MATERIALI A MEMORIA DI FORMA: UNA INTRODUZIONE

I materiali a memoria di forma rappresentano una classe di materiali metallici dalle inusuali proprietà meccaniche. In particolare la loro caratteristica principale è quella di essere in grado di recuperare una forma macroscopica preimpostata per effetto del semplice cambiamento della temperatura o dello stato di sollecitazione applicato. La comprensione dettagliata del meccanismo alla base di questa fenomenologia esula dagli scopi di queste note. Basti qui ricordare che in questi materiali è presente una trasformazione di fase a stato solido (cioè in cui sia la fase di partenza e quella di arrivo sono strutture solide anche se con arrangiamenti cristallografici differenti) che prende il nome di trasformazione martensitica termoelastica. Tra le numerose proprietà di questa trasformazione una appare particolarmente utile ed è quella legata alla particolare struttura cristallina della fase prodotto (detta appunto martensite). Essa consiste in una fitta disposizione di piani cristallini specularmene disposti l’uno rispetto all’altro e dotati di un’elevatissima mobilità relativa. Per una migliore comprensione si pensi alla struttura del mantice di una fisarmonica. Il ruolo di questi piani è il seguente: quando il materiale viene deformato da una forze esterna, invece di rompere legami cristallografici e danneggiare la propria struttura più intima, esso dispiega progressivamente i piani reticolari accomodando la deformazione complessiva senza realizzare spostamenti atomici significativi. Di nuovo si pensi all’atto di allungare una fisarmonica, malgrado la singola piega del mantice si muova di poco l’intera struttura si dispiega per una lunghezza molto maggiore. Poiché nel corso di questo meccanismo i singoli atomi si sono spostati solo di poco dalle loro posizioni originali quando esse, per effetto di un riscaldamento imposto, devono muoversi per ripristinare la struttura cristallina di partenza possono recuperare molto facilmente la loro posizione iniziale prima della deformazione e promuovere quindi il recupero della forma macroscopica di partenza. Un esempio di effetto memoria di forma è esemplificato nella successione di immagini di Figura 1. Ad un filo di NiTi è stata impressa, mediante un adeguato trattamento termico, la forma di un alberello di natale con la scritta CNR. Una volta raffreddato il piccolo gadget è stato deformato in modo che la forma di partenza non sia più riconoscibile. Malgrado ciò però non si è avuto il danneggiamento delle disposizioni atomiche di partenza e semplicemente riscaldando il filo (in questo caso con un comunissimo asciugacapelli ad aria calda) si ha il progressivo recupero della forma iniziale.

Un ulteriore interessante proprietà delle trasformazioni martensitiche termoelastiche è legata alla possibilità di far avvenire la trasformazione non solo variando la temperatura ma anche mediante l’applicazione di un opportuno stato di sollecitazione in condizioni adeguate di temperatura. In pratica è possibile far si che la struttura "a fisarmonica" si formi nel materiale all’atto stesso dell’applicazione di una forza esterna. Nel corso della deformazione imposta il materiale forma progressivamente la struttura martensitica e questa istantaneamente si deforma permettendo di nuovo di accomodare grandi deformazioni senza danneggiare in maniera permanente la struttura cristallografica del materiale. Poiché però tale procedura viene condotta in un intervallo di temperature in cui la martensite formatasi non potrebbe esistere (in quanto a quella temperatura la fase stabile dovrebbe essere quella ad alta temperatura detta austenite) nel momento in cui la forza esterna viene rimossa essa si trova in una condizione di instabilità termodinamica e tende a ritrasformarsi istantaneamente promuovendo un immediato recupero di forma prescindendo quindi dalla fase di riscaldamento.

Figura 1 : esempio di effetto memoria di forma. In un filo di NiTi è stata memorizzata la forma di un piccolo gadget natalizio. Una volta deformato a temperatura ambiente esso recupera la forma memorizzata per semplice riscaldamento a circa 60°C

Quello che succede fenomenologicamente è che il materiale recupera immediatamente la forma iniziale dando l’impressione di una notevole elasticità. A tale proprietà si dà il nome di pseudoelasticità (o, a volte anche se un po’ impropriamente di superelasticità) in quanto l’effetto complessivo è quello di un materiale che accetta notevoli deformazioni ed immediatamente recupera la sua forma iniziale. Questa proprietà dei materiali a memoria di forma ha trovato diverse applicazioni anche grazie alla maggiore semplicità di impiego che prescinde dalla necessità di riscaldare e/o raffreddare il materiale. Un esempio è quello presentato in Figura 2. Un occhiale con le parti metalliche in materiale pseudoelastico (aste e naso) può venire chiuso all’interno della mano salvo poi ritornare immediatamente alla sua forma originale semplicemente aprendo la mano.

Figura 2: esempio di proprietà pseudoelastiche della lega NiTi. Un occhiale realizzato in lega a memoria di forma viene severamente deformato e recupera istantaneamente la forma iniziale all’atto della rimozione della sollecitazione

Le proprietà delle trasformazioni martensitiche termoelastiche sono stato oggetto di ricerca sin dai primi lavori pionieristici sul sistema AuCd degli anni ’30 ma si deve al lavoro dell’americano William J. Buehler e collaboratori negli anni ’60 la scoperta delle proprietà della lega Nichel-Titanio, da allora conosciuta con l’acronimo di Nitinol, dalla sua composizione chimica (NiTi) ed in onore del laboratorio dove Buehler lavorava al momento della scoperta (NOL, Naval Ordinance Laboratory).

La notevole complessità del sistema metallurgico del NiTi ha costituito un freno alla diffusione del materiale nel settore industriale per molti anni. A partire dalla metà degli anni ’80 ed in particolare dal 1991 si è cominciata ad osservare una progressiva penetrazione di questi materiali in settori ad elevato valore aggiunto (aereo spaziale – biomedicale) tradizionalmente più pronti ad accettare materiali innovativi potendone assorbire più facilmente i costi relativamente alti. Da qualche anno a questa parte i costi di produzione del materiale sono andati diminuendo e la disponibilità commerciale di leghe aumentando determinando così le condizioni preliminari per la diffusione del materiale in settori tecnologici differenti.

L’interesse per le leghe a memoria di forma è principalmente dovuto al fatto che questi materiali possono agire contemporaneamente come sensori e come attuatori, cioè sono capaci di muoversi e di azionare altri dispositivi in relazione ad uno stimolo che ricevono.

Pretendere di descrivere compiutamente tutte le applicazioni realizzate o "pensate" con i materiali a memoria di forma richiederebbe spazi ben maggiori di quelli disponibili, basti pensare che fino a qualche anno fa i brevetti presentati che suggerivano l’impiego di questi materiali erano dell’ordine di qualche decina al giorno. Val però la pena di citare alcuni esempi di successo sia tecnico che commerciale in cui le diverse modalità con cui è possibile impiegare questi materiali sono state messe a frutto.

 

Figura 4: Rapresentazione schematica del comportamento di un materiale pseudoelastico. Nella fase di carico si osserva un punto di pseudosnervamento coincidente con l'inizio della trasformazione martensitica che procedendo all'aumentare della deformazione giustifica la presenza del tratto di deformazione a sforzo costante. L'ampia deformazione imposta viene recuperata immediatamente nella fase di scarico in cui si osserva un ulteriore regione di deformazione a sforzo costante associata con la trasformazione inversa da martensite ad austenite

Pseudoelasticità: si è visto in precedenza un esempio di applicazione di leghe NiTi nel settore delle montature per occhiali. In realtà pochi sanno che gran parte delle antenne per telefoni cellulari sono realizzate con fili di questo materiale. Ma un settore in cui i materiali a memoria di forma hanno determinato una vera rivoluzione è quello biomedicale dalle semplici applicazioni di fili nel settore ortodontico all’impianto permanente di stent aortici di sostegno a seguito di interventi di angioplastica. In tutti i casi quella che viene sfruttata è la particolare forma della risposta meccanica dei fili a memoria di forma schematicamente rappresentata in Figura 5. Si osserva come nel corso della fase di carico compare una regione in cui all’aumentare della deformazione non si ha un aumento del carico necessario e similmente nella fase di scarico. Questi plateaux detti pseudoelastici fanno sì che sia possibilie deformare il materiale anche molto severamente (sino al 6-8%) senza percepire un significativo aumento della resistenza del materiale. Di qui la possibilità di applicare fili ortodontici per recuperare grandi deformazioni dentali senza causare dolore al paziente ed applicando un lenta e progressiva forza clinicamente più efficace che non l’intensa risposta fornita dai vecchi fili in acciaio. Analogamente in un ampia gamma di strumentari chirurgici soprattutto nel settore della chirurgica mini-invasiva è possibile impiegare elementi che, malgrado subiscano deformazioni severe quali quelle richieste per percorrere piccoli vasi o ruotare in cavità corporee, non sviluppino forze elevate e non mantengano deformazioni permanenti.

 

Esempi di applicazione di materiali pseudoelastici. Le antenne di numerosi telefoni cellulari garantiscono un'elevata resistenza alle deformazioni accidentali grazie alle proprietà pseudoelastiche delle leghe NiTi. Nel settore ortodontico gli intervalli di deformazione a sforzo costante tipici del comportamento pseudoelastico vengono impiegati per garantire l'applicazioni di sforzi costanti in dipendentemente dallo spostamento dalla posizione "corretta" del dente da riposizionare.

 

Recupero di forma: l’impiego delle leghe NiTi nella modalità di recupero di forma può avvenire in diversi modi ma si è soliti distinguere i casi in cui questo recupero avvenga in maniera libera (recupero libero), in cui esso venga impedito da un vincolo non cedevole (recupero vincolato) ed il caso in cui il vincolo ceda secondo una qualche legge allo sforzo sviluppato dal materiale nel corso del recupero di forma (attuatori). Nel caso del recupero libero le applicazioni principali sono nel settore dei "gadgets" e nello sviluppo di logo o piccoli dispositivi che ricordino una qualche forma preordinata generalmente mediante semplice riscaldamento a temperature di poco superiori a quella ambiente come nel caso dell’esempio mostrato in Figura 1.

Più interessante è il caso in cui il recupero di forma venga impedito da un vincolo in quanto in questo caso il tentativo del materiale di ripristinare la forma iniziale viene convertito in uno sforzo che può essere utilmente impiegato per realizzare delle connessioni. E’ stato questo uno dei primi settori dove i materiali a memoria di forma sono stati impiegati con successo sia tecnico che commerciale. Si tratta di fatto di impiegare anelli metallici per realizzare delle connessioni che possono sostituire brillantemente le brasature o i serraggi meccanici nel caso in cui queste siano difficili da realizzare (materiali eterogenei, spazi ristretti oggetti di piccole dimensioni). La modalità di impiego, una volta compreso il principio di funzionamento dei materiali a memoria di forma, è molto semplice. Dapprima l’elemento a memoria di forma viene "formato" con una geometria più piccola di quella del sistema da serrare. Quindi, a bassa temperatura, esso viene allargato in modo da poter essere facilmente installato all’atto del montaggio. Una volta montato l’elemento a memoria di forma viene semplicemente riscaldato (in genere al massimo sino a 120°C) per indurlo a recuperare la forma iniziale. Nel corso del recupero però la presenza dell’elemento da serrare impedirà il completo ripristino della geometria iniziale consentendo così la generazione di uno sforzo che può raggiungere valori dell’ordine dei 300 Mpa (30 Kg/mm2).

 

Esempi di applicazione di materiali a memoria di forma in condizioni di recupero vincolato. I notevoli sforzi attivati dall'impossibilità per il materiale di completare il processo di recupero di forma vengono impiegati per garantire la tenuta ermetica di cilindri di alluminio (Figura A) o per il fissaggio di piccoli ingranaggi ad alberini di rotazione (Figura B). In particolare in Figura B è possibile osservare un confronto tra la soluzione offerta da un materiale a memoria di forma e quella tradizionalmente impiegata che coinvolge masse maggiori ed è particolarmente sensibile alla possibilità di allentamento in esercizio

Infine un importante campo di applicazione è quello degli attuatori in cui vengono classificati tutti quei casi in cui il recupero del materiale a memoria di forma avviene contrastato da una forza variabile che eventualmente è in grado, al ripristinarsi di particolari condizioni di ripristinare automaticamente le condizioni iniziali rendendo ripetibile l’applicazione del sistema.

Lo schema più noto di tale approccio è quello rappresentato schematicamente in Figura 9 dove una molla a memoria di forma viene fatta lavorare come antagonista di una normale molla di acciaio. Si sfrutta in questo caso il diverso modulo di elasticità che il materiale a memoria di forma esibisce a bassa ed ad alta temperatura. A bassa temperatura (T<Mf) il materiale ha un modulo tale per cui la molla di acciaio riesce semplicemente a vincerne la forza mantenendo la molla nella posizione compressa. Aumentando la temperatura ed una volta che il materiale si sia trasformato nella fase ad alta temperatura sarà la molla a memoria di forma in grado di comprimere la molla antagonista in acciaio realizzando così uno spostamento del cursore all’estremità . Va da se che una volta che il sistema si sia raffreddato la configurazione iniziale verrà ripristinata e questa "attuazione" può venire nuovamente realizzata.

 

Esempi di applicazione di materiali a memoria di forma in condizioni di recupero vincolato su vincolo mobile per la realizzazione di attuatori. In figura B è esemplificato lo schema costruttivo di gran parte degli attuatori a memoria di forma basato sulle posizioni di equilibrio relativo raggiunte da una molla a memoria di forma ed un normale molla di acciaio in funzione della temperatura. In Figura A una diretta applicazione di tale schema cstruttivo in una cartuccia per la regolazione della temperatura in uscita da un miscelatore ottenuta regolando in maniera continua il flusso di acqua calda e di acqua fredda.

Sulla base di questo semplice schema costruttivo sono state ingegnerizzate diverse soluzioni in grado di fornire sistemi automatici, piccoli, compatti, silenziosi e senza presenza di motori per il controllo di diversi parametri dipendenti dalla temperatura. Un esempio è quello riportato in Figura 8 relativo ad un comune miscelatore per acqua dotato di un sistema in grado di mantenere automaticamente la temperatura di efflusso con un efficienza decisamente superiore a quella dei comuni sistemi a cera.

Come ricordato il sistema di maggiore interesse è quello legato al NiTi ma sono commercialmente disponibili anche ottoni a memoria di forma a base CuZnAl (Rame – Zinco – Alluminio) e CuAlNi (Rame – Alluminio – Nichel). Queste ultime pur essendo caratterizzate da un costo relativamente più basso hanno proprietà generali inferiori e mal si prestano all’impiego in geometrie o forme complesse.

Le prinicipali proprietà fisiche e meccaniche del NiTi sono riassunte nella tabella successiva assieme, per confronto, a quelle degli altri sistemi indicati.

Il materiale a memoria di forma è disponibile commercialmente in varie forme sia in filo che lamiera con dimensioni anche molto ridotte quali fili da 30 mm e lamierini di spessore dell’ordine dei 50 mm (1 mm = 0.001 mm).

Proprietà NiTi CuZnAl CuAlNi
Massima temperatura di recupero di forma 100 °C 120 °C 200 °C
Massima deformazione recuperabile. 8 % 6% 5%
Isteresi 12-50 °C 10-25 °C 15-20 °C
Sforzo di snervamento in fase austenitica 415 Mpa - (41.5 Kg/mm2) 350 Mpa (35 Kg/mm2) 400 Mpa (40 Kg/mm2)
Sforzo di snervamento in fase martensitica 70 Mpa (7 Kg/mm2) 80 Mpa (8 Kg/mm2) 130 Mpa (13 Kg/mm2)
Sforzo a rottura 700 Mpa (70 Kg/mm2) 600 Mpa (60 Kg/mm2) 500-800 Mpa (50-80 Kg/mm2)
Densità (g/cm3) 6.5 7.6-8.0 7.2
Resistività (micro-ohm-cm) 80-90 8.5-9.7 11-13
Capacità termica (J/Kg °K) 837 400 373-574
Conducibilità termica (J/m*sec*°K) 18 120 30-43

Pagina realizzata da Stefano Besseghini il 24.11.2000

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