أهم تطبيقات سبائك ذاكرة الشكل

تعد سبائك ذاكرة الشكل (SMAs) فئة فريدة من المواد الذكية القادرة على العودة إلى شكل محدد مسبقًا عند تعرضها لمحفز حراري أو ميكانيكي معين. وعلى عكس المعادن التقليدية، تُظهر سبائك ذاكرة الشكل (SMAs) تأثير ذاكرة الشكل والمرونة الفائقة، مما يمكّنها من الاستجابة بشكل ديناميكي لبيئتها. ومن بين هذه المعادن، تُعد سبائك النيتينول (سبائك النيكل والتيتانيوم) الأكثر استخدامًا، ولكن تلعب أيضًا المتعضيات المترابطة ذات الأساس النحاسي والحديدية أدوارًا مهمة في الهندسة. وبفضل قدرتها على الجمع بين وظائف الاستشعار والتشغيل والوظائف الهيكلية في مادة واحدة، تُستخدم الآن على نطاق واسع في التطبيقات الطبية والصناعية والفضائية والروبوتية والاستهلاكية.

[1]

الأجهزة الطبية - التطبيق الأكثر نضجًا والأعلى قيمة

يعد قطاع التكنولوجيا الطبية هو الأكثر رسوخًا وتنظيمًا للأجهزة الطبية. فهي متوافقة بيولوجيًا وتتسم بالمرونة وتتمتع بمقاومة كبيرة للإجهاد.

كما تُستخدم SMAs بشكل شائع في الدعامات الوعائية والأسلاك الإرشادية وزرعات تقويم العظام وأسلاك تقويم الأسنان والأجهزة الجراحية المختلفة. وتتمتع SMA فائقة المرونة بالقدرة على الخضوع لإجهادات كبيرة أثناء تركيب الجهاز في الجسم عن طريق ضغط الأسلاك. تخفف هذه الميزة إلى حد كبير من تلف الأنسجة.

وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا تسخير SMA للسماح بالنشر المنشط بدرجة الحرارة، وهو أمر ذو قيمة كبيرة في الدعامات ذاتية التمدد وأجهزة التثبيت. كما تضيف المتانة ومقاومة التآكل والتوافق مع تقنيات التصوير، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي، إلى الاستخدام المنقطع النظير وتفوق SMAs في هذا المجال.

قراءة ذات صلة: أهم 6 تطبيقات طبية للنتينول

المشغلات - بدائل مدمجة للمحركات والمكونات الهيدروليكية

تجد مشغّلات SMA تطبيقات رائعة حيثما كانت هناك حاجة إلى تلبية قيود المساحة ومتطلبات الضوضاء وكثافة القوة العالية. هنا، تختلف مشغلات SMA عن المشغلات التقليدية الأخرى لأنها لا تحتاج إلى تروس ميكانيكية ومحركات لتحويل الطاقة الحرارية.

يمكن العثور عليها بشكل عام في الأتمتة الصناعية، وتكنولوجيا الطيران، والإلكترونيات الاستهلاكية، وقطع غيار السيارات المختلفة. وكما ذكرنا، تشمل الأمثلة المختلفة الصمامات الحرارية، والفتحات التكيفية، وأنظمة الإغلاق، وتقنيات تحديد المواقع الدقيقة. نظرًا لأن SMAs لديها القدرة على كل من الاستشعار والتشغيل، فمن الواضح أن التعقيد يبقى عند الحد الأدنى.

وعلى الرغم من أن سرعة التشغيل تميل إلى أن تكون أبطأ بالنسبة لمشغلات SMA مقارنةً بالمشغلات الكهرومغناطيسية، إلا أن سهولة استخدامها وموثوقيتها تجعلها مناسبة للحالات التي تتطلب تدويرًا معتدلًا.

الفضاء الجوي - تخفيض الوزن والهياكل التكيفية

في هندسة الطيران، كل غرام له أهميته، وهذا هو أحد المجالات التي يتم فيها استخدام مشغلات SMA بشكل متزايد لتوفير أجهزة مرنة وخفيفة وخالية من الصيانة، سواء في الطائرات أو المركبات الفضائية.

وتتكون التطبيقات النموذجية من أجزاء الأجنحة وتخميد الاهتزازات والتحرير الحراري والهياكل الفضائية. في هذه التطبيقات، تعمل كبديل للأنظمة الميكانيكية المعقدة مع الحد الأدنى من الأجزاء، خاصةً في البيئات التي تحتوي على درجات حرارة وضغوط شديدة.

إن القدرة على العمل في الفراغ، والأداء في ظل التعرض للإشعاع، والعمل عبر نطاق واسع من درجات الحرارة يجعل هذه الأجهزة مناسبة للغاية لتقنيات استكشاف الأقمار الصناعية والفضاء.

الروبوتات - تمكين الحركة اللينة والمحاكاة الحيوية

تتمتع أجهزة SMAs بتطبيق كبير في تطوير الروبوتات اللينة وأجهزة المحاكاة الحيوية، حيث لا يمكن استخدام المشغلات الصلبة في مثل هذه الأنظمة.

وبفضل سلوكها العضلي الانقباضي، تتيح الأسلاك والنوابض في SMAs الحركات العضوية في القابضات الروبوتية والأطراف الاصطناعية والهياكل الخارجية القابلة للارتداء. كما أن طبيعة عملها الهادئة وحجمها المصغر يجعلها مناسبة للاستخدام في البيئات المتفاعلة مع الإنسان.

في الأنظمة الروبوتية الطبية وأنظمة إعادة التأهيل، تسهّل SMAs تطبيق القوة الناعمة والاستجابة لها. وبالتالي، فهي لا تعزز السلامة والراحة فحسب، بل تعزز أيضاً نمو الروبوتات باستخدام هذه المواد.

أنظمة السيارات - الموثوقية والاستجابة الحرارية

توظف صناعة السيارات مواد SMAs لتمكين المكونات ذات الاستجابة الحرارية والتنظيم الذاتي لضمان الموثوقية والبساطة الميكانيكية.

وتشمل التطبيقات الأكثر شيوعًا صمامات التحكم الحراري للمحرك، وتدفق الهواء المتكيف، والسلامة، بالإضافة إلى ميزات الراحة مثل المقاعد القابلة للتعديل والتهوية. وتحظى أنظمة SMAs بالتقدير بسبب متانتها أثناء الاستخدام بالإضافة إلى قدرتها على العمل بدون أجهزة أخرى، مثل المستشعرات، في بعض الحالات.

تضمن مقاومة الاهتزازات والظروف المعاكسة قابليتها للاستخدام في تطبيقات السيارات، خاصةً في السيارات الهجينة والكهربائية، حيث تكون كفاءة الطاقة مهمة للغاية.

الهندسة المدنية - هياكل ذاتية التكيف ومقاومة الزلازل

على سبيل المثال، في البنية التحتية المدنية، تجد مخمدات SMAs تطبيقًا في ضمان مرونة هيكلية أفضل في الأماكن المعرضة للزلازل.

تتمتع المخمدات والتعزيزات والموصلات القائمة على SMA بالقدرة على امتصاص القوى الزلزالية أثناء الزلازل. كما يعود الهيكل إلى وضعه الأصلي بعد الزلازل. لذلك، لا توجد تكاليف إعادة بناء.

تتمتع الجسور والمباني الشاهقة والمباني التاريخية المعدلة بفوائد كبيرة مع مواد SMA التي تتمتع بالقوة والمرونة والمتانة الكافية دون صعوبات في الصيانة.

الإلكترونيات الاستهلاكية - التصغير والوظائف الذكية

في الأجهزة الاستهلاكية المدمجة، تقدم SMAs حلولاً أنيقة في الحركة المصغرة والتحكم الدقيق.

قد تكون هذه الأجهزة أيضًا جزءًا من أنظمة التركيز البؤري التلقائي للكاميرا أو وحدات تثبيت الصورة البصرية وأنظمة التغذية المرتدة اللمسية والأجهزة الذكية القابلة للارتداء. وتوفر أجهزة SMA بشكل عام ميزة توفير المساحة وخالية من الضوضاء مقارنة بالأجهزة الحركية التقليدية.

ومع ازدياد الاهتمام بالأجهزة الإلكترونية الأكثر ذكاءً واستجابةً، ستستمر أجهزة SMA في المساعدة في تحقيق التقدم في شكلها ووظيفتها.

النفط والغاز والطاقة - المتانة في البيئات القاسية

يتم استخدام أجهزة SMAs أيضًا في أنظمة النفط والغاز والطاقة حيث يجب أن تعمل المكونات بشكل موثوق تحت الضغط الشديد ودرجة الحرارة والتآكل.

وتشمل التطبيقات الصمامات ذاتية التشغيل، ووصلات خطوط الأنابيب، وآليات تحرير السلامة، وأدوات قاع البئر. تُعد قدرة صمامات SMAs على العمل بدون طاقة خارجية أو أنظمة تحكم معقدة ذات قيمة خاصة في البيئات النائية أو التي يتعذر الوصول إليها.

تساهم مقاومتها للتآكل وأداءها في تقليل الصيانة وتحسين السلامة التشغيلية.

الجدول 1: خصائص سبائك ذاكرة الشكل المستخدمة في مختلف التطبيقات

الخاتمة

تعمل سبائك ذاكرة الشكل على سد الفجوة بين المواد والآلات. ومن خلال الجمع بين السلامة الهيكلية والاستجابة الذكية، فإنها تتيح تصميمات أبسط وموثوقية محسنة وإمكانيات وظيفية جديدة في مختلف الصناعات. ومع استمرار تطور معالجة المواد واستراتيجيات التحكم وخبرة التطبيق، من المقرر أن تلعب سبائك الذاكرة الشكلية دورًا أكبر في تشكيل مستقبل الأنظمة الهندسية الذكية. لمزيد من المواد المتقدمة، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

المرجع:

[1] Raza, Saza, Syed & Khan, Imran & Ahmad, Mairaj & Tahir, Danish & Iltaf, Asim & Naqvi, Rida. (2021). تأثير تعزيز حجم النانو-سيليكا النانو على البنية المجهرية والتوزيع الميكانيكي والطوري والسلوك الكهروكيميائي لمسحوق التيتانيوم والنيكل (Ti-Ni) مسبوق السبائك. المواد الهندسية الرئيسية. 875. 60-69.