El desarrollo energético es un área de aplicación importante para las aleaciones con memoria de forma. Utilizando la propiedad de las aleaciones con memoria de forma para cambiar de forma durante el calentamiento y el enfriamiento, la energía térmica de bajo grado, como el calor residual, la energía geotérmica y la energía solar, se puede convertir directamente en energía mecánica para su uso.
Sobre la base de este principio, se han desarrollado con éxito una variedad de motores térmicos, acelerando la miniaturización y portabilidad de los motores térmicos.
En los últimos años, investigadores de todo el mundo han desarrollado materiales con funciones de memoria, principalmente memoria de forma, memoria de temperatura y memoria de color. Entre ellos, el desarrollo de materiales de aleación con memoria de forma es el más rápido.
Debido al rendimiento superior y las amplias perspectivas de aplicación de los materiales de aleaciones con memoria de forma en áreas como automóviles, robótica, desarrollo energético, equipos médicos y electrodomésticos, se han convertido en uno de los nuevos materiales clave que se desarrollarán en el siglo XXI.
Las aleaciones con memoria de forma fueron los primeros materiales descubiertos con función de memoria. A principios de la década de 1950, expertos de la Universidad de Illinois en Estados Unidos descubrieron accidentalmente durante un experimento que las aleaciones de oro y cadmio tienen una función de memoria de forma.
Posteriormente se descubrió que las aleaciones de indio y talio también tienen un efecto memoria similar, pero debido a su elevado coste no llamaron la atención. No fue hasta 1963, cuando el Instituto de Investigación de Armas Navales de EE. UU. descubrió accidentalmente durante su investigación sobre aleaciones de níquel-titanio que estas aleaciones tenían un efecto de memoria de forma significativo.
También tienen muchas ventajas únicas que otros metales no tienen, como una excelente superelasticidad, resistencia a la corrosión y resistencia a las vibraciones. Este descubrimiento atrajo la atención de los investigadores y se inició la investigación al respecto.
En los últimos años, han surgido aleaciones con memoria de forma con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología, y se han desarrollado varias docenas de aleaciones con funciones de memoria de forma.
Actualmente, las aleaciones con memoria de forma más destacadas en uso práctico incluyen las series de níquel-titanio, cobre y hierro (o acero inoxidable).
I. Desarrollo de aleaciones con memoria de forma
1. Aleaciones con memoria de forma de níquel-titanio
Las aleaciones de níquel-titanio se encuentran entre los materiales más superiores y más utilizados en aleaciones con memoria de forma. Se caracterizan por una buena ductilidad, resistencia a la memoria de forma, deformación, resistencia a la corrosión, resistencia eléctrica y estabilidad, pero también tienen un alto coste.
Estas aleaciones exhiben comportamientos de memoria de forma unidireccionales y bidireccionales, y el rango de temperatura en el que exhiben estos comportamientos se puede ampliar o reducir mediante mejoras de la aleación.
En los últimos años, muchos países han estado trabajando en una serie de aleaciones mejoradas de níquel-titanio, añadiendo otros elementos para mejorar aún más sus propiedades y reducir sus costes. Por ejemplo, añadir cobre o vanadio, aluminio, cromo, circonio y trazas de calcio puede mejorar significativamente su tenacidad, maquinabilidad y capacidad de corte.
Además, la adición de elementos de tierras raras y boro, silicio, fósforo, azufre, etc., a las aleaciones de níquel-titanio-cobre puede dar como resultado aleaciones con memoria de forma con características de recuperación muy mejoradas.
Sumitomo Electric Industries en Japón produce alambres de aleaciones con memoria de forma estéticamente agradables agregando cobre (o aluminio, circonio, vanadio, cobalto, hierro) a aleaciones de níquel-titanio y trefilando el alambre después del tratamiento de la superficie, satisfaciendo las demandas decorativas.
Cantoku, en Japón, desarrolló un alambre de aleación de níquel y titanio con la mitad del diámetro de un mechón de cabello, que tiene buena capacidad de composición y tejido, elasticidad y sensibilidad térmica. Estas propiedades lo hacen ampliamente aplicable en áreas como válvulas de automóviles, calentadores de agua, reguladores de agua, reguladores térmicos eléctricos en miniatura y sujetadores.
2. Aleaciones con memoria de forma a base de cobre
Las aleaciones con memoria de forma a base de cobre son más baratas y más fáciles de moldear que las aleaciones con memoria de níquel-titanio, por lo que tienen un importante potencial de desarrollo.
Sin embargo, la resistencia de las aleaciones con memoria de forma a base de cobre es menor que la de las aleaciones con memoria de níquel-titanio, y su capacidad de memoria disminuye rápidamente con el calentamiento repetido.
Para mejorar las propiedades mecánicas de las aleaciones con memoria a base de cobre, se pueden añadir pequeñas cantidades de titanio, manganeso y circonio. La aleación con memoria de forma a base de cobre de mejor rendimiento y más utilizada es la aleación de cobre, zinc y aluminio.
Esta aleación tiene una alta conductividad térmica y es sensible a los cambios de temperatura, lo que la hace adecuada para fabricar componentes termosensibles. Países como Estados Unidos y Japón utilizan aleaciones de cobre, zinc y aluminio en abridores automáticos de ventanas para invernaderos y viveros para regular la temperatura ambiente.
Sin embargo, la resistividad de las aleaciones de cobre, zinc y aluminio es menor que la de las aleaciones de níquel-titanio, lo que las hace inadecuadas para situaciones de calentamiento eléctrico. Agregar hierro o silicio puede mejorar su resistencia a la corrosión.
Una empresa de Tokio, Japón, ha desarrollado con éxito una aleación de cobre, níquel y aluminio con efectos de memoria de color. Esta aleación cambia de rojo a dorado a diferentes temperaturas y puede ser ampliamente utilizada en la producción de artesanías, decoración, juguetes y electrodomésticos.
3. Aleaciones con memoria de forma a base de hierro
Las aleaciones con memoria de forma a base de hierro son baratas y abundantes, lo que las hace más competitivas. Las aleaciones con memoria de forma a base de hierro desarrolladas incluyen aleaciones de ferromanganeso, aleaciones de hierro-platino y aleaciones con memoria de forma de acero inoxidable.
Añadiendo silicio a aleaciones de manganeso se pueden obtener aleaciones de hierro-manganeso-silicio con buenos efectos de memoria de forma. Tienen alta resistencia pero baja resistencia a la corrosión.
Agregar cromo puede mejorar significativamente su resistencia a la corrosión. Las aleaciones con memoria de forma a base de hierro se utilizan ahora ampliamente en la fabricación de juntas de tuberías, remaches y otros conectores, así como accesorios. No sólo son fáciles de instalar y operar, sino también seguros y fiables, lo que los convierte en materiales funcionales prometedores.
Las aleaciones con memoria de forma de acero inoxidable recientemente desarrolladas en Japón no solo exhiben excelentes características de recuperación de forma y resistencia a la corrosión, sino que también exhiben buena maquinabilidad y resistencia a la oxidación a alta temperatura.
Además de los componentes principales de cromo, manganeso, silicio y hierro, estas aleaciones contienen una cierta cantidad de níquel o cobalto, cobre y nitrógeno.
Estas aleaciones de acero inoxidable con memoria de forma se pueden fundir en hornos de acero tradicionales y fabricar productos terminados utilizando métodos comunes, lo que las hace extremadamente versátiles.
II. Aplicaciones de las aleaciones con memoria de forma.
Las aleaciones con memoria de forma, debido a sus propiedades superiores, se utilizan ampliamente en dispositivos de control automático, robótica, industria automotriz, desarrollo energético, atención médica y bienes de consumo diario.
1. Uso en automoción, robótica y desarrollo de energía para control automático
Las aleaciones con memoria de forma funcionan como sensores de temperatura y elementos actuadores, lo que las hace extremadamente sensibles para el control automático. Uno de los usos más habituales de estas aleaciones es en frenos.
Actualmente se utilizan más de cien tipos diferentes de frenos con memoria de forma en la industria automotriz, principalmente para controlar motores, transmisiones y suspensiones para aumentar la seguridad, confiabilidad y comodidad.
Las aleaciones con memoria de forma también se utilizan en dispositivos de prevención de ruido en sistemas de transmisión manual y en dispositivos de control de gas combustible de motores. El efecto memoria y la superelasticidad de estas aleaciones se pueden aplicar a sensores de desplazamiento y frenos de robots industriales.
La aplicación de frenos de aleación con memoria de forma a robots ha logrado resultados alentadores. Utilizando resortes de aleación con memoria de forma y sus alambres de aleación, se pueden ensamblar pequeños robots. Al controlar la contracción de la aleación, los dedos del robot pueden abrirse, cerrarse y flexionarse.
La posición, acciones y velocidad del robot se controlan mediante la inserción directa de corriente pulsada de frecuencia variable en el elemento de aleación. La fuerza de recuperación de la forma está controlada por el tamaño de la cadena, lo que hace que los movimientos imiten los movimientos biológicos de los músculos.
Además, el desarrollo energético es otro campo importante de aplicación de las aleaciones con memoria de forma. Utilizando las propiedades de cambio de forma de las aleaciones con memoria de forma durante el calentamiento y el enfriamiento, la energía térmica de bajo grado, como el calor residual, la energía geotérmica y la energía solar, se puede convertir directamente en energía mecánica para su uso.
Sobre la base de este principio, se han desarrollado con éxito una variedad de motores térmicos, acelerando la miniaturización y reducción de tamaño de los motores térmicos.
2. Uso en dispositivos médicos para enfermedades dentales y vasculares.
La superelasticidad, biocompatibilidad y no toxicidad de las aleaciones con memoria de forma han llevado a su aplicación exitosa en el campo médico.
En odontología, las aleaciones con memoria de forma se pueden utilizar para crear raíces dentales artificiales, alineadores dentales y coronas dentales. El diente artificial se fija sobre una goma de aleación de níquel-titanio y debajo hay láminas radiculares de aleación de doble capa.
Mediante cirugía, estas láminas radiculares se unen a bajas temperaturas y se implantan en el hueso alveolar. Bajo la influencia de la temperatura corporal, las capas de la raíz se invierten y recuperan su forma original en forma de ocho, anclándose firmemente en el hueso alveolar.
Estas raíces de dientes artificiales son resistentes a la corrosión y biocompatibles y se utilizan ampliamente en odontología.
Además, como alambres para enderezar los dientes también se utilizan aleaciones con memoria de forma, que son superiores a las de acero inoxidable. La súper elasticidad del clip de aleación con memoria puede mantener su elasticidad durante mucho tiempo, eliminando la necesidad de reemplazo debido a la relajación elástica.
Esta elasticidad a largo plazo puede acortar el período de tratamiento. Las aleaciones con memoria de forma también se utilizan para fabricar coronas dentales, que pueden ajustarse automáticamente a medida que se desarrollan los dientes de los niños, reduciendo la incomodidad y el dolor de usar coronas dentales.
Los dispositivos médicos para enfermedades vasculares fabricados a partir de aleaciones con memoria de forma de níquel y titanio tienen muchas ventajas.
Por ejemplo, un bisturí de eliminación de embolia vascular hecho de una aleación con memoria de forma se puede procesar a baja temperatura para darle una forma cilíndrica.
Cuando se inserta en los vasos sanguíneos del paciente y se calienta a la temperatura corporal, la hoja del cuchillo se aplana automáticamente debido al efecto de memoria de forma y, al girarla, se pueden eliminar embolias o depósitos vasculares.
Los expertos médicos también han realizado con éxito cirugías de extirpación de aneurismas cerebrales utilizando fórceps hechos de una combinación de alambres de aleación con memoria de forma y alambres de plata.
3. Uso en electrodomésticos
Las aleaciones con memoria de forma también se utilizan ampliamente en electrodomésticos como calentadores de alimentos, aires acondicionados y ollas arroceras.
Sharp Corporation en Japón utiliza componentes de aleación con memoria de forma para controlar la conversión entre calentamiento por microondas y calentamiento por convección en calentadores de alimentos, reduciendo significativamente el volumen y el peso de los calentadores y reduciendo los costos en dos tercios.
Panasonic Corporation utiliza aleaciones con memoria de forma para fabricar aires acondicionados de doble uso con dispositivos de conversión de la dirección del viento.
La dirección del viento cambia significativamente: cuando la temperatura del viento está entre 32 y 37°C, sopla hacia abajo; cuando la temperatura del viento desciende a 25-32°C, automáticamente cambia a soplar horizontalmente.
Este dispositivo es estable, liviano, de bajo costo y no hace ruido cuando se inicia el puerto de viento, lo que lo hace popular entre los usuarios. Las aleaciones con memoria de forma también se utilizan ampliamente en la fabricación de termostatos para ollas arroceras.
Cuando la temperatura aumenta, se abrirá y desconectará automáticamente el circuito. Cuando la temperatura desciende a un cierto nivel, volverá a conectar la fuente de alimentación y mantendrá automáticamente la temperatura.
III. Las aleaciones con memoria de forma avanzan hacia la comercialización
En los últimos años, los productos "con memoria" fabricados a partir de diversas aleaciones con memoria de forma han comenzado a arrasar en el mercado, y un número cada vez mayor de estos artículos "con memoria" se incorporan a la vida cotidiana. La aplicación de aleaciones con memoria de forma avanza hacia la comercialización.
Un sujetador "con memoria" producido por una empresa japonesa de productos diarios fue inmediatamente preferido por las mujeres después de su lanzamiento al mercado. Este sujetador está hecho de alambre fino y suave de aleación con memoria de forma de níquel-titanio, que es más ligero, más suave, más elástico y más cómodo que los sujetadores tradicionales.
Su mayor ventaja es que puede volver a su forma original al detectar la temperatura corporal, incluso si se deforma después del lavado.
Furukawa Electric Co., Ltd. en Japón produce monturas de gafas de aleación con memoria de forma que pueden cambiar de forma a medida que la lente se expande y contrae, manteniendo una estrecha unión con la lente. La empresa también fabrica muñecas que pueden cambiar su peinado utilizando las propiedades únicas de las aleaciones con memoria de forma.
El cabello de la muñeca está hecho de alambre de aleación con memoria de forma a base de cobre, y el peinado puede cambiar con los cambios de temperatura, lo que lo hace extremadamente popular entre los niños.
Un fabricante de calzado japonés ha lanzado los primeros zapatos de cuero del mundo fabricados con aleaciones con memoria de forma, que no sólo son suaves y cómodos, sino que también evitan eficazmente que los zapatos se deformen.
El desarrollo energético es un área de aplicación importante para las aleaciones con memoria de forma. Utilizando la propiedad de las aleaciones con memoria de forma de cambiar de forma cuando se calientan y enfrían, la energía térmica de bajo grado, como el calor residual, la energía geotérmica y la energía solar, se puede convertir directamente en energía mecánica para su uso.
Sobre la base de este principio, se han desarrollado con éxito numerosos motores térmicos, acelerando la miniaturización y portabilidad de los motores térmicos.
