O desenvolvimento de energia é uma área de aplicação significativa para 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 baixo grau, como calor residual, energia geotérmica e energia solar, pode ser convertida diretamente em energia mecânica para uso.
Com base neste princípio, uma variedade de motores térmicos foram desenvolvidos com sucesso, acelerando a miniaturização e portabilidade dos motores térmicos.
Nos últimos anos, pesquisadores em todo o mundo têm desenvolvido materiais com funções de memória, principalmente memória de forma, memória de temperatura e memória de cores. 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 de 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 serem desenvolvidos no século XXI.
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 formato.
Posteriormente, descobriu-se que as ligas de índio-tálio também apresentam efeito memória semelhante, mas devido ao alto custo não chamaram a atenção. Somente em 1963, quando 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 de pesquisadores e começaram as pesquisas sobre ela.
Nos últimos anos, 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).
I. Desenvolvimento de Ligas com Memória de Forma
1. Ligas com memória de formato de níquel-titânio
As ligas de níquel-titânio estão entre os materiais mais superiores e amplamente utilizados em ligas com memória de forma. Eles são caracterizados por boa ductilidade, resistência à memória de forma, deformação, resistência à corrosão, resistência elétrica e estabilidade, mas também têm alto custo.
Essas ligas apresentam comportamentos de memória de forma unidirecionais e bidirecionais, e a faixa de temperatura na qual exibem esses comportamentos pode ser expandida ou reduzida por meio de melhorias na liga.
Nos últimos anos, muitos países têm trabalhado numa série de ligas de níquel-titânio melhoradas, adicionando outros elementos para melhorar ainda mais as suas propriedades e reduzir os seus custos. Por exemplo, a adição de cobre ou vanádio, alumínio, cromo, zircônio e vestígios de cálcio pode melhorar significativamente sua tenacidade, usinabilidade e 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 bastante melhoradas.
A Sumitomo Electric Industries no Japão produz fios de liga com memória de forma esteticamente agradáveis adicionando cobre (ou alumínio, zircônio, vanádio, cobalto, ferro) a ligas de níquel-titânio e trefilando o fio após o tratamento de superfície, atendendo às demandas decorativas.
Cantoku, no Japão, desenvolveu um fio de liga de níquel-titânio com 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.
2. Ligas com memória de forma à base de cobre
As ligas com memória de forma à base de cobre são mais baratas e fáceis de moldar do que as ligas com memória de níquel-titânio, portanto, têm um potencial de desenvolvimento significativo.
No entanto, 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 aquecimento repetido.
Para melhorar as propriedades mecânicas das ligas com memória à base de cobre, podem ser adicionadas pequenas quantidades de titânio, manganês e zircônio. A liga com memória de forma à base de cobre com melhor desempenho e mais amplamente utilizada é a liga cobre-zinco-alumínio.
Esta liga possui alta condutividade térmica e é sensível às mudanças de temperatura, tornando-a 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.
No entanto, a resistividade das ligas de cobre-zinco-alumínio é inferior à das ligas de níquel-titânio, tornando-as inadequadas para situações de aquecimento eléctrico. A adição de ferro ou silício pode melhorar a sua resistência à corrosão.
Uma empresa em Tóquio, no Japão, desenvolveu com sucesso uma liga de cobre-níquel-alumínio com efeitos de memória de cores. Essa liga muda de vermelho para dourado em diversas temperaturas e pode ser amplamente utilizada na produção de artesanato, decoração, brinquedos e eletrodomésticos.
3. Ligas com memória de forma à base de ferro
As ligas com memória de forma à base de ferro são baratas e abundantes, 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, podem ser obtidas ligas de ferro-manganês-silício com bons efeitos de memória de forma. Estes têm alta resistência, mas baixa resistência à corrosão.
A adição de cromo pode melhorar significativamente sua resistência à corrosão. Ligas com memória de forma à base de ferro são agora amplamente utilizadas na fabricação de juntas de tubos, rebites e outros conectores, bem como acessórios. Eles não são apenas fáceis de instalar e operar, mas também seguros e confiáveis, o que os torna materiais funcionais promissores.
As ligas com memória de forma de aço inoxidável recentemente desenvolvidas no Japão não apenas apresentam excelentes características de recuperação de forma e resistência à corrosão, mas também exibem boa usinabilidade e resistência à oxidação em alta temperatura.
Além dos principais componentes 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 siderúrgicos tradicionais e fabricadas em produtos acabados usando métodos comuns, tornando-as extremamente versáteis.
II. Aplicações de ligas com memória de forma
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.
1. Uso em Automotivo, Robótica e Desenvolvimento de Energia para Controle Automático
As ligas com memória de forma funcionam como sensores de temperatura e elementos atuadores, tornando-as extremamente sensíveis para 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 na indústria automotiva, 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 de motores. O efeito 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 alcançou resultados encorajadores. 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 inserção direta de corrente pulsada de frequência variável 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 importante campo de aplicação para 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 baixo grau, como calor residual, energia geotérmica e energia solar, pode ser convertida diretamente em energia mecânica para uso.
Com base neste princípio, uma variedade de motores térmicos foram desenvolvidos com sucesso, acelerando a miniaturização e a redução dos motores térmicos.
2. Uso em dispositivos médicos para doenças dentárias e vasculares
A superelasticidade, biocompatibilidade e não toxicidade das ligas com memória de forma levaram à sua aplicação bem-sucedida na área médica.
Na odontologia, ligas com memória de forma podem ser usadas para criar raízes dentárias artificiais, alinhadores dentários e coroas dentárias. O dente artificial é fixado em uma goma de liga de níquel-titânio e abaixo dela há folhas de raiz de liga de dupla camada.
Através de cirurgia, essas folhas radiculares são unidas a baixas temperaturas e implantadas no osso alveolar. Sob a influência da temperatura corporal, as camadas radiculares invertem-se e recuperam a sua forma original em forma de oito, ancorando-se firmemente no osso alveolar.
Essas raízes dentárias artificiais são resistentes à corrosão e biocompatíveis e são amplamente utilizadas em odontologia.
Além disso, ligas com memória de forma também são utilizadas como fios de alinhamento dos dentes, que são superiores às feitas de aço inoxidável. A superelasticidade do clipe de liga de memória pode manter sua elasticidade por muito tempo, eliminando a necessidade de substituição devido ao relaxamento elástico.
Esta elasticidade a longo prazo pode encurtar o período de tratamento. Ligas com memória de forma também são usadas para fazer 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.
Dispositivos médicos para doenças vasculares feitos de ligas com memória de forma de níquel-titânio apresentam muitas vantagens.
Por exemplo, uma faca para remoção de embolia vascular feita de uma liga com memória de forma pode ser processada a baixa temperatura para formar uma forma cilíndrica.
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, embolias ou depósitos vasculares podem ser removidos.
Especialistas médicos também realizaram com sucesso cirurgias de remoção de aneurismas cerebrais usando uma pinça feita de uma combinação de fios de liga com memória de forma e fios de prata.
3. Uso em eletrodomésticos
As ligas com memória de forma também são amplamente utilizadas em eletrodomésticos, como aquecedores de alimentos, condicionadores de ar e panelas elétricas de arroz.
A Sharp Corporation, no Japão, utiliza 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 reduzindo os custos em dois terços.
A Panasonic Corporation usa ligas com memória de forma para fabricar aparelhos de ar condicionado de dupla utilização 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.
Este dispositivo é estável, leve, de baixo custo e sem ruído quando a porta eólica é iniciada, tornando-o popular entre os usuários. As ligas com memória de forma também são amplamente utilizadas na fabricação de termostatos para panelas elétricas de arroz.
Quando a temperatura subir, ele abrirá automaticamente e desconectará o circuito. Quando a temperatura cair para um determinado nível, ele reconectará a fonte de alimentação e manterá automaticamente a temperatura.
III. Ligas com memória de forma estão progredindo em direção à comercialização
Nos últimos anos, produtos de “memória” feitos de diversas ligas com memória de forma começaram a varrer o mercado, com um número crescente desses itens de “memória” entrando na vida cotidiana. A aplicação de ligas com memória de forma está avançando ainda mais em direção à comercialização.
Um sutiã de “memória” produzido por uma empresa japonesa de produtos diários foi imediatamente preferido pelas mulheres depois de chegar ao mercado. Este sutiã é feito de um fio fino e macio de liga de memória em formato de níquel-titânio, que é mais leve, mais macio, mais elástico e mais confortável do que os sutiãs tradicionais.
A sua maior vantagem é que pode voltar à sua forma original através da detecção da temperatura corporal, mesmo que se deforme após a lavagem.
Furukawa Electric Co., Ltd. no Japão produz armações de óculos em liga com memória de forma que podem mudar de forma à medida que a lente se expande e contrai, mantendo uma ligação estreita com a lente. A empresa também fabrica bonecos que podem mudar de 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 da temperatura, o que o torna extremamente popular entre as crianças.
Um fabricante japonês de calçados lançou os primeiros sapatos de couro do mundo feitos com ligas com memória de forma, que não são apenas macios e confortáveis, mas também evitam efetivamente a deformação dos sapatos.
O desenvolvimento de energia é uma área de aplicação significativa para 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 baixo grau, como calor residual, energia geotérmica e energia solar, pode ser convertida diretamente em energia mecânica para uso.
Com base neste princípio, numerosos motores térmicos foram desenvolvidos com sucesso, acelerando a miniaturização e portabilidade dos motores térmicos.
