Materiali a memoria di forma

I materiali a memoria di forma o Shape Memory Alloys (SMA) sono materiali intelligenti che presentano un accoppiamento termo-meccanico associato a trasformazioni di fase solida. Subiscono una trasformazione di fase reversibile allo stato solido, assumendo differenti strutture cristalline a diverse temperature.

Questa trasformazione di fase è anche conosciuta come trasformazione martensitica ed è simile a quella osservata negli acciai al carbonio.

Il cambiamento di temperatura viene spesso ottenuto utilizzando un impulso di corrente, in particolare nelle leghe di nichel-titanio, dove la resistività4 _{è ragionevole. Un cambiamento nella}

struttura del cristallo provoca cambiamenti dimensionali che sono in genere compresi tra l'1% e l'8%. Queste deformazioni possono essere indotte con carichi molto elevati, portando a densità di lavoro meccanico elevate (> 1 MJ / m3_).

Tipicamente la lega a memoria di forma si contrae ad alta temperatura ed è necessaria una tensione di trazione per riportarla allo stato originario dopo il raffreddamento. L'allungamento meccanico può essere evitato inducendo un effetto memoria a forma bidirezionale.

4 _{Il termine identifica una caratteristica specifica del materiale. Questa, unita ai parametri lunghezza e sezione, concorre} a determinare il valore della resistenza elettrica del materiale.

Fig. 38 Caratteristiche di deformazione in funzione della temperatura per materiali a memoria di. Forma 5

Oltre la minore sollecitazione, le prestazioni della lega a memoria di forma generalmente superano quelle degli elastomeri dielettrici. Tuttavia, gli attuatori basati su SMA soffrono di bassa efficienza (<5%) e risultano difficili da posizionare a causa della loro risposta dipendente dallo stress; inoltre le velocità di attuazione possono essere eccessivamente basse se utilizzate in aria.

Le leghe a memoria di forma ritornano alla loro forma originale mediante riscaldamento o qualche altro stimolo esterno, a condizione che la deformazione che subiscono rientri in un intervallo recuperabile. Il processo di deformazione e recupero della forma può essere ripetuto più volte e ciò offre la possibilità di utilizzarle, per esempio, in campo aeronautico, nei sistemi di controllo di volo. Proprio in questo contesto gli SMA sono in fase di valutazione per numerosi sistemi che trarrebbero beneficio come superfici di controllo e sistemi idraulici.

La lega a memoria di forma risultata più efficace e di più comune utilizzo è il nichel-titanio, dove il contenuto di titanio è del 45-50%. Queste sono disponibili e commercializzate con il marchio "Nitinol".

Esistono altre leghe non di titanio che hanno proprietà di memoria di forma, in particolare rame- zinco-alluminio e rame-alluminio-nichel, ma le loro prestazioni di memoria di forma e proprietà meccaniche non sono risultate altrettanto efficienti.

L'effetto memoria di forma è possibile perché si verifica un cambiamento di fase o, in altre parole, un cambiamento nella struttura cristallina nel materiale mediante l'applicazione di stress e calore.

Le leghe di nichel-titanio considerate per l'uso in aereo esistono in due fasi: martensite e austenite. Una lega a memoria di forma nella condizione indeformata (originale) esiste come martensite gemellata. La microstruttura della martensite gemellata è costituita da grani separati da confini gemelli. Quando la martensite gemellata viene deformata sotto un carico applicato esternamente, i confini gemelli si spostano per produrre martensite deformata. Questo cambiamento è chiamato una trasformazione spiazzante, che comporta il re-arrangiamento cooperativo degli atomi in una struttura cristallina diversa e più stabile senza una corrispondente variazione di volume.

L'effetto memoria di forma si verifica in quanto la martensite deformata si converte in martensite gemellata riscaldando la lega di nichel-titanio a una temperatura moderata. Il calore fornisce l'energia necessaria per trasformare la martensite deformata in austenite, che ha una struttura a cristalli cubici, che poi si trasforma in martensite gemellata dopo il raffreddamento. Quando la martensite deformata si converte nuovamente in martensite gemellata attraverso la fase di austenite, la lega recupera la sua forma originale.

Questo processo di cambiamento di forma sotto carico applicato e quindi recupero di forma mediante riscaldamento può essere ripetuto più volte. La temperatura a cui devono essere riscaldate le SMA per indurre l'effetto di memoria di forma è determinata dalla loro composizione chimica che, per le leghe di nichel-titanio, è compresa tra - 100 e + 100 ° C.

Vale la pena notare che esiste un limite di deformazione: non è infatti possibile ottenere il pieno recupero della forma quando il materiale è deformato oltre questo limite che per le leghe di nichel- titanio è di circa l'8,5%, che risulta sufficientemente elevato per molte applicazioni aerospaziali. Esiste una classe speciale di materiali, nota come leghe a memoria di forma ferromagnetiche, che recuperano la loro forma sotto un forte campo magnetico piuttosto che di calore.

L’utilizzo delle leghe di nichel-titanio è stato valutato per una varietà di componenti di velivoli: ad esempio le superfici di controllo, come flap, timoni e alettoni.

Il movimento di queste ultime infatti sulla maggior parte degli aeromobili moderni avviene utilizzando sistemi di attuatori idraulici, che sono pesanti, costosi e difficili da mantenere. Allo stato attuale è possibile ipotizzare di sostituire i sistemi idraulici con leghe a memoria di forma incorporate nella superficie di controllo. La figura seguente illustra il concetto di design di una "ala intelligente" che contiene una lega a memoria di forma per controllare e manipolare una superficie flessibile (Fig.37) L'ala contiene fili di lega a memoria di forma lungo la superficie superiore e inferiore. Quando l'ala si

flette, il filo superiore viene allungato trasformando così la lega da martensite gemellata a martensite deformata. Allo stesso modo, quando l'ala è piegata verso l'alto, il filo inferiore viene allungato e quindi trasformato in martensite deformata. L'effetto memoria di forma nei fili viene semplicemente indotto riscaldandoli usando una corrente elettrica, che fa sì che l'ala recuperi la sua forma originale. In questo modo, le leghe a memoria di forma possono essere utilizzate per far funzionare le superfici di controllo senza la necessità di sistemi idraulici convenzionali.

Gli SMA possono essere prodotti sia in filo che in lamiera. In ogni caso il passaggio di corrente attraverso genera la variazione di temperatura necessaria per produrre la variazione di forma. Quando viene tolta la tensione, il calore si dissipa e il materiale ritorna alla sua forma originale. SMA può essere utilizzato da solo come attuatore o incorporato nella matrice di una struttura composita. Considerate le possibili applicazioni in termini di regolazione delle appendici alari, l'industria navale è una delle aree che sta investendo maggiormente nello sviluppo di questo tipo di sistema che, tuttavia, appare più indicato per mezzi di dimensioni maggiori rispetto ai veicoli autonomi oggetto della presente ricerca.