Розмір шрифту: 

В даній роботі розглядається сучасний стан застосування функціональних матеріалів з ефектом пам’яті форми. Матеріали з ефектом пам’яті форми (Shape Memory Materials) – це категорія матеріалів, що здатні повертатись до заздалегідь заданої форми після попередньої деформації під впливом зовнішнього чинника у вигляді тепла або магнітного поля. Такі матеріали (найчастіше метали) здатні зберігати нову форму після деформації у певних температурних діапазонах, однак при нагріванні вище таких діапазонів – відбувається повернення до заданої заздалегідь форми. Ефект пам’яті форми зазвичай спостерігається у сплавах з бездифузійним мартенситним перетворенням. До найбільш поширених промислових матеріалів з зазначеним ефектом відносяться сплави на основі систем: Ni-Ti, Cu-Al-Х (де Х – Ni, Mn, Zn,…) та ін. При охолоджені у зазначених матеріалах відбувається утворення низькотемпературної фази мартенситу, яка при механічному навантаженні змінює форму з процесом утворення так званого «мартенситу деформації». Після нагрівання охолодженого матеріалу до температур початку оберненого мартенситного перетворення As-Af аустенітна («високотемпературна») фаза стає термодинамічно стабільною і повертає структуру матеріалу до попередньо заданого стану, що відновлює вихідну геометрію матеріалу. [1]

Полімери також можуть мати ефект пам’яті форми, подібно до металевих матеріалів. Цей ефект заснований на структурній гетерогенності полімерів – наявності в їх молекулярних структурах двох функціональних складових: елементів, що відповідають за фіксацію постійної (заданої) форми, та змінних елементів, які тимчасово утримують деформований стан. Елементи що мають постійну фіксацію можуть бути сформовані як доменами (кристалоподібні або склоподібні), так і хімічними зв’язками. Для задання форми такі матеріали нагрівають до температури переходу (температура склування T_g, плавлення T_m, трансформації T_trans), що робить змінні елементи більш рухливими, після чого відбувається деформація і подальше охолодження. У такому стані матеріал фіксується завдяки «заморожуванню» молекулярної рухливості. При повторному нагріванні вище точки T_trans ланцюги полімеру повертаються до вихідної конфігурації, що приводить до макроскопічного відновлення форми. Також існують полімери що можуть бути активовані світлом, pH, вологістю, електричним струмом або магнітним полем. [2]

Галузі використання. Серед сфер, де використовуються такі матеріали, однією з найпоширеніших є медицина. Завдяки біосумісності сплавів на основі Ti та можливості розгортатися під дією температури тіла широко поширені стали інструменти, яким притаманний ефект пам’яті форми: саморозгортальні стенти, ендоваскулярні пристрої та інші мікроінструменти для мінімально інвазивної хірургії [3]. Одним з системи сплавів на основі титану є Ni-Ti (нітінол), він є одним з найпоширеніших функціональних матеріалів. Цей матеріал демонструє не тільки відмінні характеристики ефекту пам’яті форми та надпружності, але і є біосумісним. Дослідження сплавів на основі системи Ni-Ti є досі актуальним і поширеним напрямком вивчення функціональних матеріалів [4]. Проте слід зауважити, що в певних випадках у пацієнта може бути помічена алергічна реакція на Ni. Через зазначену реакцію також є попит на дослідження безнікелевих біосумісних сплавів, наприклад системи сплавів на основі елементів Ti, Zr, Hf, Nb та Ta. Подібні сплави на відміну від нітінолу зменшують ризики алергічних реакцій у біомедичних застосуваннях. Сплави на основі систем Ti-Nb, Zr-Nb, Hf-Nb,                         Ti-Zr-Hf демонструють високу біоінертність при наявності необхідних механічних та функціональних характеристик, зокрема фазових перетворень [5-7].

Окрім металів, що змінюють форму під дією температури, у медичних цілях використовують і полімери. Серед досліджуваних нових неметалевих матеріалів, що активуються теплом, є поліуретанові полімери. Вони демонструють перехід до “закодованої’ форми при температурах близьких до фізіологічних, що дозволяє уникнути ушкодження тканин. Крім безпечної для тканин температури активації, такі матеріали проявляють: стабільність у вологому середовищі, гнучкість поліуретанової структури, завдяки чому відбувається більш щільний контакт з тканинами, зменшуючи ризик механічних подразнень [8]. Полімери можуть відновлювати форму використовуючи світлове опромінення [9]. Один з актуальних напрямів дослідження полімерних систем – створення мікроактюатори, які працюють бездротово. Завдяки можливості керувати такими матеріалами через світлове опромінення це дозволяє створити функціональні пристрої, які мають менше обмежень (наприклад, відсутність складних схем керування). Завдяки світлочутливим компонентам такі матеріали можуть змінювати форму лише під впливом точно дозованого випромінювання, що дає змогу створити складні сценарії деформації без посереднього фізичного контакту [10]. Активацію мартенситного перетворення у випадку металів як Ni-Mn-Ga може бути ініційовано не лише термічно, але й магнітним впливом. Використання магнітної активації перетворення істотно розширює можливості його практичного застосування. В зазначеному випадку відбувається зміна енергетичного стану фаз, унаслідок чого відбувається кероване структурне перегрупування кристалічної решітки, без дифузійних процесів [11].

Іншою сферою розповсюдженого використання є робототехніка, зокрема м’яка робототехніка, де матеріали з пам’яттю форми виконують роль «штучних м’язів» – елементів, що виконують функцію скорочення реагуючи на тепло, струм, світло та під дією інших впливів [3, 4]. Прикладом таких штучних м’язів є розробка суглобів – механізму, що імітує згинання та розгинання механізму пальця завдяки керуванню температурно активованих волокон з ефектом пам’яті форми. Одним з сучасних досліджень є вивчення динаміки деформації такого роботизованого протезу за допомогою прецизійного моделювання та експериментальної верифікації. В зазначеній роботі було досліджено зразки оболонки зробленої з полімеру, в частині яких було розміщені нитки з металів, що демонструють ефект пам’яті форми, а в другій частині досліджуваних зразків – класичні сталеві пружини. На прилад подавалась напруга, яка нагрівала зразок, через що спостерігалось скорочення таких суглобів. При охолодженні нитки могли повертатись до первинної довжини і суглоб розпрямлявся [12]. Дослідження матеріалів з ефектом пам’яті форми стосується не тільки окремих об’єктів робототехніки, а також і рухливості роботів в загальному. Для цього при дослідженні використовуються електро-реологічні (ER) рідини, магнето-реологічні (МР) рідини та сплави з пам'яттю форми. Використовуючи зазначені матеріали вже проводяться дослідження про впровадження таких матеріалів з метою створення систем активного керування рухом. Для них поставлені вимоги багатоциклічного переміщення завдяки фазовим перетворенням в матеріалах з ефектом пам’яті форми, також позитивним впливом від таких матеріалів є фіксація положення, елементів руху, після охолодження, без постійного енергоживлення [13].

Актуальним напрямком досліджень є створення сенсорів нового покоління на основі термочутливих полімерних композитів для детектування тиску та деформації. У зазначених системах матеріали з ефектом пам’яті форми використовують у ролі активного прошарку, що реагує на тепло або навантаження, включаючи зміну опору чи капацитивного сигналу. Таким чином, матеріал з ефектом пам’яті форми може використовуватись як адаптивний шар у електроніці, де має місце певна деформація або необхідна певна гнучкість. Другою перевагою у подібних системах є можливість використовувати матеріал у деформованому вигляді, а за необхідності відновити форму, що дозволяє більш гнучко налаштовувати прилади [14].

Аерокосмічні технології також використовують матеріали з ефектом пам’яті форми. Дані матеріали використовуються для створення адаптивних конструкцій, які змінюють форму через вплив навколишнього середовища під час польоту і т.п. Здатність матеріалів зберігати і автономно відновлювати форму дозволяє створювати розумні компоненти супутників, антен чи сонячних панелей [3]. Одним з переваг використання матеріалів з ефектом пам’яті форми є те, що такі матеріали не лише виконують заданий рух, а й утримують нову форму без додаткового енергоспоживання. Завдяки цим ефектам з’являється можливість поєднати концепцію модульної конструкції, де кожен елемент з пам’яттю форми може працювати незалежно або в синхронізованій послідовності з іншими елементами. Це надає можливість створення складних рухових сценаріїв і програмової поведінки системи в цілому [15]. Іншою значною перевагою використання таких матеріалів є зменшення загальної маси аерокосмічних транспортних засобів. Описані матеріали дозволяють зменшити масу та енергоспоживання за рахунок часткової заміни традиційних гідравлічних чи механічних приводів. Актуатори, які інтегруються безпосередньо у несучі елементи конструкції, забезпечують плавну зміну профілю крила чи нахилу кермового елементу. Це дозволяє оптимізувати аеродинамічні характеристики в режимі реального часу в залежності від швидкості польоту, висоти та атмосферних умов [16].

Висновок. У представленій роботі детально розкрито багатогранне використання матеріалів з ефектом пам’яті форми у різних галузях сучасної науки та техніки, від медицини до аерокосмічної інженерії. Слід зазначити велику універсальність цього класу матеріалів, здатних повертатися до заздалегідь заданої форми завдяки фазовим перетворенням у металах або структурним змінам у полімерних системах. У медичній сфері ключову роль відіграють біосумісні сплави та термочутливі полімери, які дозволяють створювати саморозкривні стенти, ендоваскулярні пристрої та мікроінструменти для мінімально інвазивної хірургії. У м’якій робототехніці такі матеріали виступають "штучними м’язами", що забезпечують рухливість і гнучкість без складних механічних систем, а в сенсорних технологіях вони стають основою для створення термочутливих адаптивних шарів у гнучкій електроніці. Особливий інтерес викликають аерокосмічні застосування, де ефект пам’яті форми дає змогу зменшити масу та енергоспоживання, забезпечуючи при цьому зміну аеродинамічних характеристик у режимі реального часу.

Матеріали з ефектом пам’яті форми продовжують розвивати і створювати нові сучасні технології завдяки поєднанню інтелектуальних властивостей, надійності та універсальності. Їх здатність автономно змінювати форму під дією зовнішніх стимулів відкриває шлях до створення адаптивних систем нового покоління, які можуть працювати у складних і змінних умовах. Подальші дослідження, спрямовані на розширення спектра стимулів активації, підвищення довговічності та інтеграцію з сенсорними мережами, здатні перетворити ці матеріали на ключовий елемент у медицині, робототехніці, авіації та космічній галузі, формуючи основу для технологій майбутнього.

 

Література:

1. Otsuka, Kazuhiro; Wayman, Clarence Marvin (ed.). Shape memory materials. Cambridge university press, 1999.
2. Wu, Xuelian, et al. Mechanisms of the shape memory effect in polymeric materials. Polymers, 2013, 5.4: 1169-1202.
3. Xia, Yuliang, et al. A review of shape memory polymers and composites: mechanisms, materials, and applications. Advanced materials, 2021, 33.6: 2000713.
4. Shelyagin, V., et al. Laser Welding of Ti-Ni Shape Memory Alloy for Medical Application. Metallophysics & Advanced Technologies/Metallofizika i Novejsie Tehnologii 43.3 (2021).
5. Кедровський С. Н., Коваль Ю. Н.,  Слепченко В. Н. Сплави на основі Zr-Nb-перспективні функціональні матеріали. Металофізика та новітні технології 36, № 12 (2014): 1651-1659.
6. Kedrovskyi, S., et al. Martensitic Transformation in Quenched Hf-Nb Alloys. Metallophysics & Advanced Technologies/Metallofizika i Novejsie Tehnologii 42.5 (2020).
7. Tasaki, Wataru, et al. Martensitic transformation and shape memory effect of TiZrHf-based multicomponent alloys. Journal of Alloys and Compounds 931 (2023): 167496.
8. Senatov, Fedor S., et al. Mechanical properties and shape memory effect of 3D-printed PLA-based porous scaffolds. Journal of the mechanical behavior of biomedical materials, 2016, 57: 139-148.
9. Chan, Benjamin Qi Yu, et al. Recent advances in shape memory soft materials for biomedical applications. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8.16: 10070-10087.
10. Delaey, Jasper; Dubruel, Peter; van Vlierberghe, Sandra. Shape‐memory polymers for biomedical applications. Advanced Functional Materials, 2020, 30.44: 1909047.
11. Straka, Ladislav, Oleg Heczko, and Hannu Hänninen. Activation of magnetic shape memory effect in Ni–Mn–Ga alloys by mechanical and magnetic treatment. Acta Materialia 56.19 (2008): 5492-5499.
12. Rodrigue, Hugo, et al. An overview of shape memory alloy-coupled actuators and robots. Soft robotics, 2017, 4.1: 3-15.
13. Sohn, Jung Woo; Kim, Gi-Woo; Choi, Seung-Bok. A state-of-the-art review on robots and medical devices using smart fluids and shape memory alloys. Applied Sciences, 2018, 8.10: 1928.
14. Ruth, Deivamoney Josephine Selvarani, et al. Control aspects of shape memory alloys in robotics applications: a review over the last decade. Sensors, 2022, 22.13: 4860.
15. Costanza, Girolamo; Tata, Maria Elisa. Shape memory alloys for aerospace, recent developments, and new applications: A short review. Materials, 2020, 13.8: 1856.
16. Basheer, Al Arsh. Advances in the smart materials applications in the aerospace industries. Aircraft Engineering and Aerospace Technology, 2020, 92.7:              1027-1035.

Shape_Memory_Materials; Пам'ять форми; Матеріалознавство; Біоінертність; Актуатори; Метали; Полімери