चुंबकीय आकार-मेमोरी मिश्र धातु
मैग्नेटिक शेप आकार-स्मृति मिश्र धातु (एमएसएमए), जिसे फेरोमैग्नेटिक शेप मेमोरी एलॉय (एफएसएमए) भी कहा जाता है, विशेष शेप मेमोरी एलॉय हैं जो चुंबकीय क्षेत्र की प्रतिक्रिया में बल और विकृति उत्पन्न करते हैं। इन सामग्रियों में आकार-स्मृति मिश्रधातु भी प्राप्त की गई है।
परिचय
एमएसएम मिश्र धातु फेरोमैग्नेटिक सामग्री हैं जो मध्यम चुंबकीय क्षेत्र के तहत गति और बल उत्पन्न कर सकती हैं। सामान्यतः एमएसएमए निकल, मैंगनीज और गैलियम (नी-एमएन-गा) के मिश्र धातु होते हैं।
1996 में एमआईटी में डॉ. कारी उल्लाको और सहकर्मियों द्वारा लगभग 0.2% की चुंबकीय रूप से प्रेरित विकृति प्रस्तुत की गई थी।[1] तब से, उत्पादन प्रक्रिया में सुधार और मिश्र धातुओं के बाद के उपचार के कारण व्यावसायिक रूप से उपलब्ध एकल क्रिस्टलीय एनआई-एमएन-जीए एमएसएम तत्वों के लिए 6% तक की विकृति हुई है,[2] साथ ही अनुसंधान एवं विकास चरण में नई मिश्र धातुओं के लिए 10-12% और 20% तक की विकृति हुई है।[3][4]
बड़े चुंबकीय रूप से प्रेरित तनाव, साथ ही कम प्रतिक्रिया समय एमएसएम तकनीक को वायवीय, रोबोटिक्स, चिकित्सा उपकरणों और मेक्ट्रोनिक्स में उपयोग किए जाने वाले अभिनव एक्ट्यूएटर्स के डिजाइन के लिए बहुत आकर्षक बनाते हैं।[5] एमएसएम मिश्र धातु विरूपण के आधार पर अपने चुंबकीय गुणों को बदलते हैं। यह साथी प्रभाव, जो सक्रियता के साथ सह-अस्तित्व में है, विस्थापन, गति या बल सेंसर और यांत्रिक ऊर्जा संचयन के डिजाइन के लिए उपयोगी हो सकता है।[6]
चुंबकीय आकार स्मृति प्रभाव मिश्र धातु के निम्न तापमान मार्टेंसाईट चरण में होता है, जहां मिश्र धातु बनाने वाली प्राथमिक कोशिकाओं में चतुष्कोणीय ज्यामिति होती है। यदि तापमान मार्टेंसाइट- ऑस्टेनाईट परिवर्तन तापमान से परे बढ़ जाता है, तो मिश्र धातु ऑस्टेनाइट में चली जाती है जहां प्राथमिक कोशिकाओं में क्यूबिक ज्यामिति होती है। ऐसी ज्यामिति के साथ चुंबकीय आकार स्मृति प्रभाव खो जाता है।
मार्टेंसाइट से ऑस्टेनाइट में संक्रमण बल और विरूपण पैदा करता है। इसलिए, एमएसएम मिश्र धातुओं को थर्मल रूप से भी सक्रिय किया जा सकता है, जैसे आकार-मेमोरी मिश्र धातु (उदाहरण के लिए, निकल टाइटेनियम (नी-टीआई) मिश्र धातु देखें)।
चुंबकीय आकार स्मृति प्रभाव
एमएसएम मिश्र धातुओं के तनाव के लिए जिम्मेदार तंत्र तथाकथित चुंबकीय रूप से प्रेरित पुनर्संरचना (MIR) है, और चित्र में स्केच किया गया है।[7] अन्य फेरोमैग्नेटिक सामग्रियों की तरह, एमएसएम मिश्र एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के अधीन होने पर एक मैक्रोस्कोपिक चुंबकीयकरण प्रदर्शित करते हैं, जो क्षेत्र दिशा के साथ प्राथमिक चुंबकीयकरण के संरेखण से निकलता है। हालांकि, मानक फेरोमैग्नेटिक सामग्रियों से अलग, संरेखण को मिश्र धातु बनाने वाली प्राथमिक कोशिकाओं के ज्यामितीय रोटेशन द्वारा प्राप्त किया जाता है, न कि कोशिकाओं के भीतर आकर्षण संस्कार वैक्टर के रोटेशन से (जैसे चुंबकीय विरूपण में)।
इसी तरह की घटना तब होती है जब मिश्र धातु बाहरी बल के अधीन होती है। मैक्रोस्कोपिक रूप से, बल चुंबकीय क्षेत्र की तरह कार्य करता है, प्राथमिक कोशिकाओं के रोटेशन का समर्थन करता है और संदर्भ समन्वय प्रणाली के भीतर इसके आवेदन के आधार पर बढ़ाव या संकुचन प्राप्त करता है। बढ़ाव और संकुचन प्रक्रियाओं को चित्र में दिखाया गया है, उदाहरण के लिए, बढ़ाव को चुंबकीय रूप से और संकुचन को यांत्रिक रूप से प्राप्त किया जाता है।
कोशिकाओं का घूर्णन एमएसएम मिश्र धातुओं के बड़े चुंबकीय अनिसोट्रॉपी और आंतरिक क्षेत्रों की उच्च गतिशीलता का परिणाम है। सीधे शब्दों में कहें तो, एक एमएसएम तत्व आंतरिक क्षेत्रों से बना होता है, प्रत्येक में प्राथमिक कोशिकाओं का एक अलग अभिविन्यास होता है (क्षेत्रों को हरे और नीले रंगों में दिखाया गया है)। इन क्षेत्रों को ट्विन-वेरिएंट कहा जाता है। एक चुंबकीय क्षेत्र या एक बाहरी तनाव का अनुप्रयोग वेरिएंट की सीमाओं को बदलता है, जिसे ट्विन सीमा कहा जाता है, और इस प्रकार एक संस्करण या दूसरे का समर्थन करता है। जब तत्व पूरी तरह से सिकुड़ जाता है या पूरी तरह से लम्बा हो जाता है, तो यह केवल एक वेरिएंट से बनता है और इसे सिंगल वेरिएंट स्टेट में कहा जाता है। एक निश्चित दिशा के साथ एमएसएम तत्व का चुंबकीयकरण भिन्न होता है यदि तत्व संकुचन में है या बढ़ाव एकल संस्करण अवस्था में है। चुंबकीय अनिसोट्रॉपी संकुचन एकल संस्करण अवस्था में तत्व को चुंबकित करने और बढ़ाव एकल संस्करण अवस्था में आवश्यक ऊर्जा के बीच का अंतर है। अनिसोट्रॉपी का मूल्य एमएसएम मिश्र धातु के अधिकतम कार्य-आउटपुट से संबंधित है, और इस प्रकार उपलब्ध तनाव और बल से जो कि अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किया जा सकता है।[8]
गुण
व्यावसायिक रूप से उपलब्ध तत्वों के लिए एमएसएम प्रभाव के मुख्य गुण संक्षेप में दिए गए हैं [9] (जहां प्रौद्योगिकी और संबंधित अनुप्रयोगों के अन्य पहलुओं का वर्णन किया गया है):
- तनाव 6% तक
- मैक्स। 3 एमपीए तक उत्पन्न तनाव
- अधिकतम तनाव के लिए न्यूनतम चुंबकीय क्षेत्र: 500 kए/m
- फुल स्ट्रेन (6%) 2 एमपीए लोड तक
- लगभग 150 kJ/m^3 का प्रति यूनिट वॉल्यूम वर्कआउट
- ऊर्जावान दक्षता (इनपुट चुंबकीय ऊर्जा और आउटपुट यांत्रिक कार्य के बीच रूपांतरण) लगभग 90%
- लगभग 0.5 एमपीए का आंतरिक घर्षण तनाव
- चुंबकीय और थर्मल सक्रियण
- ऑपरेटिंग तापमान -40 और 60 डिग्री सेल्सियस के बीच
- विरूपण के दौरान चुंबकीय पारगम्यता और विद्युत प्रतिरोधकता में परिवर्तन
श्रांति के गुण
एमएसएमए के श्रांति आयु उच्च आवृत्ति साइकलिंग के कारण सक्रियण अनुप्रयोगों के लिए विशेष रुचि रखता है, इसलिए इन मिश्र धातुओं के सूक्ष्म संरचना में सुधार विशेष रुचि का रहा है। शोधकर्ताओं ने श्रांति आयु को 2x109 तक सुधारा हैl 2एमपीए के अधिकतम तनाव के साथ उपकरणों में एमएसएमए के वास्तविक अनुप्रयोग का समर्थन करने के लिए आशाजनक डेटा प्रदान करते हैं। हालांकि उच्च श्रांति आयु का प्रदर्शन किया गया है, यह गुण सामग्री में आंतरिक जुड़वाँ तनाव द्वारा नियंत्रित पाया गया है, जो क्रिस्टल संरचना और जुड़वां सीमाओं पर निर्भर है। इसके अतिरिक्त, पूरी तरह से तनावपूर्ण (लम्बी या अनुबंधित) एमएसएमए को प्रेरित करने के लिए श्रांति आयु को कम करने के लिए पाया गया हैl इसलिए, कार्यात्मक एमएसएमए सिस्टम डिजाइन करते समय इसे ध्यान में रखा जाना चाहिए। सामान्य तौर पर, सतह खुरदरापन जैसे दोषों को कम करने से तनाव की एकाग्रता बढ़ सकती है और एमएसएमए के फ्रैक्चर प्रतिरोध में वृद्धि हो सकती है ।[10]
मिश्र धातुओं का विकास
मानक मिश्र धातुनिकल -मैंगनीज-गैलियम (एनआई-एमएन-जीए) मिश्र धातु हैं, जिनकी जांच की जाती है क्योंकि पहला प्रासंगिक एमएसएम प्रभाव 1996 में प्रकाशित हुआ था।[1]जांच के तहत अन्य मिश्र धातु आयरन-दुर्ग (एफई-पीडी) मिश्र धातु, निकेल-लौह-गैलियम (एनआई-एफई-जीए) मिश्र धातु, और मूल एनआई-एमएन-जीए मिश्र धातु के कई व्युत्पन्न हैं जिनमें आगे आयरन (एफई), कोबाल्ट (सी ओ) होता है या कॉपर (सीयू)। नए एलॉय के निरंतर विकास और परीक्षण के पीछे मुख्य प्रेरणा बेहतर थर्मो-मैग्नेटो-मैकेनिकल गुणों को प्राप्त करना है, जैसे कम आंतरिक घर्षण, एक उच्च रूपांतरण तापमान और एक उच्च क्यूरी तापमान, जो कई अनुप्रयोगो में एमएसएम मिश्र धातुओं के उपयोग की अनुमति देता है। वास्तव में, मानक मिश्र धातुओं की वास्तविक तापमान सीमा 50 डिग्री सेल्सियस तक होती है। हाल ही में, एक 80 °C मिश्रधातु प्रस्तुत की गई है।[11]
चुंबकीय आकार स्मृति प्रभाव होने के लिए आवश्यक जुड़वां सीमा गति तंत्र के कारण, अधिकतम प्रेरित तनाव के संदर्भ में उच्चतम प्रदर्शन करने वाले एमएसएमए एकल क्रिस्टल रहे हैं। छिद्रित पॉलीक्रिस्टलाइन एमएसएमए के उत्पादन के लिए एक तकनीक के रूप में योज्य निर्माण का प्रदर्शन किया गया है।[12] पूरी तरह से सघन पॉलीक्रिस्टलाइन एमएसएमए के विपरीत, संरध्र संरचनाएं गति की अधिक स्वतंत्रता की अनुमति देती हैं, जो मार्टेंसिटिक जुड़वां सीमा गति को सक्रिय करने के लिए आवश्यक आंतरिक तनाव को कम करती है। इसके अतिरिक्त, पोस्ट-प्रोसेस हीट ट्रीटमेंट जैसे सिंटरिंग और एनीलिंग को कठोरता में काफी वृद्धि करने और एनआई-एमएन-जीए मिश्र धातुओं के लोचदार मोडुली को कम करने के लिए पाया गया है।
अनुप्रयोग
एमएसएम प्रवर्तक तत्वों का उपयोग किया जा सकता है जहां तेज और सटीक गति की आवश्यकता होती है। परंपरागत आकार मेमोरी मिश्र धातुओं के लिए आवश्यक हीटिंग/कूलिंग चक्रों की तुलना में चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करके तेजी से सक्रियण के कारण वे रुचि रखते हैं, जो उच्च थकान जीवनकाल का भी वादा करता है। संभावित अनुप्रयोग क्षेत्र रोबोटिक्स, निर्माण, चिकित्सा शल्य चिकित्सा, वाल्व, डैम्पर्स, सॉर्टिंग हैं।[9]एमएसएमए प्रवर्तक (यानी प्रयोगशाला-ऑन-अ-चिप उपकरणों के लिए माइक्रोफ्लुइडिक पंप) के आवेदन में विशेष रुचि रखते हैं क्योंकि वे अपेक्षाकृत छोटे स्थानिक क्षेत्रों में बड़े बल और स्ट्रोक आउटपुट में सक्षम हैं।[13]इसके अलावा, उच्च श्रांति आयु और चुंबकीय प्रवाह से इलेक्ट्रोमोटिव बलों का उत्पादन करने की उनकी क्षमता के कारण, एमएसएमए ऊर्जा संचयन अनुप्रयोगों में रूचि रखते हैं।[14]
एमएसएमए का ट्विनिंग स्ट्रेस, या आंतरिक घर्षण तनाव, एक्चुएशन की दक्षता को निर्धारित करता है, इसलिए एमएसएम प्रवर्तकका ऑपरेशन डिज़ाइन किसी दिए गए मिश्र धातु के यांत्रिक और चुंबकीय गुणों पर आधारित होता है; उदाहरण के लिए, एमएसएमए की चुंबकीय पारगम्यता (विद्यु त चुंबकत्व) तनाव का एक कार्य है।[13]सबसे आम एमएसएम एक्चुएटर डिज़ाइन में स्थायी मैग्नेट द्वारा नियंत्रित एक एमएसएम तत्व होता है जो एक घूर्णन चुंबकीय क्षेत्र का उत्पादन करता है और आकार मेमोरी साइकलिंग के दौरान एक यांत्रिक बल को पुनर्स्थापित करता है। क्रिस्टल दोषों के कारण चुंबकीय आकार स्मृति प्रभाव पर सीमाएं अनुप्रयोगों में एमएसएमए की दक्षता निर्धारित करती हैं। चूंकि एमएसएम प्रभाव भी तापमान पर निर्भर है, इसलिए इन मिश्र धातुओं को सूक्ष्म संरचना और संरचना को नियंत्रित करके संक्रमण तापमान को स्थानांतरित करने के लिए तैयार किया जा सकता है।
संदर्भ
- ↑ 1.0 1.1 Ullakko, K. (1996). "Magnetically controlled shape memory alloys: A new class of actuator materials". Journal of Materials Engineering and Performance (in English). 5 (3): 405–409. doi:10.1007/BF02649344. ISSN 1059-9495. S2CID 137352650.
- ↑ Wilson, Stephen A.; Jourdain, Renaud P. J.; Zhang, Qi; Dorey, Robert A.; Bowen, Chris R.; Willander, Magnus; Wahab, Qamar Ul; Willander, Magnus; Al-hilli, Safaa M. (2007-06-21). "New materials for micro-scale sensors and actuators: An engineering review". Materials Science and Engineering: R: Reports. 56 (1–6): 1–129. doi:10.1016/j.mser.2007.03.001.
- ↑ Sozinov, A.; Lanska, N.; Soroka, A.; Zou, W. (2013-01-14). "12% magnetic field-induced strain in Ni-Mn-Ga-based non-modulated martensite". Applied Physics Letters. 102 (2): 021902. doi:10.1063/1.4775677. ISSN 0003-6951.
- ↑ Pagounis, E.; Szczerba, M. J.; Chulist, R.; Laufenberg, M. (2015-10-12). "NiMnGa सात-स्तरित संग्राहक मार्टेंसाइट में बड़े चुंबकीय क्षेत्र-प्रेरित कार्य आउटपुट". Applied Physics Letters. 107 (15): 152407. doi:10.1063/1.4933303. ISSN 0003-6951.
- ↑ T. Schiepp, A Simulation Method for Design and Development of Magnetic Shape Memory Actuators, PhD Thesis, University of Gloucestershire, 2015.
- ↑ Karaman, I.; Basaran, B.; Karaca, H. E.; Karsilayan, A. I.; Chumlyakov, Y. I. (2007-04-23). "NiMnGa चुंबकीय आकार मेमोरी मिश्र धातु में मार्टेंसाइट वैरिएंट रीओरिएंटेशन मैकेनिज्म का उपयोग करके ऊर्जा संचयन". Applied Physics Letters. 90 (17): 172505. doi:10.1063/1.2721143. ISSN 0003-6951.
- ↑ Faehler, Sebastian (2007-08-23). "मैग्नेटिक शेप मेमोरी एलॉयज के एक्चुएशन मैकेनिज्म का परिचय". ECS Transactions (in English). 3 (25): 155–163. doi:10.1149/1.2753250. ISSN 1938-6737. S2CID 62395907.
- ↑ L. Straka, Magnetic and Magneto-Mechanical Properties of Ni-Mn-Ga Magnetic Shape Memory Alloys, PhD Thesis, Aalto University, 2007.
- ↑ 9.0 9.1 "एमएसएम नेट". एमएसएम नेट. Retrieved 2016-11-16.
- ↑ Lawrence, T.; Lindquist, P.; Ullakko, K.; Müllner, P. (2016-01-27). "Fatigue life and fracture mechanics of unconstrained Ni–Mn–Ga single crystals in a rotating magnetic field". Materials Science and Engineering: A (in English). 654: 221–227. doi:10.1016/j.msea.2015.12.045. ISSN 0921-5093.
- ↑ Pagounis, E.; Chulist, R.; Szczerba, M. J.; Laufenberg, M. (2014-07-15). "High-temperature magnetic shape memory actuation in a Ni–Mn–Ga single crystal". Scripta Materialia. 83: 29–32. doi:10.1016/j.scriptamat.2014.04.001.
- ↑ Acierno, Aaron; Toman, Jakub; Kimes, Katerina; Mostafaei, Amir; Boin, Mirko; Wimpory, Robert; Chmielus, Markus (August 2020). "Grain Growth, Porosity, and Hardness Changes in Sintered and Annealed Binder-jet 3D Printed Ni-Mn-Ga Magnetic Shape Memory Alloys". Microscopy and Microanalysis (in English). 26 (S2): 3082–3085. doi:10.1017/S1431927620023764. ISSN 1431-9276. S2CID 225351376.
- ↑ 13.0 13.1 Gabdullin, N; Khan, S H (2015-02-16). "मैग्नेटिक शेप मेमोरी (एमएसएम) एलॉय और एमएसएम एक्चुएटर डिजाइन के गुणों की समीक्षा". Journal of Physics: Conference Series (in English). 588: 012052. doi:10.1088/1742-6596/588/1/012052. ISSN 1742-6596. S2CID 56145183.
- ↑ Rashidi, Saman; Ehsani, Mohammad Hossein; Shakouri, Meisam; Karimi, Nader (2021-11-01). "ऊर्जा संचयन के लिए चुंबकीय आकार स्मृति मिश्र धातुओं की क्षमता". Journal of Magnetism and Magnetic Materials (in English). 537: 168112. doi:10.1016/j.jmmm.2021.168112. ISSN 0304-8853.
