 납작해지고, 이를 회전시켜 혈관 색전증이나 침전물을 제거할 수 있습니다.

의료 전문가들은 형상 기억 합금 와이어와 은선을 조합하여 만든 클램프를 사용하여 뇌동맥류 제거 수술도 성공적으로 수행했습니다.

3. 가전 제품에서 사용

형상 기억 합금은 식품 히터, 에어컨, 밥솥과 같은 가전 제품에도 널리 사용됩니다.

일본의 샤프 코퍼레이션은 형상 기억 합금 부품을 사용하여 식품 히터의 마이크로파 가열과 대류 가열 사이의 변환을 제어함으로써 히터의 부피와 무게를 크게 줄이고 비용을 3분의 2까지 절감했습니다.

파나소닉은 형상 기억 합금을 사용하여 풍향 변환 장치가 있는 이중용 에어컨을 만듭니다.

바람의 방향이 민감하게 변합니다. 바람의 온도가 32~37°C일 때는 아래쪽으로 불고, 25~32°C로 내려가면 자동으로 수평으로 불도록 변경됩니다.

이 장치는 안정적이고 가벼우며 비용이 저렴하고 바람문이 작동할 때 소음이 없어 사용자들에게 인기가 있습니다. 형상 기억 합금은 전기 밥솥용 온도 조절기를 만드는 데도 널리 사용됩니다.

온도가 상승하면 자동으로 회로를 열고 차단합니다. 온도가 일정 수준 이하로 떨어지면 전원 공급 장치를 다시 연결하고 자동으로 온도를 유지합니다.

III. 형상 기억 합금이 상용화를 향해 나아가고 있습니다.

최근에는 다양한 형상 기억 합금으로 만든 '메모리' 제품이 시장을 휩쓸기 시작했으며, 이러한 '메모리' 아이템이 일상 생활에 점점 더 많이 들어오고 있습니다. 형상 기억 합금의 응용은 상용화를 향해 더욱 발전하고 있습니다.

일본의 한 생활용품 회사에서 생산한 '메모리' 브래지어는 출시되자마자 여성들의 사랑을 받았습니다. 이 브래지어는 얇고 부드러운 니켈-티타늄 형상 기억 합금 와이어로 만들어져 기존 브래지어보다 가볍고 부드러우며 탄력이 있고 편안합니다.

세탁 후 변형이 되더라도 체온 감지를 통해 원래 모양으로 되돌릴 수 있다는 것이 가장 큰 장점입니다.

일본의 후루카와 전기는 렌즈가 팽창하고 수축함에 따라 모양이 변하는 형상 기억 합금 안경테를 생산하여 렌즈와 긴밀한 결합을 유지합니다. 또한 형상 기억 합금의 고유한 특성을 이용해 헤어스타일을 바꿀 수 있는 인형도 제조하고 있습니다.

인형의 머리카락은 구리 기반의 형상 기억 합금 와이어로 만들어져 온도 변화에 따라 헤어스타일이 변할 수 있어 어린이들에게 큰 인기를 끌고 있습니다.

일본의 한 신발 제조업체는 부드럽고 편안할 뿐만 아니라 신발의 변형을 효과적으로 방지하는 형상 기억 합금을 사용하여 만든 세계 최초의 가죽 신발을 선보였습니다.

에너지 개발은 형상기억합금의 중요한 응용 분야입니다. 가열 및 냉각 시 모양이 변하는 형상 기억 합금의 특성을 활용하여 폐열, 지열, 태양 에너지와 같은 저급 열에너지를 기계 에너지로 직접 변환하여 사용할 수 있습니다.

이 원리를 기반으로 수많은 열 엔진이 성공적으로 개발되어 열 엔진의 소형화 및 휴대성이 가속화되었습니다.