سبيكة مغناطيسية ذات ذاكرة شكلية

الموسوعة الحرة

تُعدّ سبائك الذاكرة الشكلية المغناطيسية (MSMA) نوعًا من المواد الذكية التي يمكنها أن تخضع لتغيرات كبيرة وعكسية في شكلها استجابةً للمجال المغناطيسي. وينشأ هذا السلوك نتيجةً لمزيج من الخصائص المغناطيسية وخصائص الذاكرة الشكلية داخل السبيكة، مما يسمح لها بإنتاج حركة ميكانيكية أو قوة تحت تأثير المجال المغناطيسي. تُصنع سبائك الذاكرة الشكلية المغناطيسية عادةً من مواد مغناطيسية حديدية ، ولا سيما سبيكة النيكل-المنغنيز-الغاليوم (Ni-Mn-Ga)، وهي مفيدة في التطبيقات التي تتطلب حركة سريعة وقابلة للتحكم والتكرار.

مقدمة

سبائك MSM هي مواد مغناطيسية حديدية قادرة على توليد الحركة والقوى تحت تأثير مجالات مغناطيسية متوسطة. وعادةً ما تكون سبائك MSMA من النيكل والمنغنيز والغاليوم (Ni-Mn-Ga).

في عام 1996، قدم الدكتور كاري أولاكو وزملاؤه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) تشوهًا ناتجًا عن المجال المغناطيسي بنسبة 0.2% تقريبًا. [ 1 ] ومنذ ذلك الحين، أدت التحسينات التي أُدخلت على عملية الإنتاج والمعالجة اللاحقة للسبائك إلى تشوهات تصل إلى 6% لعناصر Ni-Mn-Ga أحادية البلورة المتوفرة تجاريًا من نوع MSM، [ 2 ] بالإضافة إلى تشوهات تصل إلى 10-12  % و20% للسبائك الجديدة قيد البحث والتطوير. [ 3 ] [ 4 ]

يُعدّ الإجهاد المغناطيسي الكبير الناتج عن الحركة، بالإضافة إلى أوقات الاستجابة القصيرة، من العوامل التي تجعل تقنية MSM جذابة للغاية لتصميم مشغلات مبتكرة تُستخدم في مجالات أنظمة الهواء المضغوط، والروبوتات، والأجهزة الطبية، والميكاترونيات . [ 5 ] تتغير الخصائص المغناطيسية لسبائك MSM تبعًا للتشوه. ويمكن الاستفادة من هذا التأثير المصاحب للتشغيل في تصميم مستشعرات الإزاحة، والسرعة، والقوة، وحاصدات الطاقة الميكانيكية . [ 6 ]

تحدث ظاهرة الذاكرة الشكلية المغناطيسية في طور المارتنسيت ذي درجة الحرارة المنخفضة للسبيكة، حيث تتخذ الخلايا الأولية المكونة للسبيكة شكلاً رباعياً . عند رفع درجة الحرارة فوق درجة حرارة تحول المارتنسيت إلى الأوستنيت ، تتحول السبيكة إلى طور الأوستنيت حيث تتخذ الخلايا الأولية شكلاً مكعباً. في هذه الحالة، تختفي ظاهرة الذاكرة الشكلية المغناطيسية.

ينتج عن التحول من المارتنسيت إلى الأوستنيت قوة وتشوه. لذلك، يمكن أيضًا تنشيط سبائك MSM حراريًا، مثل سبائك الذاكرة الشكلية الحرارية (انظر، على سبيل المثال، سبائك النيكل والتيتانيوم ( Ni-Ti )).

تأثير الذاكرة الشكلية المغناطيسية

الآلية المسؤولة عن الإجهاد الكبير في سبائك MSM هي ما يُعرف بإعادة التوجيه المُستحث مغناطيسيًا (MIR)، كما هو موضح في الشكل. [ 7 ] ومثل غيرها من المواد المغناطيسية الحديدية، تُظهر سبائك MSM مغنطة كلية عند تعرضها لمجال مغناطيسي خارجي، ناتجة عن اصطفاف المغنطة الأولية على طول اتجاه المجال. مع ذلك، وبخلاف المواد المغناطيسية الحديدية التقليدية، يتحقق هذا الاصطفاف من خلال الدوران الهندسي للخلايا الأولية المكونة للسبيكة، وليس من خلال دوران متجهات المغنطة داخل الخلايا (كما هو الحال في الانفعال المغناطيسي ).

مبدأ عمل الذاكرة الشكلية المغناطيسية. لاحظ أن انحناء التشوه الموضح في الشكل هو لأغراض التوضيح فقط، بينما في المواد الفعلية يكون الانحناء أقل من 4 درجات.

تحدث ظاهرة مشابهة عند تعريض السبيكة لقوة خارجية. على المستوى العياني، تعمل هذه القوة كالمجال المغناطيسي، مما يُحفز دوران الخلايا الأولية ويُحقق استطالة أو انكماشًا تبعًا لتطبيقها ضمن نظام الإحداثيات المرجعي. يوضح الشكل عمليتي الاستطالة والانكماش، حيث تتحقق الاستطالة مغناطيسيًا والانكماش ميكانيكيًا، على سبيل المثال.

يُعد دوران الخلايا نتيجةً للتباين المغناطيسي الكبير في سبائك MSM، والحركة العالية للمناطق الداخلية. ببساطة، يتكون عنصر MSM من مناطق داخلية، لكل منها اتجاه مختلف للخلايا الأولية (موضحة في الشكل باللونين الأخضر والأزرق). تُسمى هذه المناطق بالأنواع التوأمية. يؤدي تطبيق مجال مغناطيسي أو إجهاد خارجي إلى تغيير حدود هذه الأنواع، والتي تُسمى حدود التوأمة ، وبالتالي يُفضل أحد الأنواع على الآخر. عندما ينكمش العنصر تمامًا أو يتمدد تمامًا، فإنه يتكون من نوع واحد فقط، ويُقال إنه في حالة النوع الأحادي . يختلف تمغنط عنصر MSM على طول اتجاه ثابت إذا كان العنصر في حالة الانكماش أو حالة التمدد. التباين المغناطيسي هو الفرق بين الطاقة اللازمة لمغنطة العنصر في حالة الانكماش وحالة التمدد. ترتبط قيمة التباين بأقصى إنتاجية عمل لسبائك MSM، وبالتالي بالإجهاد والقوة المتاحين اللذين يمكن استخدامهما في التطبيقات. [ 8 ]

ملكيات

تم تلخيص الخصائص الرئيسية لتأثير MSM للعناصر المتوفرة تجارياً في [ 9 ] (حيث تم وصف جوانب أخرى من التكنولوجيا والتطبيقات ذات الصلة):

  • قم بالتصفية حتى 6%
  • أقصى إجهاد مُوَلَّد يصل إلى 3 ميجا باسكال
  • الحد الأدنى للمجال المغناطيسي لتحقيق أقصى إجهاد: 500 كيلو أمبير/متر
  • إجهاد كامل (6%) حتى حمل 2 ميجا باسكال
  • ناتج الطاقة لكل وحدة حجم يبلغ حوالي 150 كيلوجول/م³
  • الكفاءة الطاقية (التحويل بين الطاقة المغناطيسية المدخلة والعمل الميكانيكي الناتج) حوالي 90%
  • إجهاد الاحتكاك الداخلي حوالي 0.5 ميجا باسكال
  • التنشيط المغناطيسي والحراري
  • درجات حرارة التشغيل تتراوح بين -40 و 60  درجة مئوية
  • التغير في النفاذية المغناطيسية والمقاومة الكهربائية أثناء التشوه

خصائص الإجهاد

يُعدّ عمر الإجهاد لسبائك الذاكرة الشكلية المغناطيسية (MSMAs) ذا أهمية خاصة لتطبيقات التشغيل نظرًا لدورات التشغيل عالية التردد، ولذا حظي تحسين البنية المجهرية لهذه السبائك باهتمام بالغ. وقد حسّن الباحثون عمر الإجهاد ليصل إلى ملياري دورة مع إجهاد أقصى يبلغ 2 ميجا باسكال، مما يوفر بيانات واعدة لدعم التطبيق العملي لسبائك الذاكرة الشكلية المغناطيسية في الأجهزة. [ 10 ] على الرغم من إثبات عمر إجهاد عالٍ، فقد وُجد أن هذه الخاصية تخضع لإجهاد التوأمة الداخلي في المادة، والذي يعتمد بدوره على البنية البلورية وحدود التوأمة. بالإضافة إلى ذلك، وُجد أن إحداث إجهاد كامل (استطالة أو انكماش) ​​في سبائك الذاكرة الشكلية المغناطيسية يقلل من عمر الإجهاد، لذا يجب أخذ ذلك في الاعتبار عند تصميم أنظمة سبائك الذاكرة الشكلية المغناطيسية الوظيفية. بشكل عام، يمكن أن يؤدي تقليل العيوب، مثل خشونة السطح التي تُسبب تركيز الإجهاد ، إلى زيادة عمر الإجهاد ومقاومة الكسر لسبائك الذاكرة الشكلية المغناطيسية. [ 11 ]

تطوير السبائك

تُعدّ سبائك النيكل - المنغنيز - الغاليوم (Ni-Mn-Ga) من السبائك القياسية ، والتي تخضع للدراسة منذ نشر أول دراسة ذات صلة بتأثير MSM في عام 1996. [ 1 ] وتشمل السبائك الأخرى قيد الدراسة سبائك الحديد - البلاديوم (Fe-Pd)، وسبائك النيكل-الحديد-الغاليوم (Ni-Fe-Ga)، بالإضافة إلى العديد من مشتقات سبيكة Ni-Mn-Ga الأساسية التي تحتوي على الحديد (Fe) أو الكوبالت (Co) أو النحاس (Cu). ويتمثل الدافع الرئيسي وراء التطوير والاختبار المستمر للسبائك الجديدة في تحسين خصائصها الحرارية والمغناطيسية والميكانيكية، مثل تقليل الاحتكاك الداخلي، ورفع درجة حرارة التحول، ورفع درجة حرارة كوري ، مما يسمح باستخدام سبائك MSM في تطبيقات متعددة. في الواقع، يصل نطاق درجة الحرارة الفعلي للسبائك القياسية إلى 50  درجة مئوية.  وقد تم مؤخرًا تقديم سبيكة تصل درجة حرارتها إلى 80 درجة مئوية. [ 12 ]

نظراً لآلية حركة حدود التوأمة اللازمة لحدوث تأثير الذاكرة الشكلية المغناطيسية، فإنّ أفضل المواد المغناطيسية ذات الذاكرة الشكلية أداءً من حيث أقصى إجهاد مستحث هي البلورات الأحادية. وقد أثبتت تقنية التصنيع بالإضافة قدرتها على إنتاج مواد مغناطيسية ذات ذاكرة شكلية متعددة البلورات مسامية. [ 13 ] وعلى عكس المواد المغناطيسية ذات الذاكرة الشكلية متعددة البلورات كاملة الكثافة، تسمح البنى المسامية بحرية حركة أكبر، مما يقلل من الإجهاد الداخلي اللازم لتنشيط حركة حدود التوأمة المارتنسيتية. بالإضافة إلى ذلك، وُجد أن المعالجات الحرارية اللاحقة، مثل التلبيد والتلدين، تزيد بشكل ملحوظ من صلابة سبائك النيكل-المنغنيز-الغاليوم وتقلل من معامل مرونتها.

التطبيقات

يمكن استخدام عناصر مشغلات MSM حيثما تكون الحركة السريعة والدقيقة مطلوبة. وتكتسب هذه العناصر أهمية خاصة نظرًا لسرعة تشغيلها باستخدام المجال المغناطيسي مقارنةً بدورات التسخين/التبريد اللازمة لسبائك الذاكرة الشكلية التقليدية، مما يُبشر أيضًا بعمر أطول لمقاومة الإجهاد. تشمل مجالات التطبيق المحتملة الروبوتات، والتصنيع، والجراحة الطبية، والصمامات، والمخمدات، والفرز. [ 9 ] وقد حظيت سبائك الذاكرة الشكلية المغناطيسية (MSMAs) باهتمام خاص في تطبيقات المشغلات (مثل المضخات الميكروفلويدية لأجهزة المختبر على رقاقة ) لقدرتها على توليد قوة كبيرة وشوط طويل في مناطق مكانية صغيرة نسبيًا. [ 10 ] كما أن عمر مقاومة الإجهاد الطويل وقدرتها على توليد قوى دافعة كهربائية من التدفق المغناطيسي يجعلانها ذات أهمية في تطبيقات حصاد الطاقة . [ 14 ] في المجال الطبي الحيوي، تشمل تطبيقات سبائك الذاكرة الشكلية المغناطيسية الدعامات ذاتية التمدد، والقسطرات النشطة، والأدوات اللاسلكية، والمناظير، وأجهزة القلب. [ 15 ]

يُحدد إجهاد التوأمة، أو إجهاد الاحتكاك الداخلي، في سبائك الذاكرة الشكلية المغناطيسية (MSMA) كفاءة التشغيل، لذا يعتمد تصميم تشغيل مشغلات MSM على الخصائص الميكانيكية والمغناطيسية لسبيكة معينة؛ فعلى سبيل المثال، تُعد النفاذية المغناطيسية لسبائك MSMA دالةً للانفعال. [ 10 ] يتكون تصميم مشغل MSM الأكثر شيوعًا من عنصر MSM يتم التحكم فيه بواسطة مغناطيسات دائمة تُنتج مجالًا مغناطيسيًا دوارًا ، ونابض يُعيد القوة الميكانيكية أثناء دورة ذاكرة الشكل. وتُحدد القيود المفروضة على تأثير ذاكرة الشكل المغناطيسي، والناتجة عن عيوب البلورة، كفاءة سبائك MSMA في التطبيقات. ونظرًا لأن تأثير MSM يعتمد أيضًا على درجة الحرارة، يُمكن تعديل هذه السبائك لتغيير درجة حرارة الانتقال من خلال التحكم في البنية المجهرية والتركيب.

مراجع

  1. 12Ullakko, K. (1996). "Magnetically controlled shape memory alloys: A new class of actuator materials". Journal of Materials Engineering and Performance. 5 (3): 405–409. Bibcode:1996JMEP....5..405U. doi:10.1007/BF02649344. ISSN 1059-9495. S2CID 137352650.
  2. ↑Wilson, Stephen A.; Jourdain, Renaud P. J.; Zhang, Qi; Dorey, Robert A.; Bowen, Chris R.; Willander, Magnus; Wahab, Qamar Ul; Willander, Magnus; Al-hilli, Safaa M. (2007-06-21). "New materials for micro-scale sensors and actuators: An engineering review". Materials Science and Engineering: R: Reports. 56 (1–6): 1–129. doi:10.1016/j.mser.2007.03.001.
  3. ↑Sozinov, A.; Lanska, N.; Soroka, A.; Zou, W. (2013-01-14). "12% magnetic field-induced strain in Ni-Mn-Ga-based non-modulated martensite". Applied Physics Letters. 102 (2): 021902. Bibcode:2013ApPhL.102b1902S. doi:10.1063/1.4775677. ISSN 0003-6951.
  4. ↑Pagounis, E.; Szczerba, M. J.; Chulist, R.; Laufenberg, M. (2015-10-12). "Large magnetic field-induced work output in a NiMnGa seven-layered modulated martensite". Applied Physics Letters. 107 (15): 152407. Bibcode:2015ApPhL.107o2407P. doi:10.1063/1.4933303. ISSN 0003-6951.
  5. ↑T. Schiepp, A Simulation Method for Design and Development of Magnetic Shape Memory Actuators, PhD Thesis, University of Gloucestershire, 2015.
  6. ↑Karaman, I.; Basaran, B.; Karaca, H. E.; Karsilayan, A. I.; Chumlyakov, Y. I. (2007-04-23). "Energy harvesting using martensite variant reorientation mechanism in a NiMnGa magnetic shape memory alloy". Applied Physics Letters. 90 (17): 172505. Bibcode:2007ApPhL..90q2505K. doi:10.1063/1.2721143. ISSN 0003-6951.
  7. ↑ فايلر، سيباستيان (23 أغسطس/آب 2007). "مقدمة في آليات تشغيل سبائك الذاكرة الشكلية المغناطيسية". معاملات الجمعية الكهروكيميائية . 3 (25): 155-163 . رمز Bibcode : 2007ECSTr...3y.155F . doi : 10.1149/1.2753250 . ISSN 1938-6737 . S2CID 62395907 .  
  8. ↑ L. Straka، الخصائص المغناطيسية والمغناطيسية الميكانيكية لسبائك الذاكرة الشكلية المغناطيسية Ni-Mn-Ga ، أطروحة دكتوراه، جامعة آلتو، 2007.
  9. 1 2 "شبكة وسائل الإعلام الرئيسية" . شبكة وسائل الإعلام الرئيسية . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2020-08-07 . تم الاسترجاع بتاريخ 2016-11-16 .
  10. 1 2 3 جابدولين، ن؛ خان، ش.هـ (16 فبراير 2015). "مراجعة لخصائص سبائك الذاكرة الشكلية المغناطيسية (MSM) وتصاميم مشغلات MSM" . مجلة الفيزياء: سلسلة المؤتمرات . 588 (1) 012052. رمز Bibcode : 2015JPhCS.588a2052G . doi : 10.1088/1742-6596/588/1/012052 . ISSN 1742-6596 . S2CID 56145183 .  
  11. ↑ لورانس، ت.؛ ليندكويست، ب.؛ أولاكو، ك.؛ مولنر، ب. (27 يناير 2016). "عمر الإجهاد وميكانيكا الكسر لبلورات أحادية من النيكل-المنغنيز-الغاليوم غير المقيدة في مجال مغناطيسي دوار" . علم وهندسة المواد: أ . 654 : 221-227 . doi : 10.1016/j.msea.2015.12.045 . ISSN 0921-5093 . 
  12. ↑ باجونيس، إي.؛ تشوليست، ر.؛ شتشيربا، إم. جيه.؛ لوفنبرغ، إم. (15 يوليو 2014). "تفعيل ذاكرة الشكل المغناطيسية عند درجات حرارة عالية في بلورة أحادية من النيكل-المنغنيز-الغاليوم". سكريبت ماتيرياليا . 83 : 29-32 . doi : 10.1016/j.scriptamat.2014.04.001 .
  13. ↑ أسيرنو، آرون؛ تومان، جاكوب؛ كيمس، كاترينا؛ مصطفائي، أمير؛ بوين، ميركو؛ ويمبوري، روبرت؛ تشميلوس، ماركوس (أغسطس 2020). "نمو الحبيبات، والمسامية، وتغيرات الصلابة في سبائك ذاكرة الشكل المغناطيسية Ni-Mn-Ga المطبوعة ثلاثية الأبعاد بتقنية نفث الرابط، بعد التلبيد والمعالجة الحرارية" . المجهر والتحليل المجهري . 26 (ملحق 2): 3082-3085 . رمز Bibcode : 2020MiMic..26S3082A . doi : 10.1017/S1431927620023764 . ISSN 1431-9276 . S2CID 225351376 .  
  14. ↑ رشيدي، سامان؛ إحساني، محمد حسين؛ شكوري، ميثم؛ كريمي، نادر (2021-11-01). "إمكانيات سبائك الذاكرة الشكلية المغناطيسية في حصاد الطاقة" . مجلة المغناطيسية والمواد المغناطيسية . 537 168112. Bibcode : 2021JMMM..53768112R . doi : 10.1016/j.jmmm.2021.168112 . ISSN 0304-8853 . 
  15. ↑ كيم، مين-سو؛ هيو، جاي-كيونغ؛ رودريغ، هوغو؛ لي، هيون-تايك؛ بان، سلفادور؛ هان، مين-وو؛ آن، سونغ-هون (19 أبريل 2023). "محركات سبائك الذاكرة الشكلية: دور المادة والشكل وتأثيرات القياس" . المواد المتقدمة . 35 (33). doi : 10.1002/adma.202208517 . ISSN 0935-9648 .