Diseño Mecánico

Materiales con memoria de forma, el Nitinol

1 junio, 2016
material con recuerdo de forma

Se podrían definir como aquellos materiales capaces de “recordar” su forma y capaces de volver a esa forma  después de haber sido deformados. Este efecto de memoria se puede producir por cambio térmico o magnético. Además son capaces de repetir este proceso infinidad de veces sin deteriorase.

Las materiales con “memoria” pueden ser producidos en muchas formas y tamaños, y desarrollarse para diversos usos. Aunque no son tan fuertes como el acero, son mucho más elásticos y sus propiedades les permiten adoptar la forma necesaria cuando se exponen a altas temperaturas.

Esta “memoria” hace que estos materiales tengan un amplio espectro de aplicaciones en el terreno de la electrónica y de la mecánica, se utilizan en teléfonos inteligentes, robótica, con fines médicos,  pero hasta el momento su desarrollo resultaba muy costoso. Sin embargo parece que este problema esta de fase de superación y ya se plantea la producción en masa de estos materiales en los próximos años.

Podemos considerar que  existen cuatro clases diferentes, según la naturaleza, o del material en sí, o del estímulo externo al que responden:

  • Aleaciones con Memoria de Forma (Shape Memory Alloys, SMAs).
  • Cerámicas con Memoria de Forma (Shape Memory Ceramics, SMCs).
  • Polímeros con Memoria de Forma (Shape Memory Polymers, SMPs).
  • Aleaciones Ferromagnéticas con Memoria de Forma (Ferromagnetic Shape Memory Alloys, FSMAs).

NITINOL

En este artículo nos vamos a centrar en una de las principales aleaciones con memoria: El  Nitinol.

Se trata de una aleación de níquel y titanio en proporciones casi equimolares y que tiene propiedades de memoria de forma excelentes. Esta aleación particular, tiene además muy buenas propiedades eléctricas y mecánicas, resistencia a la fatiga, y resistencia a la corrosión.

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El NiTi presenta todas las propiedades típicas en las Aleaciones con memoria de forma o SMA (por sus siglas en ingles):

  • Transformación martensítica termoelástica.
  • Memoria de forma simple.
  • Memoria de forma doble.
  • Superelasticidad.
  • Pseudoelasticidad.
  • Capacidad de amortiguamiento.

El estado por el cual estos materiales recuperan su forma es resultado de la transformación de fase sólida-sólida entre dos estructuras materiales, es decir, la austenita y la martensita.

En este tipo de transformación tenemos una fase de alta temperatura llamada austenita, también conocida como fase generatriz y de estructura cúbica. Si enfriamos el material, su estructura cambia y pasa a una estructura de laminillas, sumamente entretejidas y dispuestas en cortes alternados, llamada martensita. La estructura cortada en forma alternativa, es decir, en cortes opuestos consecutivos, conserva la forma general del cristal.

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Cuando este material se encuentra en frío, o por debajo de su temperatura de transformación, tiene un límite elástico muy bajo y se puede deformar con bastante facilidad en cualquier forma nueva, que se mantendrá. Sin embargo, cuando el material se calienta por encima de su temperatura de transformación experimenta un cambio en la estructura de cristal que hace que se vuelva a su forma original. Si la aleación se encuentra con cualquier resistencia durante esta transformación, puede generar fuerzas muy grandes. Este fenómeno ofrece un mecanismo único para el accionamiento remoto.

En el estado  de martensita, una SMA es muy fácil de deformar mediante la aplicación de tensiones, en virtud de la propagación del contorno de la macla. Si en esta etapa se elimina la carga, la deformación de la martensita persiste, lo cual le da la apariencia de una deformación plástica. Sin embargo, después de ser deformada en el estado martensítico, el calentamiento provoca una transformación de la martensita en austenita, con lo cual el componente recupera su forma original.

Estas propiedades hacen que sea un material capaz de recuperar una forma predeterminada después de haber sufrido una deformación macroscópica, y también pueda ser deformado elásticamente hasta un 8-10%.

Junto con estas propiedades únicas, han sido demostrados un buen comportamiento a corrosión, una buena biocompatibilidad (La biocompatibilidad describe las interacciones entre el sistema biológico vivo y el material introducido en este sistema). Y una buena citotoxicidad que hacen del NiTi un excelente candidato para aplicaciones biomédicas.

Aplicaciones

Una gran diversidad de aplicaciones ha sido desarrollada para este metal con memoria y otros materiales inteligentes.

Estos usos incluyen marcos de lentes, palos de golf, termostatos para recipientes de café, conectores eléctricos, pantallas solares, abrazaderas y elementos vibratorios estructurales para disminuir el efecto de los terremotos. Para la diversión se ha inventado una cuchara que se retuerce cuando toma contacto con agua caliente.

De igual forma las aleaciones con memoria son utilizadas para desplegar paneles solares y antenas en satélites y para controlar el balance en los rotores de las aspas de los helicópteros.

Las siguientes describirán con más detalle algunas aplicaciones:

Recubrimiento apretado. El mejor ejemplo de aplicación en este campo es indudablemente el acople hidráulico Cryofit desarrollado por Raychen Corporation. Estos anclajes son manufacturados como mangas apenas más pequeñas que la tubería de metal a unir. Su diámetro es expandido durante la martensita y, luego de calentarlos a austenita, se encogen y sostienen fuertemente los tubos. Los tubos hacen que el acople no pueda recuperar el diámetro con el que fue hecho, y la tensión que se genera es en muchos casos superior a la de una soldadura.

Similar a la anterior, el acople Betalloy es un acople de CuZnAl también diseñado y producido por Raychen Corporation para caños de aluminio y cobre. En este caso el cilindro de CuZnAl cuando se calienta actúa como un conductor y aprieta un forro tubular en los tubos a unir. La fuerza de unión es mejorada con un revestimiento adhesivo en el forro.

Fuerza de acción. En algunas aplicaciones, el componente con memoria es diseñado para ejercer fuerza en una amplia gama de movimientos, siempre por varios ciclos. Podría nombrarse la aplicación en el conector de tableros de circuitos cercanos desarrollado por Beta Phase Inc. En estos sistemas de conectores eléctricos las aleaciones con memoria son usadas para forzar la apertura de un resorte cuando el conector está caliente. Esto permite la inserción o el retiro libre de fuerza de una tarjeta de circuito en el conector. Luego de enfriarse, el NiTi se torna débil y el resorte lo deforma fácilmente mientras es cerrado fuertemente el tablero y se forman las conexiones.

Basados en el mismo principio, aleaciones de CuZnAl han encontrado importantes aplicaciones en esta área. Un ejemplo es una válvula de seguridad que incorpora CuZnAl diseñada para cerrar el flujo de un gas tóxico cuando ocurre un incendio.

Control Proporcional. Es posible utilizar solo una parte del recobramiento de la forma ya que el cambio se produce en una amplia gama de temperaturas y no a una única. Beta Phase Inc. ha desarrollado una válvula que controla el flujo de una sustancia, calentando un componente con memoria lo suficiente como para cerrar la válvula la cantidad deseada. Es posible usar esta técnica para posicionarse entre 0,25 mm.

Aplicaciones superelásticas. Un número de productos ha sido lanzado al comercio con propiedades pseudoelásticas (o superelásticas). Se han desarrollado marcos de anteojos de NiTi superelástico, para absorber grandes deformaciones sin romperse. Otros son los alambres utilizados en la ortodoncia los cuales deben resistir gran cantidad de reajustes.

Aplicaciones médicas. La característica más importante para las aplicaciones médicas es que el Nitinol presenta  compatibilidad y no genera rechazo en el cuerpo humano. Por ejemplo, se han usado alambres de Nitinol para construir microbombas que pueden reemplazar funciones del corazón o de los riñones, también para descongestionar arterias obstruidas (stents) y además son muy utilizados en la ortodoncia.


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