Şekil Hafızalı Alaşımlar

Mühendislik sihirdir. Veya en azından gerçek dünyada sihre en yakın şeydir.

 -Elon Musk

                                                                                                

Sizlere şekil değişiminden sonra daha önceki şeklini hatırlayarak eski haline geri dönebilen bir alaşımdan bahsetsem, muhtemelen kiminiz buna oldukça şaşırırdı. Zamanda geriye gidip bu alaşımdan oluşan tel bir kablo ile ufak bir gösteri yapsak herkesi büyücü olduğumuza ikna ederdik belki de. Ancak şekil hafızalı alaşım olarak adlandırdığımız bu malzemeler büyü değil, bilimin ta kendisi.

Şekil Hafızalı Alaşım Nedir?

Bir çeliği bükerseniz eski haline getiremezsiniz. Hatta bir masada tabakların yerini değiştirdiğinizde hafızanıza güvenerek tekrar tabakları bir önceki düzenine geri döndüremeyebilirsiniz. Şekil hafızalı alaşım dış bir dış etkene maruz kaldıktan sonra büyük oranda eski haline geri döner. Bu nedenle de bu alaşımlar akıllı malzemenin bir çeşidi olarak ele alınırlar.

Şekil hafızası bir malzemede ilk olarak 1938 yılında Arne Olande isimli bir bilim insanı tarafından altın-kadmiyum alaşımında fark edilse de o dönemde nedeni henüz keşfedilememişti. Bu bir anormali olarak sayıldı. 1938 yılında Greninger ve Mooradian tarafından bakır-çinko alaşımı olan pirinçte değişen sıcaklıklarda şekil değişimi ve martenistik faz kaybı görüldü. Daha sonra 1962 yılında Amerika Birleşik Devletleri Deniz Kuvvetleri Laboratuvarı tarafından bir nikel-titanyum alaşımında şans eseri olarak dikkate değer bir şekilde bu durum gözlemlendi ve Nitinol ismiyle (Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratories) piyasaya sürüldü. Daha sonrasında başka alaşımlar ve hatta şekil hafızalı polimerler geliştirilse de hala en bilindik olan nitinoldür.

Diğerler alaşımlara örnek vermek istersek; bakır ve nikeli temel alan alaşımlardan bahsedebiliriz. Ag-Cd, Co-Ni-Al, Co-Ni-Ga, Cu-Al-Be-X, Cu-Al-Ni, Ni-Fe-Ga, Fe-Mn-Si ve Ni-Ti-Pd bu alaşımlara verebileceğimiz örneklerin bir kısmıdır.

Faz

Şekil hafızalı alaşımlarının çalışma mantığını anlamak için önce faz nedir inceleyelim.  Basitçe açıklamak istersek, bir faz; kimyasal olarak üniform, fiziksel olarak ayrı ve çoğunlukla mekanik olarak ayrıştırılabilir bir malzeme bölgesidir. Bir alaşımda iki veya daha fazla faz aynı anda görülebilir.

Fazı daha iyi anlamak için suyun donmasını inceleyebiliriz. Burada sıvı fazdan katı faza geçiş gerçekleşir. Bu geçiş sırasında su moleküllerinin dizilişi değişecektir. Bilindiği üzere, sıvı haldeyken su molekülleri düzensiz bir şekilde ve birbirlerine katı hale nispeten daha uzak pozisyondadır. Katı hale geçiş yapıldığında ise moleküller çok daha düzenlidir ve aralarında çok az boşluk bulunur. Ancak suyun fazları burada bitmez. Buzun birden fazla katı fazı vardır. 0 ile -101°C arasında su molekülleri hegzagonal yapıdaki fazdayken, -101 ile -201°C arasında kübik yapıdaki fazdadır. Suyun bilinen 17 kristal yapılı fazı olsa da bunlardan sadece hegzagonal buz ve kübik buz dünya üzerinde doğal olarak meydana gelebilir.

Çalışma Mekanizması

Şekil hafızası mekanizması da faz değişimine dayanır. Tıpkı suda olduğu gibi bu alaşımlarda da birden çok katı faza rastlanır. Daha düşük sıcaklıklarda rastladığımız martenzit fazı vardır.  Bu fazda, monoklinik veya ortorombik yapıdadır ve taneciklerin dislokasyon hareketi için yeterli kayma sistemi olmadığından, deformasyon uyguladığımızda bu yönlendirmeli ikizlenme ile gerçekleşir.

Eğer sıcaklığı arttırırsak, atomik düzen östenit olarak isimlendirdiğimiz başka bir faza geçiş yapar. Malzemeyi istediğimiz şekilde sabitleyerek bir fırına koyup ısıttığımızda östenite dönüşür. Bu aşamada malzemenin hatırlayacağı şekil belirlenir. Sabitlediğimiz malzemeyi soğuttuğumuzda iç gerilme enerjisiyle birlikte martenzitik faza geçer. Bu enerjiyi atmak için martenzitik faz bir çok ikizlenme meydana getirir. Bu esnada şekil değiştirmese dahi, östenitik halde doğrusal hizalanmış taneler, soğutmadan sonra zig-zag halini alır. Malzemeye kuvvet uygulayarak şeklini değiştirdiğimizde ise malzemedeki atomların çevresindeki atomlar değişmez, hiçbir bağ krılmaz veya yeni bağ oluşmaz ancak hizalanma bir miktar değişerek tek yönlü (zig-zag olmayan) bir hizaya gelir. Böylece geçici olarak şekil değiştirir. Daha sonra malzemeyi ısıttığımızda hızlı bir biçimde martenzitten östenit faza geri döner. Bu faza geri dönerken de taneler eski pozisyonlarına döner. Malzeme eski şeklini almış olur.

Şekil hafızası tek yönlü veya çift yönlü olabilir. Tek yönlü alaşım hafızası, sadece ısınma yoluyla gerçekleşir. Çift yönlü hafızada ise malzeme soğutulduğunda matenzitik haldeki hafızasını da hatırlar. Çift yönlü hafıza mekanik-ısıl muamelelerle işleme sonucunda elde edilebilir.

Süper elastiktik:

Malzemenin şekil hafızası sergilediği bir başka durum da süper elastikliktir. Süperelastik bir teli elimize alıp çekiştirdiğimizde şeklini değiştirir ancak uyguladığımız kuvveti ortadan kaldırıp serbest bırakırsak eski haline döner. Bu durumun nedeni de faz değişimidir. Oda sıcaklığında östenit fazda olan teli çekip gerilime maruz bıraktığımızda tanelerin hizalanması değişerek martenzit faza geçiririz. Stres ortadan kalkınca tekrar hizalanan taneler ile östenit duruma dönen tel yeniden aynı şekli alır. Çünkü bu sıcaklıkta dengede olduğu nokta budur.

Uygulamaları:

Şekil hafızalı alaşımların; havacılık, robotik, otomotiv endüstrileri; medikal aletler, biyomühendislik, optometr, dişçilik, ilaç endüstrisi; inşaat endüstrisi ve motorlar dahil olmak üzere pek çok alanda kullanımına rastlanılır.

Yoğunlukla titreşim sönümleme özelliğinden dolayı tercih sebebidir. Boeing, General Electric Aircraft Engines, NASA ve birkaç kuruluşun da bir araya gelerek oluşturduğu değişken alanlı fan nozulu teknolojisi (VAFN) gelecekte daha sessiz ve verimli jet motorlarına imkân tanıyor. Akıllı betonarmede (IRC) ise şekil hafızalı teller çatlakları algılar ve mikro boyutlu çatlakları büzülerek iyileştirir. Robotik alanında protez ellerde kullanılır. Süperelastikliği ve biyouyumluluğu nedeniyle stentler tıpta kullanımına örnek verilebilir.

Kaynakça ve İleri Okuma:

https://services.tubitak.gov.tr

https://www.sciencedirect.com

https://www.explainthatstuff.com

https://commons.wikimedia.org