Mekanik ya da termal bir etkiden sonra kendi şekline dönebilen metalik malzemelere Şekil Bellekli Alaşımlar (Shape Memory Alloy) denir. Şekil bellekli alaşımlar özgün yeteneği sayesinde birçok endüstride kullanılmaktadır.

Malzeme bilimi hızlı teknolojik gelişmelerle ve sonuçlanmış taleplerle yıllar içinde mükemmel bir gelişme elde etmiştir. Yeni ve akıllı malzemeler oluşturmak birçok araştırma grubunun ilgisini çekmiştir. Şekil bellekli alaşımlar (ŞBA 'lar), termal veya mekanik bir etki üzerine kendi şekillerini hatırlama yeteneğine sahip bu akıllı malzemelerden biridir. 

Giriş

Metal alaşımları, geri dönüşümlü şekil değiştirme davranışı, enerji dağılımı ve yapısal yorulma direnci gibi yeni yetenekleri nedeniyle büyük bir potansiyel sunmaktadır. Ayrıca, bu özellikler alaşım bileşimi ve tane büyüklüğü gibi yapısal parametreler değiştirilerek farklı gereksinimleri karşılayacak şekilde üstünde oynanabilir ve ayarlanabilir. Bu özel özellikleri ve ayarlanabilir yapısı sayesinde, ŞBA 'lar otomobil, havacılık, biyomedikal ve robot endüstrisi gibi birçok farklı endüstride kullanılmaktadır. Shape Memory Alloyların benzersiz özelliklerine şekil hafıza etkisi (ŞHE) veya sözde esneklik neden olur.

Şekil Hafıza Etkisi

Şekil hafızası etkisini anlamak için öncelikle metallerin (özellikle Fe alaşımlarında) östenit ve martenzit kafes yapılarına aşina olmalıdır. Östenit, atomların birim hücrenin her yüzünün ortasına ve her köşesine yerleştirildiği yüzey merkezli kübik (FCC, YMK) bir yapıya sahiptir. Östenit yapısı yüksek sıcaklıklarda ve düşük gerilimde kararlıdır. Martenzit yapısı, vücut merkezli dörtgen (BCT) kristal bir yapıya sahiptir ve östenitin yüksek hızda soğutulması (ıslah) ile oluşturulur. Östenitten martenzite dönüşüm difüzyon içermeyen bir dönüşümdür, yani herhangi bir atom difüzyonu olmadığı anlamına gelir. Difüzyon mekanizması yerine, martenzite dönüşümde, östenitin kübik yapısı bir dikdörtgene benzeyecek şekilde biraz bozulur. Östenitin aksine, martenzit yapısı düşük sıcaklıklarda ve yüksek gerelimde kararlıdır. Şekil hafızası etkisi östenit ve martenzit yapıları arasındaki dönüşümlerden kaynaklanmaktadır. Bu dönüşüme genellikle martenzitik dönüşüm (MT) olarak adlandırılır. Martenzitik dönüşüm birinci dereceden katı-katı difüzyonsuz ve geri dönüşümlü (tersinir) bir faz değişimidir. Dönüşüm ‘ana faz’östenit ve ‘ürün fazı’ martenzit arasında gerçekleşir. Bu şekil değiştirme etkileri üç şekil belleği özelliğine sınıflandırılabilir: tek yönlü şekil hafıza etkisi (OWSME), iki yönlü şekil hafıza etkisi (TWSME) ve sözde esneklik.

Tek Yönlü Şekil Hafıza Etkisi (OWSME)

Tek yönlü şekil hafızası etkisi, uygun termo-mekanik yüklemeler altında gözlenir. Tek yönlü ŞBA 'lar ilk olarak ikizlenmiş martenzit yapısını elde etmek için martenzit başlangıç sıcaklığının (Ms) altına soğutulur. Sıcaklık martenzit bitiş sıcaklığına (Mf) ulaştığında martenzit fazına dönüşüm tamamlanır. Şekil değişikliği, harici bir kuvvet altında ikizlenmiş martenzit yapısının bozulması ile elde edilir. Elde edilen şekil, sıcaklık martenzit bitiş sıcaklığı altında tutulduğu sürece korunur. Martenzitin artık gerilim tesir etmediği en yüksek sıcaklığa Md denir ve bu sıcaklığın üzerinde ŞBA, herhangi bir sıradan metalik malzeme gibi kalıcı olarak şekil değiştirir. Östenit başlangıç sıcaklığının (As) üzerine ısıtıldığında ve östenit fazına dönüşüm östenit bitirme sıcaklığında (Af) tamamlandığında malzeme orijinal şekline geri döner. Bu döngü “tek yönlü şekil hafızası etkisi”(OWSME) olarak adlandırılır. OWSME, ŞBA 'ların en sembolik davranışıdır ve bu nedenle çoğu ŞBA'nın temelini oluşturur.

İki Yönlü Şekil Hafıza Etkisi (TWSME)

Tek yönlü SMA'ların aksine, iki yönlü ŞBA'lar hem yüksek hem de düşük sıcaklıklarda şekillerini koruyabilir. OWSME, malzemenin soğutulması sırasında herhangi bir dönüşüm gerinimi oluşmadığından, ikizlemeyi çürütme işlemini başlatmak için harici olarak uygulanan yüke ihtiyaç duymaz. Malzemenin hem ısıtılması hem de soğutulması sırasında dönüşüm gerinimi tesir ederse, bu işleme iki yönlü şekil hafızası etkisi denir. Buna rağmen, iki yönlü şekil hafızası etkisi “eğitim” gerektirir, yani son martenzit sıcaklığının veya son östenit sıcaklığının üzerindeki sıcaklıklarda döngüsel yükleme ile elde edilmesi gerekir. “Eğitim” sürecinden sonra şekil hafızası etkisi, herhangi bir mekanik yüke ihtiyaç duyulmadan ısıtma ve soğutma yoluyla elde edilebilir. TWSME'yi elde etmek için farklı eğitim teknikleri kullanılabilir. Eğitim yöntemlerine örnekler; martenzitik veya östenitik fazda homojen olmayan bir plastik gerinim (burulma, bükülme (fleksiyon) ) tesir etmesi; bir çökeltici faz (Ni-Ti alaşımları) oluşturmak için, ana fazı kararlaştırmak için östenit fazı ya da martenzit fazı içinde uygulanan gerilim altında yaşlandırma; ya izotermal mekanik yükleme ya da termal izobarik yükleme ile termo-mekanik döngü. Tüm bu yöntemler, malzeme yapısında kalıcı bir kusur üretmeye dayanmaktadır. Eğitim dikkatli bir şekilde ele alınması gerektirir çünkü yetersiz sayıda eğitim döngüsü kararlaştırılmamış iki yönlü şekil belleği etkisi üretebilir.

Sözde Esneklik

Sözde esneklik davranışını gösteren bir ŞBA, gerçek bir elastik malzeme gibi mekanik yüklemeden sonra orijinal durumuna geri döner. Bu görüngü termal aktivasyon gerektirmez, ancak sadece Af ve Md arasında meydana gelir. Genel koşullarda, sözde esneklik termo-mekanik yükleme yolları östenitik bölgedeki sıfır gerilim ile başlar, sonra ikizlenmesi bozulmuş martenzit bölgesine gider ve sonra tekrar başlangıç noktasına boşaltılır. Sözde esneklik yükleme yolları Af üzerinde izotermal veya izobarik olabilir.

Shape Memory Polymer ve Composites hakkında bilgi almak için blog yazımızı ziyaret edin.

Yaygın Şekil Bellekli Alaşımlar

Ni-Ti Bazlı Alaşımlar

Eş-Atomlu Ni-Ti alaşımı, şekil hafızası etkisi gösterdiği keşfedilen ilk malzemedir. Bu alaşım genellikle “Nitinol” olarak adlandırılır ve birçok farklı araştırma grubu tarafından araştırılmıştır. Yaklaşık % 8 OWSME dönüşüm gerinimi civarında ve % 5 TWSME dönüşüm gerinimi civarında olan Nitinol çekici bir malzemedir. Ni-Ti alaşımlarının dönüşüm sıcaklıkları Mf = 288 K ile Af = 362 K arasında değişmektedir. Bu sıcaklık aralıkları alaşımın bileşimi değiştirilerek veya farklı soğuk çalışma yöntemleri ve termo-mekanik işlemlerle değiştirilebilir. Ti içeriğinin arttırılması dönüşüm sıcaklıklarını arttırırken, Ni içeriğini arttırmak malzemenin dönüşüm sıcaklıklarını azaltır. Ni bakımından zengin nitinol alaşımları, matrisi sertleştiren çökelme etkisine bağlı olarak geniş bir aralıkta sözde esneklik sergiler. Bu malzeme için tipik sözde esneklik gerinimi yaklaşık % 8'dir. Ni-Ti alaşımlarının ikili yapısına Cu, Zr, Hf, Pd, Pt ve Fe gibi üçüncü elementler de eklenebilir. Üçüncü bir elementin dahil edilmesi alaşımın bazı özelliklerini geliştirir. Örneğin, yapıya Cu katılması, çökelti oluşumunu baskılayarak yaşlanma etkilerini azaltır.

Cu Bazlı Alaşımlar

Bakır bazlı alaşımlar genellikle dönüşüm sıcaklıklarını manipüle edebilmek için yapılarında üçüncü bir bileşik içerir. Bu alaşımlar genellikle Ni-Ti alaşımlarından daha az histerezis gösterir. Bu alaşımların dönüşüm sıcaklıkları büyük ölçüde malzemenin bileşimine bağlıdır. Ana bakır alaşımı Cu-Zn-Al, üretimi kolay ve ucuzdur; Ancak aşırı ısınma üzerine ayrışma eğilimi gösterir. İstenen tane büyüklüklerini elde etmek için Co, Zr, B ve Ti gibi katkı maddeleri gereklidir. Cu-Al-Ni alaşımı ayrışma ve yaşlanmaya daha az eğilimlidir. Bu alaşımın nikel içeriği % 4'ün altında tutulmalıdır çünkü bu noktanın üzerinde gevrekliğe neden olur. Diğer Cu bazlı alaşımlar da Cu-Zn-Sn ve Cu-Al-Be'dir.

Diğer Şekil Bellekli Alaşımlar

Fe bazlı ve Ni-Al alaşımlar da diğer ilginç şekil belekli alaşımlardır. Fe bazlı alaşımlar, demirli malzemeler, modern mühendisliğin en önemli malzemelerinden biri olduğu için dikkat çekicidir. Ancak, bu alaşımların şekil hafızası etkisi, diğer şekil hafızalı alaşımlar kadar belirgin değildir. Ni-Al alaşımları yüksek sıcaklık mukavemet ve korozyon direnci gösterir. Ancak, bu alaşımlar son derece gevrektir ve değişen Al miktarına bağlı olarak dönüşüm sıcaklıklarında yüksek hassasiyet gösterir. Bu alaşımların kırılgan doğası Fe, B veya Cr ilavesiyle sönümlendirilebilir.

Şekil Bellekli Alaşımların (Shape Memory Alloy) Uygulama Alanları

Şekil hafızalı alaşımlar otomotiv endüstrisi tarafından 20. yüzyılın sonlarından beri istifade edilmektedir.

Otomotiv Uygulamaları

Piyasada bulunan Ni-Ti ŞBA'lar genellikle çalışma sıcaklıkları bir aracın çevre sıcaklıkları içinde bulunduğundan aktüatör (çalıştırıcı) olarak kullanılır. ŞBA aktüatörlerinin basit ve kompakt yapısı, otomotiv bileşenlerinin ölçeğini, ağırlığını ve maliyetini önemli ölçüde azaltır ve geleneksel aktüatörlere kıyasla daha yüksek performans gösterir. ŞBA aktüatörleri yan ayna aktüatörleri, otomatik yaya koruma sistemi, takla kapakları vb. gibi yerlerde kullanılır.

Havacılık – Uzay Uygulamaları

Yüksek dinamik yükler ve havacılık uygulamalarının geometrik kısıtlamaları, ŞBA 'ların benzersiz özelliklerinden büyük ölçüde yararlanır. Havacılık ve uzay endüstrisindeki ŞBA 'ların ilk başarılı uygulaması, ŞBA 'ların 1970'lerde F-14 savaş jetlerinin hidrolik hatlarına dahil edilmesiydi. Bu başarıdan sonra ŞBA'lar aktüatörler, sızdırmazlık elemanları, titreşim sönümleyicileri, manipülatörler ve yol bulma uygulamaları olarak kullanılmıştır. Boeing, kalkış gürültüsünü azaltmak ve uçuş verimliliğini aynı zamanda artırmak için jet motorlarında kullanılan ŞBA aktüatörlerini kullandı. Araştırmacılar ayrıca sistem düzeyinde optimizasyon, uyarlanabilir kanatlar, rotor kontrolü ve teleskopik kanat sistemleri gibi yeni ŞBA uygulamalarına eğilmişleridir.

Robotik Uygulamaları

ŞBA'lar genellikle robotik uygulamalarda aktüatör ve yapay kas olarak kullanılır. Örneğin, bir protez elindeki parmakları harekete geçirmek için ikili bir aktüatör tasarımı kullanılır. Bu uygulama, geleneksel itme-çekme tipi ve yay tipi aktüatörlerden çok daha iyi olan gerçek benzeri bir tepki sağlar. Robot ellerde olduğu gibi, ŞBA'lar da yürüme, atlama, yüzme ve uçan robotlar gibi birçok robotik yapıda aktüatör olarak kullanılmıştır. ŞBA'lar robotikte sensör olarak da kullanılır. ŞBA sensörlerinin küçük boyutları dar alanlarda algılama veya mikro yapıları tanımlamak için kullanılır.

Biyomedikal Uygulamaları

ŞBA 'lar biyomedikal uygulamalarda başından beri artan bir önem kazanmıştır. Ni-Ti alaşımlarında şekil hafıza etkilerinin keşfinden hemen sonra, diş hekimliğinde implant ve diş teli olarak kullanılmıştır. Yüksek korozyon direnci, biyo-uyumluluk ve Ni-Ti alaşımının manyetik olmayan özellikleri onu biyomedikal uygulamalar için mükemmel bir aday yapar. Ni-Ti alaşımının benzersiz fiziksel özellikleri, dokuların ve kemiklerin özelliklerini taklit etmek ve insan vücudunun sıcaklığındaki değişikliklere cevap vermek için manipüle edilebilir. Nitinol, FDA onaylı Mitek cerrahi ürününün piyasaya sürülmesinden sonra minimal invaziv ameliyatlar ve ortopedik ameliyatlar için kullanılmıştır. ŞBA'lar ortopedi, nöroloji, kardiyoloji ve girişimsel radyoloji gibi birçok alanda tıbbi cihazlarda ve cihazlarda kullanılır; ve diğer tıbbi uygulamalar arasında endodonti, stentler, tıbbi cımbızlar, sütürler, tendonu kemiğe tutturmak için ankrajlar, anevrizma tedavileri, gözlük çerçeveleri ve kılavuz teller bulunur.

Şekil Bellekli Alaşımların (Shape Memory Alloy) Önemi Nedir?

Şekil bellekli alaşımlar, harici bir kuvvet veya termal etki üzerinde bir şekil değişikliğinden sonra orijinal formlarını hatırlama yeteneğine sahip mükemmel malzemelerdir. Bu malzemelerin şekil hafızası davranışı, biyomedikal, otomotiv, havacılık ve robot endüstrileri gibi farklı endüstrilerde uyarlanabilir ve duyarlı uygulamaların geliştirilmesi için önemlidir. 

Sonuç

SMA uygulamalarında önemli ilerlemeler kaydedilmiş olsa da, büyümek ve bellek alaşımlarını şekillendirmek için çok daha fazla alan var.

Daha fazlası için blog yazılarımızı buradan inceleyebilirsiniz.

Kaynakça

• nanografi.com/advanced-materials
• 1.Patoor, E., Lagoudas, D. C., Entchev, P. B., Brinson, L. C., & Gao, X. (2006). Shape memory alloys, Part I: General properties and modeling of single crystals. Mechanics of materials, 38(5-6), 391-429.
• 2.Jani, J. M., Leary, M., Subic, A., & Gibson, M. A. (2014). A review of shape memory alloy research, applications and opportunities. Materials & Design (1980-2015), 56, 1078-1113.
• 3.Cisse, C., Zaki, W., & Zineb, T. B. (2016). A review of constitutive models and modeling techniques for shape memory alloys. International Journal of Plasticity, 76, 244-284.
• 4.Nnamchi, P., Younes, A., & González, S. (2019). A review on shape memory metallic alloys and their critical stress for twinning. Intermetallics, 105, 61-78.