Imagine um material que se lembra de sua forma mesmo depois de ser torcido, dobrado ou esticado. As ligas com memória de forma (SMAs) fazem exatamente isso, transformando a engenharia em vários campos. Este artigo explora como as SMAs convertem o calor residual em energia mecânica, melhoram os dispositivos médicos e aprimoram produtos do cotidiano, como eletrodomésticos. Mergulhe de cabeça para entender o impacto revolucionário das SMAs e descubra suas notáveis aplicações na tecnologia moderna.
O desenvolvimento de energia é uma área de aplicação significativa para as ligas com memória de forma. Utilizando a propriedade das ligas com memória de forma de mudar de forma durante o aquecimento e o resfriamento, a energia térmica de baixa qualidade, como o calor residual, a energia geotérmica e a energia solar, pode ser convertida diretamente em energia mecânica para uso.
Com base nesse princípio, uma variedade de motores térmicos foi desenvolvida com sucesso, acelerando a miniaturização e a portabilidade dos motores térmicos.
Nos últimos anos, pesquisadores de todo o mundo têm desenvolvido materiais com função de memória, principalmente memória de forma, memória de temperatura e memória de cor. Entre eles, o desenvolvimento de materiais de liga com memória de forma é o mais rápido.
Devido ao desempenho superior e às amplas perspectivas de aplicação dos materiais de liga com memória de forma em áreas como automóveis, robótica, desenvolvimento de energia, equipamentos médicos e eletrodomésticos, eles se tornaram um dos principais novos materiais a ser desenvolvido no século 21.
As ligas com memória de forma foram os primeiros materiais com função de memória descobertos. No início da década de 1950, especialistas da Universidade de Illinois, nos Estados Unidos, descobriram acidentalmente durante um experimento que as ligas de ouro-cádmio têm uma função de memória de forma.
Mais tarde, descobriu-se que as ligas de índio e tálio também tinham um efeito de memória semelhante, mas, devido ao seu alto custo, não chamaram a atenção. Foi somente em 1963 que o Instituto de Pesquisa de Armas Navais dos EUA descobriu acidentalmente, durante suas pesquisas sobre ligas de níquel-titânio, que essas ligas tinham um efeito significativo de memória de forma.
Eles também têm muitas vantagens exclusivas que outros metais não possuem, como excelente superelasticidade, resistência à corrosão e resistência à vibração. Essa descoberta atraiu a atenção dos pesquisadores e as pesquisas sobre o assunto começaram.
Nos últimos anos, as ligas com memória de forma surgiram com o rápido desenvolvimento da ciência e da tecnologia, e várias dezenas de ligas com funções de memória de forma foram desenvolvidas.
Atualmente, as ligas com memória de forma mais proeminentes em uso prático incluem as séries de níquel-titânio, cobre e ferro (ou aço inoxidável).
As ligas de níquel-titânio estão entre os materiais mais avançados e amplamente utilizados em ligas com memória de forma. Elas se caracterizam pela boa ductilidade, resistência à memória de forma, deformação, resistência à corrosão, resistência elétrica e estabilidade, mas também são de alto custo.
Essas ligas apresentam comportamentos de memória de forma unidirecional e bidirecional, e a faixa de temperatura na qual elas exibem esses comportamentos pode ser ampliada ou reduzida por meio de melhorias na liga.
Nos últimos anos, muitos países estão trabalhando em uma série de ligas de níquel-titânio aprimoradas com a adição de outros elementos para melhorar ainda mais suas propriedades e reduzir seus custos. Por exemplo, a adição de cobre ou vanádio, alumínio, cromo, zircônio e traços de cálcio pode melhorar significativamente a resistência, a usinabilidade e a capacidade de corte.
Além disso, a adição de elementos de terras raras e boro, silício, fósforo, enxofre etc. às ligas de níquel-titânio-cobre pode resultar em ligas com memória de forma com características de recuperação muito melhores.
A Sumitomo Electric Industries, no Japão, produz fios de liga com memória de forma esteticamente agradáveis, adicionando cobre (ou alumínio, zircônio, vanádio, cobalto, ferro) às ligas de níquel-titânio e estirando o fio após tratamento de superfícieatendendo às demandas de decoração.
A Cantoku, no Japão, desenvolveu um fio de liga de níquel-titânio com diâmetro equivalente à metade do diâmetro de um fio de cabelo, que apresenta boa capacidade de composição e tecelagem, elasticidade e sensibilidade térmica. Essas propriedades o tornam amplamente aplicável em áreas como válvulas de automóveis, aquecedores de água, reguladores de água, reguladores térmicos elétricos em miniatura e sutiãs.
As ligas com memória de forma à base de cobre são mais baratas e mais fáceis de moldar do que as ligas com memória de níquel-titânio e, portanto, têm um potencial de desenvolvimento significativo.
Entretanto, a resistência das ligas com memória de forma à base de cobre é inferior à das ligas com memória de níquel-titânio, e sua capacidade de memória diminui rapidamente com o aquecimento repetido.
Para melhorar as propriedades mecânicas das ligas com memória à base de cobre, pequenas quantidades de titânioPodem ser adicionados manganês e zircônio. A liga com memória de forma à base de cobre de melhor desempenho e mais amplamente utilizada é a liga de cobre-zinco-alumínio.
Essa liga tem alta condutividade térmica e é sensível a mudanças de temperatura, o que a torna adequada para a fabricação de componentes termossensíveis. Países como os EUA e o Japão usam ligas de cobre-zinco-alumínio em abridores automáticos de janelas para estufas e viveiros para regular a temperatura ambiente.
Entretanto, a resistividade das ligas de cobre-zinco-alumínio é menor do que a das ligas de níquel-titânio, o que as torna inadequadas para situações de aquecimento elétrico. A adição de ferro ou silício pode melhorar sua resistência à corrosão.
Uma empresa de Tóquio, no Japão, desenvolveu com sucesso uma liga de cobre-níquel-alumínio com efeitos de memória de cor. Essa liga muda de vermelho para dourado em temperaturas variáveis e pode ser amplamente utilizada na produção de artesanato, decorações, brinquedos e eletrodomésticos.
As ligas com memória de forma à base de ferro são abundantes e de baixo custo, o que as torna mais competitivas. As ligas com memória de forma à base de ferro desenvolvidas incluem ligas de ferro-manganês, ligas de ferro-platina e ligas com memória de forma de aço inoxidável.
Ao adicionar silício às ligas de manganês, é possível obter ligas de ferro-manganês-silício com bons efeitos de memória de forma. Essas ligas têm alta resistência, mas pouca resistência à corrosão.
A adição de cromo pode melhorar muito sua resistência à corrosão. Atualmente, as ligas com memória de forma à base de ferro são amplamente utilizadas na fabricação de juntas de tubulação, rebites e outros conectores, bem como acessórios. Elas não são apenas fáceis de instalar e operar, mas também são seguras e confiáveis, o que as torna materiais funcionais promissores.
As ligas com memória de forma de aço inoxidável recém-desenvolvidas no Japão não apenas têm excelentes características de recuperação de forma e resistência à corrosão, mas também apresentam boa usinabilidade e resistência à oxidação em alta temperatura.
Além dos componentes principais de cromo, manganês, silício e ferro, essas ligas contêm uma certa quantidade de níquel ou cobalto, cobre e nitrogênio.
Essas ligas com memória de forma de aço inoxidável podem ser fundidas em fornos tradicionais de siderurgia e fabricadas em produtos acabados usando métodos comuns, o que as torna extremamente versáteis.
As ligas com memória de forma, devido às suas propriedades superiores, são amplamente utilizadas em dispositivos de controle automático, robótica, indústria automotiva, desenvolvimento de energia, saúde e bens de consumo diário.
As ligas com memória de forma funcionam como sensores de temperatura e elementos de atuação, o que as torna extremamente sensíveis para o controle automático. Um dos usos mais comuns dessas ligas é em freios.
Mais de cem tipos diferentes de freios com memória de forma são usados atualmente no setor automotivo, principalmente para controlar motores, transmissões e suspensões para aumentar a segurança, a confiabilidade e o conforto.
As ligas com memória de forma também são usadas em dispositivos de prevenção de ruído em sistemas de transmissão manual e em dispositivos de controle de gás combustível do motor. O efeito de memória e a superelasticidade dessas ligas podem ser aplicados a sensores de deslocamento e freios de robôs industriais.
A aplicação de freios de liga com memória de forma em robôs obteve resultados animadores. Usando molas de liga com memória de forma e seus fios de liga, pequenos robôs podem ser montados. Ao controlar a contração da liga, os dedos do robô podem abrir, fechar e flexionar.
A posição, as ações e a velocidade do robô são controladas pela entrada direta de corrente de frequência variável pulsada no elemento de liga. A força de recuperação da forma é controlada pelo tamanho da corrente, fazendo com que os movimentos imitem os movimentos musculares biológicos.
Além disso, o desenvolvimento de energia é outro campo de aplicação importante para as ligas com memória de forma. Utilizando as propriedades de mudança de forma das ligas com memória de forma durante o aquecimento e o resfriamento, a energia térmica de baixa qualidade, como o calor residual, a energia geotérmica e a energia solar, pode ser convertida diretamente em energia mecânica para uso.
Com base nesse princípio, uma variedade de motores térmicos foi desenvolvida com sucesso, acelerando a miniaturização e a leveza dos motores térmicos.
A superelasticidade, a biocompatibilidade e a não toxicidade das ligas com memória de forma levaram à sua aplicação bem-sucedida na área médica.
Na odontologia, as ligas com memória de forma podem ser usadas para criar raízes de dentes artificiais, alinhadores de dentes e coroas dentárias. O dente artificial é fixado em uma gengiva de liga de níquel-titânio e, abaixo dela, há folhas de raiz de liga de camada dupla.
Por meio de cirurgia, essas lâminas radiculares são fixadas juntas a baixas temperaturas e implantadas no osso alveolar. Sob a influência da temperatura corporal, as lâminas radiculares se invertem e voltam ao seu formato original de oito, ancorando-se firmemente no osso alveolar.
Essas raízes dentárias artificiais são resistentes à corrosão e biocompatíveis e são amplamente utilizadas na odontologia.
Além disso, as ligas com memória de forma também são usadas como fios de alinhamento dos dentes, que são superiores aos feitos de aço inoxidável. A superelasticidade do grampo de liga com memória de forma pode manter sua elasticidade por um longo tempo, eliminando a necessidade de substituição devido ao relaxamento elástico.
Essa elasticidade de longo prazo pode encurtar o período de tratamento. As ligas com memória de forma também são usadas para fabricar coroas dentárias, que podem se ajustar automaticamente à medida que os dentes das crianças se desenvolvem, reduzindo o desconforto e a dor do uso de coroas dentárias.
Os dispositivos médicos para doenças vasculares feitos de ligas com memória de forma de níquel-titânio têm muitas vantagens.
Por exemplo, uma faca de remoção de embolia vascular feita de uma liga com memória de forma pode ser processada em baixa temperatura para formar um formato cilíndrico.
Quando inserida nos vasos sanguíneos do paciente e aquecida à temperatura corporal, a lâmina da faca se achata automaticamente devido ao efeito de memória de forma e, ao girá-la, é possível remover embolias ou depósitos vasculares.
Especialistas médicos também realizaram com sucesso cirurgias de remoção de aneurisma cerebral usando um grampo feito de uma combinação de fios de liga com memória de forma e fios de prata.
As ligas com memória de forma também são amplamente utilizadas em eletrodomésticos, como aquecedores de alimentos, condicionadores de ar e panelas de arroz.
A Sharp Corporation, no Japão, usa componentes de liga com memória de forma para controlar a conversão entre aquecimento por micro-ondas e aquecimento por convecção em aquecedores de alimentos, reduzindo significativamente o volume e o peso dos aquecedores e cortando os custos em dois terços.
A Panasonic Corporation utiliza ligas com memória de forma para fabricar condicionadores de ar de uso duplo com dispositivos de conversão da direção do vento.
A direção do vento muda sensivelmente: quando a temperatura do vento está entre 32-37°C, ele sopra para baixo; quando a temperatura do vento cai para 25-32°C, ele muda automaticamente para soprar horizontalmente.
Esse dispositivo é estável, leve, de baixo custo e não faz barulho quando a porta de vento é acionada, o que o torna popular entre os usuários. As ligas com memória de forma também são amplamente usadas para fabricar termostatos para panelas elétricas de arroz.
Quando a temperatura aumentar, ele abrirá automaticamente e desconectará o circuito. Quando a temperatura cair até um determinado nível, ele reconectará a fonte de alimentação e manterá automaticamente a temperatura.
Nos últimos anos, os produtos com "memória" fabricados com várias ligas com memória de forma começaram a varrer o mercado, com um número cada vez maior desses itens com "memória" entrando na vida cotidiana. A aplicação de ligas com memória de forma está avançando ainda mais em direção à comercialização.
Um sutiã com "memória" produzido por uma empresa japonesa de artigos de uso diário foi imediatamente apreciado pelas mulheres depois de chegar ao mercado. Esse sutiã é feito de um fio fino e macio de liga de níquel-titânio com memória de forma, que é mais leve, mais macio, mais elástico e mais confortável do que os sutiãs tradicionais.
Sua maior vantagem é que ele pode voltar ao seu formato original por meio do sensor de temperatura corporal, mesmo que se deforme após a lavagem.
A Furukawa Electric Co., Ltd., no Japão, produz armações de óculos de liga com memória de forma que podem mudar de forma à medida que a lente se expande e se contrai, mantendo uma ligação firme com a lente. A empresa também fabrica bonecas que podem mudar o penteado usando as propriedades exclusivas das ligas com memória de forma.
O cabelo da boneca é feito de fio de liga com memória de forma à base de cobre, e o penteado pode mudar com a variação de temperatura, o que o torna extremamente popular entre as crianças.
Um fabricante japonês de calçados apresentou os primeiros calçados de couro do mundo feitos com ligas com memória de forma, que não são apenas macias e confortáveis, mas também evitam efetivamente a deformação dos calçados.
O desenvolvimento de energia é uma área de aplicação importante para as ligas com memória de forma. Utilizando a propriedade das ligas com memória de forma de mudar de forma quando aquecidas e resfriadas, a energia térmica de baixa qualidade, como o calor residual, a energia geotérmica e a energia solar, pode ser convertida diretamente em energia mecânica para uso.
Com base nesse princípio, vários motores térmicos foram desenvolvidos com sucesso, acelerando a miniaturização e a portabilidade dos motores térmicos.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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