سبائك الذاكرة تعيد تشكيل مستقبل الهندسة الميكانيكية

1 مقدمة

في تاريخ المواد الهندسية، نحن ندخل حقبة جديدة تمامًا من الذكاء. ومن بين هذه المواد، تتألق سبائك ذاكرة الشكل (SMA ) كنجم لامع. تمتلك هذه المادة العجيبة القدرة على تذكر شكلها الأصلي واستعادة شكلها الأولي من حالة التشوه في ظل ظروف معينة، مثل التسخين. ويتجاوز هذا المزيج الفريد من تأثير ذاكرة الشكل والمرونة الفائقة حدود المعادن التقليدية، مما يؤدي إلى ابتكار عميق في العديد من المجالات المتطورة - من تطبيقات الفضاء والتطبيقات الطبية الحيوية إلى الروبوتات الدقيقة. وبالتالي، فإن استكشاف كيفية استفادة سبائك الذاكرة من مزاياها الكامنة للتغلب على الاختناقات في الآلات التقليدية - مثل التعقيد الهيكلي وكفاءة الطاقة والقدرة على التكيف البيئي - مع تحليل قيمة تطبيقاتها الأساسية ومسار تطورها المستقبلي، يبرز كمسعى بحثي مهم للغاية.

الشكل 1 سبائك الذاكرة

2 آلية وخواص سبائك ذاكرة الشكل وخصائصها

2.1 الآلية الأساسية: التحوّل الطوري المارتنزيتي

التحوّل المارتنزيتي هو تحوّل طوري غير منتشر، يُعرف أيضًا باسم التحوّل من نوع الإزاحة. بالمعنى الدقيق للكلمة، ضمن التحوّلات من نوع الإزاحة، فقط تلك التي تحدث فيها الإزاحة الذرية عن طريق القص، مع الحفاظ على استمرارية الواجهة والتشوه المرن الكلي المتماسك بين المراحل، مع طاقة إجهاد كافية لتغيير حركية التحوّل الطوري وشكل المنتج، تُعتبر تحوّلات مارتينسيتية. تحوُّل طوري حيث يتم استبدال الذرات دون انتشار (أي يبقى التركيب وعلاقات الجوار الأقرب دون تغيير) ويخضع للقص (مما يؤدي إلى علاقة موضعية بين الطور الأم والمارتنسيت)، وبالتالي تغيير شكلها. يشير هذا التحوّل بشكل عام إلى تحوّلات طور التنوي والنمو من الدرجة الأولى (التي تتميز بتغيّرات مفاجئة في الحرارة والحجم، مثل التفاعلات الطاردة للحرارة والتوسع).

يُظهر التحوّل المارتنزيتي تأثيرات حرارية وحجمية، حيث تتضمن عملية التحوّل التنوي والنمو. ومع ذلك، لا يوجد نموذج شامل حتى الآن لشرح كيفية تكوّن النوى ونموها. معدلات نمو المارتينسيت مرتفعة بشكل عام، وتصل في بعض الأحيان إلى 10 سم/ثانية. يُفترض أن تكوين العيوب البلورية (مثل الخلع) في الطور الأصلي يؤثر على تنوي المارتينسيت. ومع ذلك، لا يمكن للتقنيات التجريبية حتى الآن رصد تكوين الخلع عند حدود الطور، مما يحول دون فهم كامل لعملية التحول المارتنسيتي. يمكن تلخيص خصائصها على النحو التالي:

التحوّل المارتنسيتي هو تحوّل طوري غير منتشر. خلال هذه العملية، لا تخضع الذرات لسير عشوائي أو قفزات متتابعة عبر الواجهات. وبالتالي، يرث الطور الجديد (المارتينسيت) التركيب الكيميائي والترتيب الذري والعيوب البلورية للطور الأم. وتخضع الذرّات لإزاحة منظّمة، مع الحفاظ على مواضعها النسبية مع الذرّات المجاورة. وتكون هذه الإزاحة من نوع القص. وتولِّد الإزاحة الذرية الناتجة انزياحًا ذريًا (أو تشوهًا) للشبكة. ولا تؤدي إزاحة القص هذه إلى تغيير البنية الشبكية للمرحلة الأم فحسب، بل تُحدِث أيضًا تغييرات في الشكل العياني. افترض وجود خط مستقيم PQRS محفور على سطح عينة مصقولة. إذا خضع جزء من العيّنة (A1B1C1D1-A2B2C2D2D2) لتحوّل مارتينسيتي (مكوّنًا مارتينسيت)، سينحني الخط PQRS إلى ثلاثة أجزاء متصلة: PQ، وQR' وR'S'، بينما يظل المستويين A1B1C1D1 وA2B2C2D2 عند السطح البيني ثنائي الطور خاليًا من الانفعال والدوران، ويُطلق عليهما المستويان المعتادان (الترسيب). يُطلق على هذا التغيُّر في الشكل اسم الإجهاد المستوي الثابت. يخلق التشوه الناتج نتوءات على سطح العينة المصقول مسبقًا. تكشف النتوءات السطحية في المارتينسيت الفولاذي عالي الكربون عن إمالة السطح البيني أثناء تكوين المارتينسيت. تحت المجهر التداخلي، يظهر ارتفاع هذه النتوءات وحوافها الحادة والمحددة جيداً.

الشكل 2 التحول الطوري المارتنسيتي

2.2 ميزتان رئيسيتان

1. تأثير ذاكرة الشكل، SME

يشير تأثير ذاكرة الشكل إلى قدرة SMA على استعادة شكلها الأولي المحفوظ بالكامل بعد خضوعها للتشوه البلاستيكي عند درجات حرارة منخفضة، وذلك بتسخينها فوق درجة حرارة حرجة (تُعرف بدرجة حرارة اكتمال التحول الأوستنيتي، Af).

إن قدرة الذاكرة في سبائك ذاكرة الشكل ليست متأصلة ولكن يتم نقلها من خلال عملية معالجة ميكانيكية حرارية تسمى التدريب. وبشكل أساسي، تخلق هذه العملية اتجاهًا مفضلًا داخل المادة من خلال المعالجة الحرارية والتشوه، حيث تعمل كقالب لتكوين المارتينسيت أثناء التبريد واستعادة الأوستينيت أثناء التسخين.

تتضمن عملية التدريب في المقام الأول الخطوات التالية:

ضبط الشكل: يتم تسخين السبيكة إلى درجة حرارة عالية جدًا (عادةً ما تكون أعلى بكثير من درجة حرارة Af، على سبيل المثال، أكثر من 500 درجة مئوية) ومعالجتها إلى شكل الذاكرة المطلوب (على سبيل المثال، سلك مستقيم). عند درجة الحرارة المرتفعة هذه، تتواجد السبيكة في طور الأوستينيت، حيث تُظهر بنية بلورية مكعبة عالية الترتيب. ويؤدي الحفاظ على هذا الشكل أثناء المعالجة الحرارية المطوّلة إلى طبع هذه البنية المرتّبة بفعالية باعتبارها الشكل النهائي الذي سيتم استعادته.

التقييد والتبريد: يتم تبريد السبيكة في ظروف مقيدة (على سبيل المثال، ثنيها في ملف وتثبيتها قبل التبريد). تضمن هذه العملية أنه أثناء التحولات الطورية اللاحقة، يتم تحرير حقول الإجهاد الداخلي على طول المسار المحدد مسبقًا.

التثبيت: بعد عدة دورات تبريد وضغط حراري متعددة، تتشكل مصفوفات خلع مستقرة ومجالات إجهاد داخل السبيكة. وهذا يمكّن المادة من تعلّم التحوّل القابل للانعكاس بين شكلين: أحدهما في طور المارتينسيت منخفض الحرارة والآخر في طور الأوستينيت عالي الحرارة.

تُظهر سبائك ذاكرة الشكل في المقام الأول إما ذاكرة أحادية الاتجاه أو ثنائية الاتجاه. والذاكرة أحادية الاتجاه هي النوع الأكثر شيوعًا. بعد التشوه عند درجات حرارة منخفضة، تستعيد السبيكة شكل ذاكرتها من خلال التسخين فقط. ومع ذلك، عند التبريد اللاحق، لا تعود تلقائيًا إلى الشكل المشوه وتتطلب قوة خارجية. وتعتمد معظم التطبيقات التجارية (مثل الدعامات والمشغلات) على هذا التأثير. يمكّن تأثير الذاكرة ثنائية الاتجاه، الذي يتحقق من خلال التدريب المتخصص، السبيكة ليس فقط من العودة إلى شكلها في درجات الحرارة العالية (الأوستينيت) عند التسخين، ولكن أيضًا العودة تلقائيًا وبشكل عكسي إلى شكلها المميز في درجات الحرارة المنخفضة (المارتينسيت) أثناء التبريد. ويسمح هذا التأثير بالتدوير بين الشكلين دون قوة خارجية، على الرغم من أن عملية التدريب أكثر تعقيدًا وعادةً ما تؤدي إلى عمر إجهاد أقصر.

الشكل 3 تأثير ذاكرة الشكل

2. اللدونة الفائقة، المرونة الفائقة، المرونة الزائفة/المطاطية الزائفة

تشير المرونة الفائقة إلى الظاهرة التي يخضع فيها SMA، عند تعرضه لقوى خارجية أعلى من درجة حرارة أف (أي في مرحلة الأوستينيت بالكامل)، لتشوه بلاستيكي يتجاوز على ما يبدو تشوه المعادن التقليدية (يصل إلى 8% أو أعلى). ومع ذلك، عند التفريغ، يتعافى التشوه على الفور وبشكل تلقائي. ولأنه يبدو وكأنه تشوه مرن ولكنه ينطوي على نطاق إجهاد واسع، يُطلق عليه اسم المرونة الفائقة أو المرونة الزائفة.

والجوهر الفيزيائي لهذه الظاهرة هو التحول الطوري المارتنسيتي الناجم عن الإجهاد. عندما تكون المادة في الحالة الأوستنيتيّة (مرحلة ذات درجة حرارة عالية مع بنية بلورية مستقرة)، يؤدي تطبيق الإجهاد الذي يتجاوز الحد الحرج إلى استسلامها ليس من خلال انزلاق الخلع (آلية التشوه اللدائني التقليدية في المعادن)، ولكن من خلال إحداث تحول موضعي للأوستنيت إلى مارتينسيت. يُطلق على هذا المارتنسيت اسم مارتينسيت المارتنسيت الحراري المرن الناجم عن الإجهاد. يستهلك التحوّل الطوري طاقة ميكانيكية تظهر على شكل هضبة إجهاد (منطقة مسطحة تقريبًا على منحنى الإجهاد-الإجهاد حيث يزداد الإجهاد بشكل كبير بينما يظل الإجهاد ثابتًا إلى حد كبير). عندما ينخفض الإجهاد إلى ما دون عتبة حرجة أخرى، يخضع المارتينسيت لتحوّل عكسي فوري إلى الأوستينيت - حيث إنه غير مستقر ديناميكيًا حراريًا فوق درجة حرارة أف - مما يؤدي إلى استعادة الشكل العياني الكامل. وبالمثل تشكل عملية الاسترداد هذه هضبة إجهاد.

تُستخدم سبائك النيتنول والنيترول والنيترول الفائق المرونة (النيتينول) على نطاق واسع في إطارات النظارات وأسلاك تقويم الأسنان والآليات اللينة والدعامات الوعائية. تُظهر هذه المنتجات مرونة فائقة في درجة حرارة الغرفة (أعلى من درجة حرارة النيتينول في النيتنول)، مما يمكّنها من تحمل تشوه كبير دون حدوث ضرر دائم.

الشكل 4 محاكاة ضغط المواد فائقة المرونة

2.3 الأنواع الشائعة

من بين العديد من سبائك ذاكرة الشكل، يبرز النيتينول بلا شك باعتباره الممثل الأكثر تميزًا والأكثر تطبيقًا على نطاق واسع. تشتهر هذه السبيكة المصنوعة من النيكل والتيتانيوم بخصائصها المتميزة، حيث تتميز بأعلى معدل لاستعادة شكل ذاكرة الإجهاد والمرونة الفائقة، إلى جانب عمر إجهاد استثنائي وتوافق حيوي ممتاز. هذه الصفات تجعله الدعامة الأساسية بلا منازع في مجالات الزرع الطبي مثل دعامات القلب والأوعية الدموية وأسلاك تقويم الأسنان. وعلى الرغم من ارتفاع تكلفته ومعالجته المعقدة، إلا أن القدرة على التحكم الدقيق في درجات حرارة الانتقال الطوري من خلال تعديل تركيبته تجعله لا غنى عنه في مجال الفضاء الجوي والروبوتات الدقيقة.

الشكل 5 سلك توجيه النيتينول

في المقابل، تتبع سبائك ذاكرة الشكل القائمة على النحاس، والمتمثلة في النحاس والزنك والنيكل والنحاس، مسارًا مختلفًا. تكمن أكبر ميزة لها في التكلفة المنخفضة والقدرة على تنشيط تأثيرات الذاكرة في درجات حرارة أعلى. ومع ذلك، فإن قيود أدائها واضحة أيضًا: عادةً ما تُظهر تباطؤًا حراريًا كبيرًا، وعمرًا منخفضًا للتعب، وهشاشة متأصلة. وتحد هذه الخصائص من استخدامها في التطبيقات عالية الدقة والموثوقية العالية، مما يحصرها في المقام الأول في المنتجات التجارية الحساسة من حيث التكلفة مثل المفاتيح الحرارية والموصلات الكهربائية.

وقد كانت سبائك ذاكرة الشكل القائمة على الحديد، وخاصة سبائك Fe-Mn-Si، رائدة في اتجاه آخر مهم. وتنبع جاذبيتها الأكبر من تكاليف المواد الخام المنخفضة للغاية إلى جانب القوة والصلابة العالية التي تضاهي الفولاذ العادي. وعلى الرغم من أنها تُظهر إجهاد استرداد أقل ومرونة فائقة أقل وضوحًا، إلا أن قابليتها الممتازة للتشغيل الآلي (خصائص الصب والدرفلة واللحام الجيدة) وقدرتها على توفير قوى دافعة كبيرة تجعلها مناسبة للغاية للتطبيقات الهندسية الكلية مثل وصلات خطوط الأنابيب ومخمدات الزلازل الهيكلية واسعة النطاق. وهذا يوضح الإمكانات الهائلة لتكنولوجيا ذاكرة الشكل في التطبيقات الصناعية واسعة النطاق.

3 التطبيقات الأساسية لسبائك ذاكرة الشكل في الهندسة الميكانيكية

3.1 التشغيل والقيادة الذكية

يكمن المبدأ الأساسي لتطبيقات سبائك ذاكرة الشكل في سلوكها الفريد من نوعه في الانتقال الطوري الديناميكي الحراري: عند تسخينها فوق درجة الحرارة الحرجة، تتحول السبيكة من طور المارتينسيت منخفض الحرارة إلى طور الأوستينيت. ويؤدي ذلك إلى إعادة ترتيب عكسي لهيكلها البلوري الداخلي، وهو ما يظهر بشكل ماكروسكوبي كقدرة المادة على الانكماش وتوليد قوة استعادة كبيرة. وتحول هذه العملية مباشرةً الطاقة الحرارية المدخلة إلى طاقة ميكانيكية ناتجة. وعلى العكس من ذلك، أثناء التبريد، تعيد المادة توجيهها بسهولة تحت تأثير القوة الخارجية، استعدادًا لدورة العمل التالية. إن هذا التحويل المتكامل للطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية يجعلها مادة تشغيل ذكية مقنعة بشكل استثنائي.

في قطاع الطيران عالي التقنية، تجد قدرات التشغيل لسبائك ذاكرة الشكل تطبيقات بارعة في قطاع الطيران عالي التقنية. على سبيل المثال، تحتاج الطائرات الحديثة إلى شبكات أنابيب سحب قابلة للتعديل ديناميكيًا لتحسين كفاءة المحرك بناءً على السرعة والارتفاع. وتُعد الأنظمة الهيدروليكية أو المحركات التقليدية معقدة ومرهقة، في حين يمكن التحكم بدقة في المشغلات المصنوعة من سبائك الذاكرة الشكلية عن طريق التسخين الكهربائي البسيط للتمديد أو السحب، وتنظيم فتح الشبكة وإغلاقها بدقة. علاوة على ذلك، في تكنولوجيا الأجنحة المتكيفة، تتيح مكونات السبائك المدمجة في جلود أو هياكل الأجنحة تغييرات سلسة ومستمرة في الشكل الديناميكي الهوائي من خلال التحكم في درجة الحرارة. وهذا يحل محل أسطح التحكم المفصلية التقليدية، مما يقلل بشكل كبير من السحب والضوضاء. في البيئات الفضائية، يجب طي الألواح الشمسية والهوائيات الخاصة بالأقمار الصناعية بإحكام أثناء الإطلاق لتلائم داخل الإنصاف، ثم نشرها بشكل موثوق بعد الإدخال المداري. يمكن لآليات التحرير أو مفصلات النشر القائمة على سبائك ذاكرة الشكل أن تكمل مهام النشر بسلاسة وهدوء عند استشعار الإشعاع الحراري في الفضاء أو التنشيط بواسطة السخانات الموجودة على متن المركبة، مما يوفر موثوقية أكبر بكثير من آليات التفجير النارية التقليدية.

في مجال الروبوتات، تقود سبائك ذاكرة الشكل ثورة في طرق التشغيل. ويتم الترحيب بها باعتبارها المادة المثالية لصنع عضلات اصطناعية. في الروبوتات الإلكترونية، يمكن للأصابع أو الأعناق أو مفاصل الأطراف محاكاة تقلص واسترخاء حزم العضلات باستخدام أسلاك النيتينول المجمعة. من خلال التحكم في إيقاعات التسخين والتبريد من خلال التيارات النبضية، تحقق هذه العضلات المصنوعة من السبائك حركة شبه طبيعية مع تبسيط هياكل النقل التقليدية مثل التروس والمحركات بشكل كبير، مما يقلل بشكل كبير من الوزن الإجمالي. وتظهر هذه الميزة بشكل خاص في الروبوتات الدقيقة والروبوتات اللينة، حيث تصبح المحركات الكهرومغناطيسية التقليدية غير فعالة في هذه المقاييس. يمكن أن توفر أسلاك سبائك الذاكرة ذات الشكل إخراج طاقة فعالة حتى على مستوى المليمتر أو الميكرومتر، مما يدفع مفاصل أو زعانف الروبوتات الدقيقة لتحقيق حركات زحف أو سباحة حاذقة.

وفي مجال الأتمتة الصناعية، تقدم مشغلات سبائك الذاكرة الشكلية حلولاً جديدة بفضل تشغيلها الصامت وخصائصها غير المغناطيسية وتصميمها المدمج. وتمثل أنظمة التحكم في الموائع الدقيقة مثالاً على هذا التطبيق. تولد صمامات الملف اللولبي التقليدية ضوضاء وتداخل مغناطيسي أثناء التشغيل، مما يشكل مخاطر في البيئات المقاومة للانفجار أو البيئات النظيفة. وعلى النقيض من ذلك، فإن الصمامات الدقيقة التي يتم تشغيلها بواسطة نوابض من سبيكة ذاكرة الشكل تنظم الفتح بدقة عبر إشارات تسخين كهربائية قابلة للبرمجة، مما يتيح التحكم في تشغيل/إيقاف تشغيل السوائل وتنظيم التدفق. لا تولد هذه العملية أي ضوضاء مسموعة تقريبًا ولا تنتج أي تداخل كهرومغناطيسي، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب هدوءًا شديدًا وتوافقًا كهرومغناطيسيًا. وتشمل الأمثلة على ذلك الأدوات التحليلية الطبية ومعدات المختبرات الدقيقة وأنظمة التحكم في المناخ في السيارات الفاخرة.

الشكل 6 سبائك الذاكرة للتشغيل الذكي

3.2 التوصيلات الفعالة والتثبيت الفعال

يكمن مبدأ التطبيق الأساسي لسبائك ذاكرة الشكل في قدرتها على تحويل الطاقة الحرارية مباشرةً إلى طاقة ميكانيكية. تنشأ قوتها الدافعة من إجهاد الاسترداد الهائل الذي ينشأ أثناء التحول العكسي للمادة (التسخين لاستعادة المرحلة الأوستنيتية). ولا يتولد هذا الإجهاد عن طريق التأثيرات الكهرومغناطيسية التقليدية أو النقل الميكانيكي، بل ينبع من الطبيعة الجوهرية لإعادة ترتيب البنية البلورية الداخلية للمادة. وهذا يوفر الأساس المادي لتحقيق تشغيل ميكانيكي بسيط وموثوق به بشكل استثنائي.

في مجال الفضاء والأجهزة الدقيقة، يتم تطبيق هذا المبدأ ببراعة في تصنيع تجهيزات الأنابيب عالية الأداء. تتعرض وصلات أنابيب السوائل التقليدية مثل وصلات اللحام أو الوصلات الملولبة لخطر تركيز الإجهاد، أو الختم غير المتساوي، أو الارتخاء تحت الاهتزازات الشديدة. وتتميز تجهيزات الأنابيب من نوع الأكمام المصنوعة من نيتريد النيكل-تيتانيوم (NiTiN) ذات تأثير الذاكرة أحادية الاتجاه بقطر داخلي يتمدد ميكانيكيًا في درجات حرارة منخفضة. عندما يتم تسخينها فوق درجة حرارة التحويل في موقع التركيب، تنكمش بقوة إلى قطرها الأصغر المحفوظ. وهذا يخلق قوة تشبيك قوية ضد الأنبوب المتصل، مما يحقق إحكامًا موحدًا بزاوية 360 درجة. لا توفر هذه الوصلة إحكامًا استثنائيًا فحسب، بل تقاوم أيضًا التعب والاهتزاز بشكل فعال. وبما أن إجهاد الاسترداد موجود باستمرار، فإن موثوقيتها تفوق بكثير الطرق التقليدية، مما يجعلها لا غنى عنها في الأنظمة الهيدروليكية للطائرات، وخطوط الوقود، ومعدات التنقيب في أعماق البحار.

في الصناعات الميكانيكية والإلكترونية، تتألق أيضًا الخصائص فائقة المرونة لسبائك ذاكرة الشكل. وتُعد دبابيس التلامس في مقابس الدوائر المتكاملة مثالاً رئيسيًا على ذلك. فمع استمرار تقلص مسامير دبابيس الرقائق، تواجه المسابر التقليدية المحملة بنابض تحديات تعقيد التصنيع وضغط التلامس غير المستقر. تخضع دبابيس التلامس المصنوعة من أسلاك النيتينول فائقة المرونة لتحولات طورية ناتجة عن الضغط عند ضغطها بواسطة دبابيس الرقاقة أثناء الاختبار، مما يولد تشوهًا مرنًا كبيرًا وشبه ثابت. وعند تحرير الدبوس، تتعافى الدبابيس على الفور وبشكل كامل. توفر هذه العملية ضغط تلامس مستقر وقابل للتكرار بشكل استثنائي، مما يضمن سلامة الإشارة أثناء الاختبار. ويتيح العمر الافتراضي المتميز للتعب ملايين دورات الاختبار، مما يجعلها مكوناً أساسياً في اختبارات الموثوقية العالية.

علاوة على ذلك، يمتد هذا المبدأ إلى التثبيت التقويمي في الغرسات الطبية. في حين أن التوافق الحيوي أمر بالغ الأهمية، من منظور ميكانيكي، فإن مسامير أو ألواح ضغط العظام المصنوعة من سبائك ذاكرة الشكل - المزروعة في حالة مشوهة بدرجة حرارة منخفضة واستعادتها إلى شكلها بواسطة حرارة الجسم - توفر ضغطًا مستدامًا ذاتي التطبيق في مواقع الكسور. وهذا يعزز التئام العظام، مما يدل مباشرة على العمل الذي تقوم به القوة الترميمية للمادة.

الشكل 7 تستخدم سبائك الذاكرة في تطبيقات الفضاء الجوي

3.3 حماية السلامة والاستشعار

تنبع ذكاء سبائك ذاكرة الشكل من سلوكها الدقيق في الانتقال الطوري، حيث تستفيد تطبيقاتها الأساسية ببراعة من عتبتين حرجتين: درجة الحرارة الحرجة للانتقال الطوري والإجهاد الحرج. تعمل هذه المعلمات كمفاتيح ذكية للمادة. عندما تصل درجة الحرارة المحيطة أو الإجهاد الميكانيكي إلى نقطة حرجة محددة مسبقًا، فإنها تؤدي إلى انتقال طوري في المادة، مما يمكّنها من تنفيذ إجراءات ميكانيكية محددة مسبقًا أو تغيير خصائصها الميكانيكية الخاصة. وهذا يحقق استجابات تلقائية دون الحاجة إلى تحكم خارجي معقد.

في مجال أجهزة الحماية الحساسة حرارياً، يتم تسخير هذه الخاصية لبناء أنظمة أمان سلبية بسيطة وموثوقة بشكل استثنائي. ويتضمن المبدأ ضبط درجة حرارة الانتقال الطوري الحرجة لمكون SMA (مثل النابض أو المشغل) بدقة عند عتبة أمان محددة. على سبيل المثال، في آلية الزناد لمفتاح الحماية من الحرارة الزائدة الكهربائية أو إنذار الحريق، يظل زنبرك SMA المضغوط مسبقًا مضغوطًا في درجات الحرارة العادية، مما يحافظ على الاستمرارية الكهربائية. وبمجرد أن ترتفع درجة الحرارة المحيطة بسبب عطل أو حريق وتتجاوز درجة الحرارة الحرجة، يستعيد الزنبرك بسرعة حالة الاستطالة المخزنة، مما يولد إزاحة كبيرة لقطع الدائرة الكهربائية أو تنشيط جهاز الإنذار على الفور. هذه العملية بأكملها مدفوعة بالكامل بالخصائص المتأصلة في المادة، ولا تحتاج إلى مصدر طاقة أو أجهزة استشعار، مما يضمن الموثوقية المطلقة. وهي مناسبة تماماً للتطبيقات التي تتطلب أعلى معايير السلامة وتتطلب ضمانات سلبية.

وفي مجال التحكم في الاهتزازات الهندسية، يتم الاستفادة من خصائص تغيير الطور لمادة SMA لتطوير الجيل التالي من المخمدات الذكية. وتستخدم هذه التطبيقات مبدأ أكثر تطوراً، باستخدام كل من التحولات الطورية الناتجة عن درجة الحرارة والإجهاد. وعند دمجها كعنصر أساسي لتبديد الطاقة داخل المخمّد، يتم تصميم مكوّن SMA بعتبة إجهاد حرجة. أثناء الاهتزازات ذات السعة العادية في الهياكل مثل الجسور أو المباني الشاهقة أو المنصات الدقيقة، تظل مستويات الضغط أقل من هذه العتبة. في هذه الحالة، يبقى SMA في طوره الأوستنيتي، مما يوفر صلابة عالية للحفاظ على ديناميكيات التشغيل العادية. ومع ذلك، أثناء الأحداث القاسية مثل الرياح القوية أو الزلازل أو الصدمات الهائلة، تتسبب الاهتزازات الهيكلية المكثفة في حدوث ضغوط تتجاوز العتبة الحرجة. يؤدي ذلك إلى حدوث انتقال طوري مارتينسيتي داخل عنصر SMA. تمتص عملية الانتقال الطوري نفسها طاقة ميكانيكية كبيرة (طاقة الاهتزاز)، مما يؤدي إلى تخميد سعة الاهتزاز بسرعة. والأكثر ذكاءً أن الصلابة المتغيرة للمواد بعد التحوّل تُغيّر أيضًا التردد الطبيعي للهيكل، مما يمنع الرنين مع الإثارة الخارجية ويحمي بشكل أساسي سلامة الهيكل الرئيسي. تُظهر هذه القدرة المتكاملة لتبديد الطاقة وتعديل التردد الإمكانات الهائلة لمادة SMA كمادة ذكية لتعزيز مرونة الأنظمة الهندسية.

الشكل 8 حشية حساسة للحرارة يمكن التحكم في درجة حرارتها

3.4 امتصاص الطاقة وتبديدها

توفر قدرة التشوه فوق المرونة الفائقة لسبائك ذاكرة الشكل آلية فريدة لامتصاص الطاقة، تنبع بشكل أساسي من حلقات التباطؤ الكبيرة التي تظهر أثناء التحول الطوري المارتنسيتي الناجم عن الإجهاد وتحول الطور العكسي. عندما يتم تحميل عنصر SMA فائق اللدونة بمرونة فائقة، تستهلك هضبة الإجهاد الطاقة الميكانيكية لإكمال التحول من الأوستينيت إلى المارتنسيت. أثناء التفريغ، تتطلب هضبة الإجهاد للتحول العكسي طاقة أيضًا أثناء التفريغ. ويمثل الفرق بين هاتين الهضبتين - المنطقة التي تحيط بها حلقة التباطؤ - الطاقة الكبيرة التي تمتصها المادة وتبددها خلال دورة واحدة. هذه الخاصية الفيزيائية تجعلها مادة سلبية مثالية لتبديد الطاقة.

في هندسة الزلازل، يتم تطبيق هذا المبدأ على أنظمة المخمّدات في المباني والجسور من الجيل التالي. يتم دمج عناصر SMA فائقة المرونة هذه (غالباً ما يتم تصنيعها على شكل قضبان أو خيوط) في الدعامات أو الوصلات الإنشائية. وفي ظل اهتزازات الرياح التقليدية أو الأحداث الزلزالية الطفيفة، تظل الضغوط الهيكلية تحت العتبة الحرجة لمادة SMA. وتبقى المادة في حالتها الأوستنيتيّة الصلبة، مما يوفر صلابة كافية للتشغيل الهيكلي العادي. ومع ذلك، أثناء الأحداث الزلزالية الشديدة، يزداد التشوه الهيكلي بسرعة، مما يتسبب في تجاوز الضغوط داخل SMA العتبة الحرجة. يؤدي ذلك إلى حدوث انتقال طوري واسع النطاق ناجم عن الإجهاد. يعمل هذا الانتقال المرحلي مثل المصهر الميكانيكي، ويحول الطاقة الحركية الزلزالية العنيفة إلى حرارة من خلال تأثير التباطؤ، مما يؤدي إلى تبديدها بشكل فعال. تكبح هذه العملية الاهتزازات الهيكلية وتحمي الهيكل الرئيسي من التشوه الكارثي. والجدير بالذكر أنه بسبب مرونته الفائقة، يعود المخمّد تلقائياً إلى شكله الأصلي ووضعه الأصلي بعد إزالة الحمل بعد حدوث زلزال. وعلى عكس المخمدات التقليدية التي تتطلب الاستبدال، فإن هذا يحقق إعادة ضبط ذاتي للهيكل، مما يعزز بشكل كبير من التعافي الوظيفي بعد الزلزال.

في مجال حماية الإنسان من الصدمات البشرية، تعزز خصائص امتصاص الطاقة في مخمدات SMA فائقة المرونة من سلامة المعدات. على سبيل المثال، تشتمل الخوذات الرياضية عالية الأداء على مواد SMA أو طبقات مركبة داخل هياكل البطانة الداخلية. أثناء الاصطدامات، تؤدي قوة الصدمة الهائلة إلى حدوث تشوه فائق المرونة في مكونات SMA. تمكنها حلقة التباطؤ الواسعة من امتصاص وتبديد طاقة الصدمة بشكل أكبر بكثير من المواد المرنة الأخرى، وبالتالي تقلل بشكل أكثر فعالية من ذروة التسارع المنقولة إلى الرأس وتخفف من مخاطر الارتجاج. وبالمثل، فإن استبدال الأسلاك السفلية التقليدية بسلك NiTi فائق المرونة في هياكل دعم حمالات الصدر الرياضية لا يوفر فقط ليونة وراحة فائقة بل يوفر أيضاً حماية توسيد حاسمة أثناء الصدمات غير المتوقعة أو الحركة القوية. في لحظة الاصطدام، تمتص مكونات SMA طاقة الصدمات من خلال الانتقال الطوري، مما يخفف من قوة الصدر، ثم تعود تلقائيًا إلى شكلها الأصلي. وهذا يحافظ على متانة المنتج واستدامة وظيفة الحماية.

4 نقاط القوة والتحديات والتوقعات المستقبلية

4.1 ملخص المزايا الأساسية

تكمن الميزة الأساسية لسبائك ذاكرة الشكل في تعطيلها لنماذج تصميم الأنظمة الميكانيكية التقليدية. فهي تدمج وظائف التشغيل والاستشعار والوظائف الهيكلية في كيان واحد، مما يخلق نظامًا ذكيًا متكاملًا للغاية. وتتمثل أكثر ما يميزها في نسبة الطاقة إلى الوزن العالية بشكل استثنائي، مما يعني أنها يمكن أن تولد قوى تشغيل كبيرة أو تستعيد الضغوط بأقل كتلة ممكنة. تحمل هذه الخاصية أهمية ثورية للمجالات الحساسة للوزن مثل الفضاء والروبوتات الدقيقة، مما يعزز بشكل كبير من كفاءة طاقة النظام.

وفي الوقت نفسه، فإن الآلية التشغيلية لمشغلات SMA هي في الأساس انتقال طوري للحالة الصلبة. وهذا يلغي الحاجة إلى مكونات نقل معقدة مثل المحركات وعلب التروس التقليدية، مما يحقق مفهوم المادة كآلة. لا تعمل طريقة التشغيل هذه على تبسيط الهياكل الميكانيكية بشكل كبير من خلال تقليل الأجزاء المتحركة ونقاط الفشل المحتملة - وبالتالي تعزيز موثوقية النظام بشكل كبير - ولكنها توفر أيضًا مزايا نظيفة: التشغيل الصامت، وغياب التداخل الكهرومغناطيسي، وعدم وجود حطام تآكل. وهذا يجعل من SMA حلاً لا غنى عنه في معدات تصنيع أشباه الموصلات التي تتطلب نظافة مطلقة، والأدوات الطبية التي تتطلب بيئات هادئة، وأجهزة الكشف الدقيقة التي تحتاج إلى تجنب التداخل المغناطيسي.

وفي نهاية المطاف، فإن تعدد وظائف SMA يرفع قيمته إلى آفاق جديدة. فهو لم يعد مكوّنًا سلبيًا بل وحدة نشطة قادرة على استشعار المحفزات البيئية (مثل تغيرات درجة الحرارة أو الإجهاد) والاستجابة بذكاء (عن طريق القيادة أو تغيير الصلابة). ترسي هذه الوظيفة الثلاثية - الاستشعار والقيادة والدعم الهيكلي - الأساس المادي لبناء هياكل ذكية قابلة للتكيف حقًا، مما يمثل تطورًا عميقًا في الهندسة الميكانيكية من الاعتماد على الآليات المعقدة إلى تسخير الذكاء الكامن في المواد.

4.2 التحديات الحالية

على الرغم من الإمكانات التحويلية لسبائك ذاكرة الشكل، لا تزال سلسلة من التحديات الأساسية التي تتطلب حلولاً عاجلة تعيق مسارها نحو التطبيقات الهندسية واسعة النطاق. أولاً، سرعة استجابتها مقيّدة بسبب عملية التدوير الحراري المتأصلة فيها: ففي حين أن التسخين الكهربائي يمكن أن يؤدي إلى انكماش سريع في تغيير الطور، فإن التبريد اللاحق وتبديد الحرارة يعتمدان غالباً على التبادل الحراري البيئي. يحد عنق الزجاجة هذا بشدة من تردد التشغيل، مما يجعلها غير مناسبة للسيناريوهات التي تتطلب حركة ترددية عالية التردد.

ثانياً، توجد معضلة كفاءة الطاقة. فبينما تُظهر أجهزة SMAs كفاءة عالية في تحويل الطاقة عند توليد الإزاحة والقوة، فإن الحفاظ على أشكال أو حالات محددة (مثل الانكماش المستمر) يتطلب إدخالًا كهربائيًا مستمرًا لتعويض الفقد الحراري. ويؤدي ذلك إلى استهلاك كبير للطاقة الساكنة، مما يشكل عبئًا كبيرًا على الأجهزة المحمولة التي تعمل بالبطاريات أو المركبات الفضائية التي تخضع لعمليات مدارية طويلة الأجل.

بالإضافة إلى ذلك، تشكل التكاليف العالية للمواد وأنظمة التحكم عوائق أمام التسويق التجاري. إن المواد الخام وعمليات التصنيع الدقيقة لسبائك NiTiN عالية الأداء مكلفة. ويتطلب تحقيق تشغيل دقيق وموثوق به أنظمة داعمة بما في ذلك أجهزة استشعار درجة الحرارة ودوائر التغذية الراجعة وخوارزميات التحكم المعقدة، مما يزيد بشكل كبير من تعقيد الحل الكلي والتكلفة الإجمالية.

وأخيراً، تواجه الموثوقية على المدى الطويل تحدي عمر التعب. فخلال دورات الانتقال الطوري المتكررة، تتراكم الأضرار تدريجياً على المواد بسبب تكاثر الخلع الداخلي وهجرة حدود الحبيبات. ويؤدي ذلك إلى تدهور في الخصائص الحرجة مثل الإجهاد الدافع والإجهاد المسترد، مما يؤدي في النهاية إلى فشل المكوّن. يعد تعزيز استقرار ومتانة دورات الانتقال الطوري أمرًا أساسيًا لضمان التشغيل الموثوق في تطبيقات السلامة الحرجة. وتمثل هذه التحديات مجتمعةً العقبات الرئيسية التي تحد حالياً من الاعتماد الأوسع نطاقاً لسبائك ذاكرة الشكل.

الشكل 9 التطبيق في أنواع مختلفة من الأنظمة الروبوتية

4.3 اتجاهات التطوير المستقبلي

سوف يتكشف التطور المستقبلي لسبائك ذاكرة الشكل على بعدين: التغلب على العوائق الحالية وريادة نماذج تطبيقية جديدة تمامًا. يُظهر مسار تطورها التطوري تقاربًا عميقًا متعدد التخصصات. يكمن الإنجاز الأساسي في تطوير مواد جديدة. حيث يقوم الباحثون بتصميم وتصنيع أنظمة سبائك ذاكرة جديدة ذات درجات حرارة انتقالية أعلى، وعمر افتراضي أطول للتعب، وتكاليف أقل من خلال طرق مثل صناعة السبائك متعددة المكونات والترسيب النانوي. ومن الأمثلة على ذلك تطوير سبائك الذاكرة ذات درجة الحرارة العالية المستقرة فوق 200 درجة مئوية أو مواد عالية الأداء قائمة على الحديد والنحاس ذات قاعدة اقتصادية أكثر لتوسيع حدود استخداماتها.

وفي الوقت نفسه، سيؤدي تطور استراتيجيات التحكم الذكي إلى إطلاق العنان لإمكانات SMA بشكل كبير. من خلال دمج الذكاء الاصطناعي وخوارزميات التعلم الآلي، يمكن لأنظمة التحكم الاستفادة من البيانات التاريخية والتغذية الراجعة في الوقت الحقيقي للتنبؤ بدقة وإدارة سلوك الاقتران الحراري الميكانيكي المعقد للمواد SMA بشكل تكيّفي. يعوّض هذا النهج عن تحديات التحكم التي يفرضها التباطؤ غير الخطي، ويحقق مستويات لم يكن من الممكن تحقيقها سابقًا من أداء التشغيل السلس والدقيق والفعال.

ستعتمد هياكل الأنظمة المستقبلية بشكل متزايد فلسفات تصميم هجينة. لن يُنظر بعد الآن إلى أنظمة SMAs على أنها بدائل للمشغلات التقليدية بل كوحدات تعاونية مدمجة مع تقنيات التشغيل الأخرى - مثل المغناطيسات الكهربائية أو الأنظمة الهيدروليكية أو السيراميك الكهرضغطية - لتشكيل أنظمة هجينة. يهدف هذا النهج إلى الاستفادة من نقاط القوة التكميلية: على سبيل المثال، الاستفادة من نسبة الطاقة إلى الوزن العالية للمشغلات الكهرومغناطيسية SMAs والتشغيل الصامت للإزاحة الكلية مع استخدام الاستجابة السريعة للسيراميك الكهرضغطية من أجل الضبط الدقيق عالي التردد، وبالتالي دمج مزايا متعددة.

في نهاية المطاف، ستحدث تقنية التصنيع الإضافي (الطباعة رباعية الأبعاد) ثورة في حرية التصميم بالنسبة إلى SMA. فهي تتيح التصنيع المباشر للمكونات الذكية المتكاملة التي تتميز بهياكل داخلية معقدة وتسلسلات تشوه مبرمجة مسبقًا. وتحت محفزات محددة، تطوى هذه المكونات أو تنفتح أو تلتف بشكل مستقل من أشكال ثنائية الأبعاد أو ثلاثية الأبعاد بسيطة إلى تكويناتها الوظيفية النهائية وفقًا للتصاميم المبرمجة. وهذا يحقق بنية حقيقية كوظيفة، مما يوفر حلول تشوه ذكية مخصصة غير مسبوقة للروبوتات القابلة لإعادة التشكيل، وهياكل الفضاء الجوي التكيفية، والأجهزة الطبية من الجيل التالي.

5 الخلاصة

تُعيد سبائك ذاكرة الشكل، كممثلين بارزين للمواد الذكية، تشكيل نموذج تصميم الهندسة الميكانيكية بشكل أساسي من خلال تأثير ذاكرة الشكل الفريد والمرونة الفائقة. فهي تدفع الأنظمة الميكانيكية من التكوينات التقليدية التي تعتمد على التروس المعقدة والروابط والمحركات نحو التطور الذكي الذي يتميز بهياكل مبسطة بشكل كبير، ووزن أقل بكثير، ووظائف متكاملة للغاية. ولا يمثل ذلك مجرد تقدم في تقنية مادة واحدة، بل يمثل ثورة عميقة في فلسفة التصميم - حيث تتحول المهمة الأساسية للمهندسين من مجرد تصميم الآليات لتحقيق الحركة والوظيفة إلى "تصميم المادة نفسها". من خلال منح المواد استجابة ذكية جوهرية، تصبح المواد كيانات جديدة تمامًا قادرة على الاستشعار والقيادة وتحمل الأحمال الهيكلية.

واستشرافًا للمستقبل، ومع تحقيق علماء المواد اختراقات في تطوير سبائك جديدة (مثل سبائك الذاكرة ذات درجة الحرارة العالية والمنخفضة التكلفة) وخوارزميات التحكم التكيفي التي تتكامل بعمق مع تقنيات الذكاء الاصطناعي، ستصبح سبائك ذاكرة الشكل أكثر عمقًا في عالمنا الميكانيكي. وستتوسع إلى ما هو أبعد من التطبيقات الفضائية والطبية الحرجة إلى استخدامات صناعية أوسع نطاقاً وحياة يومية أوسع، مما سيؤدي إلى ظهور هياكل وأنظمة ذكية غير مسبوقة تتجاوز خيالنا الحالي. وفي نهاية المطاف، سيؤدي ذلك إلى حقبة ميكانيكية جديدة تتسم بالاستشعار الذاتي والاستجابة الذكية والتحوّل التكيّفي.

بالنسبة للمهندسين والمصممين الذين يتطلعون إلى استكشاف أو الحصول على هذه المواد المتقدمة، تقدم Stanford Advanced Materials (SAM) مجموعة شاملة من سبائك ذاكرة الشكل والمواد الذكية ذات الصلة لدعم الابتكار والتطبيق.

مرجع:

[1] Otsuka, K., & Wayman, C. M. (Eds.). (1999). مواد ذاكرة الشكل. مطبعة جامعة كامبريدج.

[2] Duerig, T., Pelton, A., & Stöckel, D. (1999). نظرة عامة على التطبيقات الطبية للنتينول. علوم وهندسة المواد: A, 273, 149-160.

[3] Lagoudas, D. C. (Ed.). (2008). سبائك ذاكرة الشكل: النمذجة والتطبيقات الهندسية. Springer Science & Business Media.

[4] Ma, J., Karaman, I., & Noebe, R. D. (2010). سبائك ذاكرة الشكل ذات درجة الحرارة العالية. International Materials Reviews, 55(5), 257-315.