आकृति-मेमोरी मिश्र धातु

धातु विज्ञान में, आकृति मेमोरी मिश्र धातु (एसएमए) एक मिश्र धातु है जिसे ठंडा होने पर विकृत किया जा सकता है लेकिन गर्म होने पर इसके पूर्व-विकृत आकृति में वापस आ जाता है। इसे मेमोरी धातु, मेमोरी मिश्र धातु, स्मार्ट धातु, स्मार्ट मिश्र धातु या मसल वायर भी कहा जा सकता है।^{[citation needed]}

आकृति मेमोरी मिश्र धातुओं से बने उपकरण हाइड्रोलिक, वायवीय और मोटर-आधारित प्रणालियों जैसे पारंपरिक प्रवर्तक के लिए हल्के और ठोस हो सकते हैं। उनका उपयोग धातु टयूबिंग में हर्मेटिक जोड़ बनाने के लिए भी किया जा सकता है।

सिंहावलोकन

दो सबसे प्रचलित आकृति मेमोरी मिश्र धातुएँ तांबा-एल्यूमीनियम-निकल और निकल-टाइटेनियम (एनआईटीआई) हैं, लेकिन एसएमएएस को जस्ता, तांबा, सोना और लोहे के मिश्रण से भी बनाया जा सकता है। हालांकि आयरन-आधारित और कॉपर-आधारित एसएमएएस, जैसे कि Fe-Mn-Si, Cu-Zn-Al और Cu-Al-Ni, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं और निकेल-टाइटेनियम से सस्ते हैं, निकेल-टाइटेनियम- आधारित एसएमएएस उनके कारण अधिकांश अनुप्रयोगों के लिए बेहतर हैं स्थिरता और वहारिकता^[1]^[2]^[3] और साथ ही उनका बेहतर थर्मो-मैकेनिक प्रदर्शन^[4] एसएमए दो अलग-अलग चरणों में सम्मिलित हो सकता है, जिसमें तीन अलग-अलग क्रिस्टल संरचनाएं (यानी जुड़वां मार्टेंसाइट, डिटविन्ड मार्टेंसाइट, और ऑस्टेनाइट) और छह संभावित परिवर्तन होते हैं।^[5]^[6]

निकेल-टाइटेनियम मिश्र धातु ठंडा होने पर ऑस्टेनाईट से मार्टेंसाईट में बदल जाती है; एमएफ वह तापमान है जिस पर ठंडा होने पर मार्टेंसाइट में संक्रमण पूरा हो जाता है। तदनुसार, ताप के दौरान As और Af वे तापमान होते हैं जिन पर मार्टेंसाइट से ऑस्टेनाइट में परिवर्तन प्रारम्भ और समाप्त होता है। आकृति मेमोरी प्रभाव के बार-बार उपयोग से विशेषता परिवर्तन तापमान में बदलाव हो सकता है (इस प्रभाव को कार्यात्मक थकान के रूप में जाना जाता है, क्योंकि यह सामग्री के सूक्ष्म संरचनात्मक और कार्यात्मक गुणों के परिवर्तन से निकटता से संबंधित है)। अधिकतम तापमान जिस पर एसएमए अब तनाव प्रेरित नहीं हो सकता है उसे एमडी कहा जाता है, जहां एसएमए स्थायी रूप से विकृत हो जाते हैं।^[7]

मार्टेंसाइट चरण से ऑस्टेनाइट चरण तक का संक्रमण केवल तापमान और तनाव पर निर्भर करता है, समय पर नहीं, क्योंकि अधिकांश चरण परिवर्तन होते हैं, क्योंकि इसमें कोई प्रसार सम्मिलित नहीं होता है। इसी तरह, ऑस्टेनाइट संरचना को एक समान संरचना के स्टील मिश्र धातु से इसका नाम मिलता है। यह इन दो चरणों के बीच प्रतिवर्ती प्रसार रहित संक्रमण है जिसके परिणामस्वरूप विशेष गुण होते हैं। जबकि कार्बन-स्टील को तेजी से ठंडा करके ऑस्टेनाइट से मार्टेंसाइट बनाया जा सकता है, यह प्रक्रिया प्रतिवर्ती नहीं है, इसलिए स्टील में आकृति मेमोरी गुण नहीं होते हैं।

इस चित्र में, ξ(T) मार्टेंसाइट अंश का प्रतिनिधित्व करता है। ताप संक्रमण और शीतलन संक्रमण के बीच का अंतर हिस्टैरिसीस को जन्म देता है जहां कुछ यांत्रिक ऊर्जा प्रक्रिया में खो जाती है। वक्र का आकृति आकृति-मेमोरी मिश्र धातु के भौतिक गुणों पर निर्भर करता है, जैसे कि मिश्र धातु की संरचना^[8] और सख्त काम करो।^[9]

आकृति मेमोरी प्रभाव

यह एनीमेशन पूर्ण आकृति मेमोरी प्रभाव दिखाता है:

ऑस्टेनाइट से (जुड़वां) मार्टेंसाइट तक शीतलन, जो एसएमए के जीवनकाल की प्रारम्भ में या थर्मल चक्र के अंत में होता है।
मार्टेंसाइट को अलग करने के लिए जोर लगाना।
मूल आकार को बहाल करते हुए, ऑस्टेनाइट में सुधार करने के लिए मार्टेंसाइट को गर्म करना।
ऑस्टेनाइट को वापस ट्विन्ड मार्टेंसाइट में ठंडा करना।

आकृति मेमोरी प्रभाव (एसएमई) होता है^[10] क्योंकि एक तापमान-प्रेरित चरण परिवर्तन विरूपण को उलट देता है, जैसा कि पिछले हिस्टैरिसीस वक्र में दिखाया गया है। आमतौर पर मार्टेंसिटिक चरण मोनोक्लिनिक या ऑर्थोरोम्बिक (बी19' या B19) होता है। चूंकि इन क्रिस्टल संरचनाओं में आसान अव्यवस्था गति के लिए पर्याप्त स्लिप सिस्टम नहीं होते हैं, इसलिए वे जुड़वाँ-या बल्कि, डिटविनिंग द्वारा विकृत होते हैं।^[11]

मार्टेंसाइट थर्मोडायनामिक रूप से कम तापमान पर इष्ट है, जबकि ऑस्टेनाइट (बी 2 क्यूबिक) उच्च तापमान पर थर्मोडायनामिक रूप से इष्ट है। चूंकि इन संरचनाओं में अलग-अलग जाली आकृति और समरूपता है, इसलिए ऑस्टेनाइट को मार्टेंसाइट में ठंडा करने से मार्टेंसिटिक चरण में आंतरिक तनाव ऊर्जा का परिचय मिलता है। इस ऊर्जा को कम करने के लिए, मार्टेंसिटिक चरण में कई जुड़वाँ होते हैं - इसे "स्व-समायोजित जुड़वाँ" कहा जाता है और यह ज्यामितीय रूप से आवश्यक अव्यवस्थाओं का जुड़वाँ संस्करण है। चूंकि शेप मेमोरी मिश्र धातु का निर्माण उच्च तापमान से किया जाएगा और आमतौर पर इसे इंजीनियर किया जाता है ताकि शेप मेमोरी प्रभाव का लाभ उठाने के लिए ऑपरेटिंग तापमान पर मार्टेंसिटिक चरण प्रभावी हो, एसएमए अत्यधिक जुड़वाँ "प्रारम्भ" करते हैं।^[12]

जब मार्टेंसाइट लोड होता है, तो ये स्व-समायोजन जुड़वाँ विरूपण के लिए एक आसान रास्ता प्रदान करते हैं। एप्लाइड स्ट्रेस मार्टेंसाइट को अलग कर देगा, लेकिन सभी परमाणु पास के परमाणुओं के सापेक्ष एक ही स्थिति में रहते हैं - कोई परमाणु बंधन टूटा या सुधार नहीं हुआ है (जैसा कि वे अव्यवस्था गति से होगा)। इस प्रकार, जब तापमान बढ़ जाता है और ऑस्टेनाइट थर्मोडायनामिक रूप से अनुकूल हो जाता है, तो सभी परमाणु B2 संरचना में पुनर्व्यवस्थित हो जाते हैं जो कि B19' पूर्व-विरूपण आकृति के समान मैक्रोस्कोपिक आकृति का होता है।^[13] यह चरण परिवर्तन बहुत तेज़ी से होता है और एसएमए को अपना विशिष्ट "स्नैप" देता है।

वन-वे बनाम टू-वे शेप मेमोरी

आकृति मेमोरी मिश्र धातुओं के आकृति मेमोरी प्रभाव अलग-अलग होते हैं। दो सामान्य प्रभाव एकतरफा एसएमए और दोतरफा एसएमए हैं। प्रभावों का एक योजनाबद्ध नीचे दिखाया गया है।

प्रक्रियाएं बहुत समान हैं: मार्टेंसाइट (ए) से प्रारम्भ होकर, एकतरफा प्रभाव के लिए एक प्रतिवर्ती विरूपण जोड़ना या दो-तरफ़ा (बी) के लिए एक अपरिवर्तनीय राशि के साथ गंभीर विरूपण, नमूना (सी) को गर्म करना और इसे फिर से ठंडा करना ( डी)।

एक तरफ़ा मेमोरी प्रभाव

जब एक आकृति-मेमोरी मिश्र धातु अपनी ठंडी अवस्था (नीचे के रूप में) में होती है, तो धातु मुड़ी या खिंची जा सकती है और संक्रमण तापमान से ऊपर गर्म होने तक उन आकृतियों को बनाए रखेगी। गर्म करने पर, आकृति अपने मूल में बदल जाता है। जब धातु फिर से ठंडी हो जाती है, तो यह फिर से विकृत होने तक अपना आकृति बरकरार रखेगी

एक तरफ़ा प्रभाव के साथ, उच्च तापमान से ठंडा होने से मैक्रोस्कोपिक आकृति परिवर्तन नहीं होता है। निम्न-तापमान आकृति बनाने के लिए विरूपण आवश्यक है। गर्म करने पर, परिवर्तन A_s पर प्रारम्भ होता है और A_f पर पूरा होता है (आमतौर पर 2 से 20 °C या अधिक गर्म, मिश्र धातु या लोडिंग स्थितियों पर निर्भर करता है)। जैसा कि मिश्र धातु प्रकार और संरचना द्वारा निर्धारित किया जाता है और −150 °C और 200 °C के बीच भिन्न हो सकता है।

दो तरफा प्रभाव

दो तरफा आकृति मेमोरी प्रभाव यह प्रभाव है कि सामग्री दो अलग-अलग आकृतियों को याद करती है: एक कम तापमान पर, और एक उच्च तापमान पर। एक सामग्री जो हीटिंग और कूलिंग दोनों के दौरान आकृति मेमोरी प्रभाव दिखाती है, उसे दो-तरफा आकृति मेमोरी कहा जाता है। यह बाहरी बल (आंतरिक दो-तरफा प्रभाव) के आवेदन के बिना भी प्राप्त किया जा सकता है। इन स्थितियों में सामग्री के अलग-अलग व्यवहार करने का कारण प्रशिक्षण में निहित है। प्रशिक्षण का तात्पर्य है कि एक आकृति मेमोरी एक निश्चित तरीके से व्यवहार करने के लिए "सीख" सकती है। सामान्य परिस्थितियों में, एक आकृति मेमोरी मिश्र धातु अपने निम्न-तापमान आकृति को "याद" करती है, लेकिन उच्च-तापमान आकृति को पुनर्प्राप्त करने के लिए गर्म करने पर, निम्न-तापमान आकृति को तुरंत "भूल जाती है"। हालांकि, उच्च तापमान चरणों में विकृत कम तापमान की स्थिति के कुछ अनुस्मारक छोड़ने के लिए इसे "याद" करने के लिए "प्रशिक्षित" किया जा सकता है। ऐसा करने के कई तरीके हैं।^[14] एक निश्चित बिंदु से अधिक गर्म होने वाली एक आकृति, प्रशिक्षित वस्तु दो तरफा मेमोरी प्रभाव खो देगी।

छद्म लोच

एसएमए एक ऐसी घटना को प्रदर्शित करते हैं जिसे कभी-कभी अतिरेचकता कहा जाता है, लेकिन इसे अधिक सटीक रूप से छद्म प्रत्यास्थता के रूप में वर्णित किया जाता है। "सुपररेलास्टिकिटी" का तात्पर्य है कि प्लास्टिक विरूपण के बिना परमाणुओं के बीच परमाणु बंधन अत्यधिक लंबाई तक फैला हुआ है। छद्म प्रत्यास्थता अभी भी बड़े, पुनर्प्राप्त करने योग्य उपभेदों को प्राप्त करती है जिनमें कोई स्थायी विरूपण नहीं होता है, लेकिन यह अधिक जटिल तंत्र पर निर्भर करता है।

छद्म लोच का एक एनीमेशन

एसएमएएस कम से कम 3 प्रकार की छद्म प्रत्यास्थता प्रदर्शित करते हैं। छद्म-प्रत्यास्थता के दो कम-अध्ययन वाले प्रकार छद्म-जुड़वा गठन और लघु श्रेणी क्रम के कारण रबर जैसा व्यवहार है।^[15]

मार्टेंसिक तनाव (ए) के ऊपर के तनावों पर, ऑस्टेनाइट मार्टेंसाइट में बदल जाएगा और बड़े मैक्रोस्कोपिक उपभेदों को प्रेरित करेगा जब तक कि कोई ऑस्टेनाइट नहीं रहता (सी)। उतारने पर, मार्टेंसाइट ऑस्टेनिटिक तनाव (डी) के नीचे ऑस्टेनाइट चरण में वापस आ जाएगा, जिस बिंदु पर तनाव तब तक पुनर्प्राप्त किया जाएगा जब तक सामग्री पूरी तरह से ऑस्टेनिटिक न हो और कोई विरूपण न हो।^[16]

मुख्य स्यूडोइलास्टिक प्रभाव तनाव-प्रेरित चरण परिवर्तन से आता है। दाईं ओर का आंकड़ा दर्शाता है कि यह प्रक्रिया कैसे होती है।

यहाँ एक लोड को एसएमए पर ऑस्टेनाइट फिनिश तापमान, एएफ के ऊपर, लेकिन मार्टेंसाइट विरूपण तापमान के नीचे, एमडी पर लागू किया जाता है। प्रेरित चरण परिवर्तन A_f पर किसी विशेष बिंदु के लिए, M_s रेखा पर एक उच्च तापमान वाला बिंदु चुनना संभव है, जब तक कि उस बिंदु M_d पर भी उच्च तनाव हो। सामग्री प्रारम्भ में धातुओं के लिए विशिष्ट लोचदार-प्लास्टिक व्यवहार प्रदर्शित करती है। हालांकि, एक बार जब सामग्री मार्टेंसिक तनाव तक पहुंच जाती है, तो ऑस्टेनाइट मार्टेंसाइट और डिटविन में बदल जाएगा। जैसा कि पहले चर्चा की गई थी, मार्टेंसाइट से ऑस्टेनाइट में वापस बदलने पर यह डिटविनिंग प्रतिवर्ती है। यदि बड़े तनाव लागू किए जाते हैं, तो प्लास्टिक व्यवहार जैसे डिटविनिंग और मार्टेंसाइट की पर्ची अनाज की सीमाओं या समावेशन जैसे स्थलों पर प्रारम्भ हो जाएगी।^[17]^[18] यदि प्लास्टिक विरूपण होने से पहले सामग्री को उतार दिया जाता है, तो ऑस्टेनाइट के लिए महत्वपूर्ण तनाव (σ) तक पहुंचने के बाद यह ऑस्टेनाइट में वापस आ जाएगा। सामग्री संरचनात्मक परिवर्तन से प्रेरित लगभग सभी तनावों को ठीक कर देगी, और कुछ एसएमए के लिए यह 10 प्रतिशत से अधिक तनाव हो सकता है।^[19]^[20] यह हिस्टैरिसीस लूप छोटे और बड़े विकृतियों के स्थितिों के बीच सामग्री के प्रत्येक चक्र के लिए किए गए कार्य को दिखाता है, जो कि कई अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है।

आकृति मेमोरी मिश्र धातु में मार्टेंसाइट और ऑस्टेनाइट लाइनों का तनाव-तापमान ग्राफ।

तनाव बनाम तापमान की साजिश में, ऑस्टेनाइट और मार्टेंसाइट प्रारंभ और समाप्ति रेखाएं समानांतर चलती हैं। एसएमई और छद्म प्रत्यास्थता वास्तव में एक ही घटना के विभिन्न भाग हैं, जैसा कि बाईं ओर दिखाया गया है।

बड़े तनाव विकृतियों की कुंजी दो चरणों के बीच क्रिस्टल संरचना में अंतर है। ऑस्टेनाइट में आम तौर पर एक क्यूबिक संरचना होती है, जबकि मार्टेंसाइट मोनोक्लिनिक या मूल चरण से अलग एक अन्य संरचना हो सकती है, आमतौर पर कम समरूपता के साथ। नितिनोल जैसे मोनोक्लिनिक मार्टेंसिटिक सामग्री के लिए, मोनोकलिनिक चरण में कम समरूपता होती है जो महत्वपूर्ण है क्योंकि कुछ क्रिस्टलोग्राफिक ओरिएंटेशन एक लागू तनाव के तहत अन्य झुकावों की तुलना में उच्च उपभेदों को समायोजित करेंगे। इस प्रकार यह अनुसरण करता है कि सामग्री उन झुकावों का निर्माण करेगी जो लागू तनाव में किसी भी वृद्धि से पहले समग्र तनाव को अधिकतम करते हैं।^[21] एक तंत्र जो इस प्रक्रिया में सहायता करता है वह मार्टेंसाइट चरण का जुड़वां है। क्रिस्टलोग्राफी में, एक जुड़वां सीमा एक द्वि-आयामी दोष है जिसमें जाली के परमाणु विमानों का ढेर सीमा के विमान में प्रतिबिंबित होता है। तनाव और तापमान के आधार पर, ये विरूपण प्रक्रियाएं स्लिप जैसे स्थायी विरूपण के साथ प्रतिस्पर्धा करेंगी।

यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि σ_ms चरण न्यूक्लिएशन के लिए तापमान और न्यूक्लिएशन साइटों की संख्या जैसे मापदंडों पर निर्भर है। इंटरफेस और समावेशन परिवर्तन प्रारम्भ करने के लिए सामान्य साइट प्रदान करेंगे, और यदि ये संख्या में बहुत अधिक हैं, तो यह न्यूक्लिएशन के लिए प्रेरणा शक्ति में वृद्धि करेगा।^[22] एक छोटा पी_ms सजातीय न्यूक्लियेशन की तुलना में इसकी आवश्यकता होगी। इसी तरह, तापमान बढ़ने से चरण परिवर्तन के लिए प्रेरक बल कम हो जाएगा, इसलिए बड़ा σ_ms आवश्यक होगा। कोई यह देख सकता है कि जैसे ही आप SMA के परिचालन तापमान में वृद्धि करते हैं, σ_ms उपज शक्ति से अधिक होगा, σ_y, और अतिरेचकता अब देखने योग्य नहीं होगी।

इतिहास

आकृति मेमोरी प्रभाव की खोज की दिशा में पहला सूचित कदम 1930 के दशक में लिया गया था। ओत्सुका और वेमैन के अनुसार, आर्ने ओलैंडर ने 1932 में एयू-सीडी मिश्र धातु के छद्म प्रत्यास्थ व्यवहार की खोज की। ग्रेनिंगर और मूरैडियन (1938) ने क्यू-जेडएन मिश्र धातु के तापमान को घटाकर और बढ़ाकर एक मार्टेंसिक चरण के गठन और गायब होने का अवलोकन किया। मार्टेंसाइट चरण के थर्मोइलास्टिक व्यवहार द्वारा शासित मेमोरी प्रभाव की मूल घटना को एक दशक बाद कुर्जुमोव और खांद्रोस (1949) और चांग और रीड (1951) द्वारा व्यापक रूप से रिपोर्ट किया गया था।^[23]

निकेल-टाइटेनियम मिश्र धातुओं को पहली बार 1962-1963 में संयुक्त स्थिति नौसेना आयुध प्रयोगशाला द्वारा विकसित किया गया था और व्यापार नाम नितिनोल (निकेल टाइटेनियम नौसेना आयुध प्रयोगशालाओं के लिए एक संक्षिप्त नाम) के तहत व्यावसायीकरण किया गया था। संयोग से उनके उल्लेखनीय गुणों की खोज की गई। प्रयोगशाला प्रबंधन बैठक में एक नमूना जो कई बार आकृति से बाहर हो गया था, प्रस्तुत किया गया था। सहयोगी तकनीकी निदेशकों में से एक, डॉ. डेविड एस. मुजे ने यह देखने का फैसला किया कि क्या होगा अगर नमूने को गर्म किया जाए और उसके नीचे अपना पाइप लाइटर रखा जाए। सभी को आश्चर्य हुआ कि नमूना वापस अपने मूल आकृति में आ गया।^[24]^[25]

एक अन्य प्रकार का एसएमए है, जिसे चुंबकीय-मेमोरी मिश्र धातु (एफएसएमए) कहा जाता है, जो मजबूत चुंबकीय क्षेत्र के तहत आकृति बदलता है। ये सामग्रियां विशेष रुचि की हैं क्योंकि चुंबकीय प्रतिक्रिया तापमान-प्रेरित प्रतिक्रियाओं की तुलना में तेज और अधिक कुशल होती है।

धातु मिश्र धातु केवल ऊष्मीय-उत्तरदायी सामग्री नहीं हैं; आकृति मेमोरी बहुलक भी विकसित किए गए हैं, और 1990 के दशक के अंत में व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हो गए।

क्रिस्टल संरचनाएं

कई धातुओं में एक ही रचना में कई अलग-अलग क्रिस्टल संरचनाएं होती हैं, लेकिन अधिकांश धातुएं इस आकृति मेमोरी प्रभाव को नहीं दिखाती हैं। विशेष संपत्ति जो आकृति मेमोरी मिश्र धातुओं को गर्म करने के बाद अपने मूल आकृति में वापस लाने की अनुमति देती है, वह यह है कि उनका क्रिस्टल परिवर्तन पूरी तरह से प्रतिवर्ती है। अधिकांश क्रिस्टल परिवर्तनों में, संरचना में परमाणु प्रसार द्वारा धातु के माध्यम से यात्रा करेंगे, संरचना को स्थानीय रूप से बदलते हुए, भले ही धातु एक ही परमाणुओं से बना हो। एक उत्क्रमणीय परिवर्तन में परमाणुओं का यह प्रसार सम्मिलित नहीं होता है, इसके बजाय सभी परमाणु एक ही समय में एक नई संरचना बनाने के लिए स्थानांतरित होते हैं, जिस तरह से एक समांतर चतुर्भुज को दो विपरीत पक्षों पर धकेल कर एक वर्ग से बाहर किया जा सकता है। विभिन्न तापमानों पर, विभिन्न संरचनाओं को प्राथमिकता दी जाती है और जब संक्रमण तापमान के माध्यम से संरचना को ठंडा किया जाता है, तो ऑस्टेनिटिक चरण से मार्टेंसिटिक संरचना बनती है।

निर्माण

शेप-मेमोरी मिश्र धातु आमतौर पर वैक्यूम आर्क मेल्टिंग या इंडक्शन मेल्टिंग का उपयोग करके कास्टिंग द्वारा बनाई जाती है। ये विशेषज्ञ तकनीकें हैं जिनका उपयोग मिश्र धातु में अशुद्धियों को कम से कम रखने और यह सुनिश्चित करने के लिए किया जाता है कि धातु अच्छी तरह से मिश्रित हो। पिंड को फिर लंबे खंडों में गर्म किया जाता है और फिर इसे तार में बदलने के लिए तार खींचा जाता है।

जिस तरह से मिश्र धातुओं को प्रशिक्षित किया जाता है वह वांछित गुणों पर निर्भर करता है। प्रशिक्षण उस आकृति को निर्धारित करता है जिसे मिश्र धातु गर्म होने पर याद रखेगी। यह मिश्र धातु को गर्म करने से होता है ताकि अव्यवस्था स्थिर स्थिति में फिर से व्यवस्थित हो जाए, लेकिन इतना गर्म न हो कि सामग्री का पुन: क्रिस्टलीकरण (धातु विज्ञान)। इन्हें बीच-बीच में गर्म किया जाता है 400 °C और 500 °C 30 मिनट के लिए, गर्म रहते हुए आकृति दिया जाता है, और फिर पानी में बुझाकर या हवा से ठंडा करके तेजी से ठंडा किया जाता है।

गुण

कॉपर-आधारित और निकेल-टाइटेनियम-आधारित आकृति मेमोरी मिश्र धातुओं को इंजीनियरिंग सामग्री माना जाता है। इन रचनाओं को लगभग किसी भी आकृति और आकृति में निर्मित किया जा सकता है।

आकृति मेमोरी मिश्र धातुओं की उपज शक्ति पारंपरिक स्टील की तुलना में कम है, लेकिन कुछ रचनाओं में प्लास्टिक या एल्यूमीनियम की तुलना में अधिक उपज शक्ति होती है। नी टीआई के लिए यील्ड स्ट्रेस पहुंच सकता है 500 MPa. धातु की उच्च लागत और प्रसंस्करण आवश्यकताओं ने एसएमए को एक डिजाइन में लागू करना कठिन और महंगा बना दिया है। नतीजतन, इन सामग्रियों का उपयोग उन अनुप्रयोगों में किया जाता है जहां सुपर लोचदार गुण या आकृति मेमोरी प्रभाव का फायदा उठाया जा सकता है। सबसे आम आवेदन सक्रियता में है।

आकृति मेमोरी मिश्र धातुओं का उपयोग करने के फायदों में से एक उच्च स्तर का पुनर्प्राप्त करने योग्य प्लास्टिक तनाव है जिसे प्रेरित किया जा सकता है। अधिकतम पुनर्प्राप्त करने योग्य तनाव इन सामग्रियों को स्थायी क्षति के बिना धारण कर सकता है 8% कुछ मिश्र धातुओं के लिए। यह अधिकतम तनाव के साथ तुलना करता है 0.5% पारंपरिक स्टील्स के लिए।

व्यावहारिक सीमाएँ

एसएमए के पारंपरिक प्रवर्तक पर कई फायदे हैं, लेकिन उन सीमाओं की एक श्रृंखला से ग्रस्त हैं जो व्यावहारिक अनुप्रयोग को बाधित कर सकते हैं। कई अध्ययनों में, इस बात पर जोर दिया गया था कि सामग्री और डिजाइन ज्ञान और संबद्ध उपकरणों, जैसे अनुचित डिजाइन दृष्टिकोण और उपयोग की जाने वाली तकनीकों की कमी के साथ संयुक्त भौतिक सीमाओं के कारण केवल कुछ पेटेंट आकृति मेमोरी मिश्र धातु अनुप्रयोग व्यावसायिक रूप से सफल हैं।^[26] एसएमए अनुप्रयोगों को डिजाइन करने में चुनौतियां उनकी सीमाओं को दूर करने के लिए हैं, जिसमें अपेक्षाकृत छोटे उपयोग योग्य तनाव, कम सक्रियता आवृत्ति, कम नियंत्रणीयता, कम सटीकता और कम ऊर्जा दक्षता सम्मिलित है।^[27]

प्रतिक्रिया समय और प्रतिक्रिया समरूपता

एसएमए प्रवर्तक आमतौर पर विद्युत रूप से सक्रिय होते हैं, जहां जूल हीटिंग में विद्युत प्रवाह का परिणाम होता है। निष्क्रियता आम तौर पर परिवेशी वातावरण में मुक्त संवहन ताप हस्तांतरण द्वारा होती है। नतीजतन, एसएमए एक्चुएशन आमतौर पर असममित होता है, जिसमें अपेक्षाकृत तेज़ एक्चुएशन समय और धीमी गति से निष्क्रियता का समय होता है। गर्मी हस्तांतरण दर में हेरफेर करने के लिए मजबूर संवहन, और एक प्रवाहकीय सामग्री के साथ एसएमए को पीछे करने सहित एसएमए निष्क्रियता समय को कम करने के लिए कई तरीकों का प्रस्ताव किया गया है।^[28]

एसएमए प्रवर्तक की व्यवहार्यता बढ़ाने के लिए नए तरीकों में प्रवाहकीय "लैगिंग" का उपयोग सम्मिलित है। यह विधि चालन द्वारा एसएमए से गर्मी को तेजी से स्थानांतरित करने के लिए थर्मल पेस्ट का उपयोग करती है। यह गर्मी तब अधिक आसानी से संवहन द्वारा पर्यावरण में स्थानांतरित हो जाती है क्योंकि बाहरी रेडी (और गर्मी हस्तांतरण क्षेत्र) नंगे तार की तुलना में काफी अधिक होते हैं। इस पद्धति के परिणामस्वरूप निष्क्रियकरण समय और एक सममित सक्रियण प्रोफ़ाइल में महत्वपूर्ण कमी आती है। बढ़ी हुई ऊष्मा अंतरण दर के परिणामस्वरूप, एक दिए गए सक्रियण बल को प्राप्त करने के लिए आवश्यक धारा बढ़ जाती है। ^[29]

बेयर और लैग्ड Ni-Ti शेप मेमोरी अलॉय का तुलनात्मक फ़ोर्स-टाइम रिस्पांस।^[30]

संरचनात्मक थकान और कार्यात्मक थकान

एसएमए संरचनात्मक थकान के अधीन है - एक विफलता मोड जिसके द्वारा चक्रीय लोडिंग के परिणामस्वरूप दरार की शुरुआत और प्रसार होता है जो अंततः फ्रैक्चर द्वारा कार्य के विनाशकारी नुकसान में परिणाम देता है। इस थकान मोड के पीछे भौतिकी चक्रीय लोडिंग के दौरान माइक्रोस्ट्रक्चरल क्षति का संचय है। यह विफलता मोड केवल एसएमए ही नहीं, बल्कि अधिकांश इंजीनियरिंग सामग्रियों में देखा जाता है।

एसएमए भी कार्यात्मक थकान के अधीन हैं, एक विफलता मोड अधिकांश इंजीनियरिंग सामग्री के लिए विशिष्ट नहीं है, जिससे एसएमए संरचनात्मक रूप से विफल नहीं होता है, लेकिन समय के साथ इसकी आकृति मेमोरी / सुपरलेस्टिक विशेषताओं को खो देता है। चक्रीय लोडिंग (यांत्रिक और थर्मल दोनों) के परिणामस्वरूप, सामग्री एक प्रतिवर्ती चरण परिवर्तन से गुजरने की क्षमता खो देती है। उदाहरण के लिए, एक एक्चुएटर में काम करने का विस्थापन बढ़ती चक्र संख्या के साथ घटता है। इसके पीछे भौतिक विज्ञान माइक्रोस्ट्रक्चर में क्रमिक परिवर्तन है - अधिक विशेष रूप से, आवास स्लिप डिस्लोकेशन का निर्माण। यह अक्सर रूपांतरण तापमान में महत्वपूर्ण परिवर्तन के साथ होता है।^[31] एसएमए एक्चुएटर्स का डिज़ाइन एसएमए की संरचनात्मक और कार्यात्मक थकान दोनों को प्रभावित कर सकता है जैसे कि एसएमए-पुली सिस्टम में चरखी विन्यास।^[32]

अनपेक्षित सक्रियता

SMA एक्चुएटर्स को आमतौर पर जूल हीटिंग द्वारा विद्युत रूप से सक्रिय किया जाता है। यदि एसएमए का उपयोग ऐसे वातावरण में किया जाता है जहां परिवेश का तापमान अनियंत्रित होता है, तो परिवेशी तापन द्वारा अनजाने में सक्रियता हो सकती है।

अनुप्रयोग

औद्योगिक

विमान और अंतरिक्ष यान

बोइंग, जनरल इलेक्ट्रिक विमान इंजन, गुडरिक कॉर्पोरेशन, नासा टेक्सास ए एंड एम यूनिवर्सिटी और सभी निप्पॉन एयरवेज ने निकेल-टाइटेनियम SMA का उपयोग करके वेरिएबल ज्योमेट्री शेवरॉन विकसित किया। इस तरह के एक परिवर्तनीय क्षेत्र प्रशंसक नोजल (वीएएफएन) डिजाइन भविष्य में शांत और अधिक कुशल जेट इंजनों की अनुमति देगा। 2005 और 2006 में, बोइंग ने इस तकनीक का सफल उड़ान परीक्षण किया।^[33] लॉन्च वाहनों और वाणिज्यिक जेट इंजनों के लिए कंपन डैम्पर्स के रूप में एसएमए की खोज की जा रही है। सुपररेलास्टिक प्रभाव के दौरान देखी गई हिस्टैरिसीस की बड़ी मात्रा एसएमए को ऊर्जा को नष्ट करने और कंपन को कम करने की अनुमति देती है। ये सामग्रियां लॉन्च के दौरान पेलोड के साथ-साथ वाणिज्यिक जेट इंजनों में पंखे के ब्लेड पर उच्च कंपन भार को कम करने का वादा दिखाती हैं, जिससे अधिक हल्के और कुशल डिजाइन की अनुमति मिलती है।^[34] एसएमए अन्य उच्च शॉक अनुप्रयोगों जैसे बॉल बेयरिंग और लैंडिंग गियर के लिए भी क्षमता प्रदर्शित करता है।^[35]

वाणिज्यिक जेट इंजनों में विभिन्न प्रकार के एक्चुएटर अनुप्रयोगों के लिए एसएमए का उपयोग करने में भी गहरी रुचि है, जो उनके वजन को कम करेगा और दक्षता को बढ़ावा देगा।^[36] हालांकि, इस क्षेत्र में और अनुसंधान किए जाने की आवश्यकता है, हालांकि, परिवर्तन तापमान को बढ़ाने और इन सामग्रियों के यांत्रिक गुणों में सुधार करने से पहले उन्हें सफलतापूर्वक कार्यान्वित किया जा सकता है। हाई-टेम्परेचर शेप-मेमोरी मिश्र धातु (HTSMA) में हालिया प्रगति की समीक्षा मा एट अल द्वारा प्रस्तुत की गई है।^[19]

विभिन्न प्रकार की विंग-मॉर्फिंग तकनीकों का भी पता लगाया जा रहा है।^[34]

ऑटोमोटिव

पहला उच्च मात्रा वाला उत्पाद (> 5Mio प्रवर्तक / वर्ष) एक ऑटोमोटिव वाल्व है जिसका उपयोग कार की सीट में कम दबाव वाले वायवीय मूत्राशय को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है जो काठ का समर्थन / बोलस्टर्स के समोच्च को समायोजित करता है। इस एप्लिकेशन में पारंपरिक रूप से उपयोग किए जाने वाले सोलनॉइड्स पर एसएमए के समग्र लाभ (कम शोर/ईएमसी/वजन/फॉर्म फैक्टर/बिजली की खपत) एसएमए के साथ पुरानी मानक तकनीक को बदलने के निर्णय में महत्वपूर्ण कारक थे।

2014 शेवरलेट कार्वेट एसएमए प्रवर्तक को सम्मिलित करने वाला पहला वाहन बन गया, जिसने ट्रंक से हवा छोड़ने वाले हैच वेंट को खोलने और बंद करने के लिए भारी मोटरयुक्त प्रवर्तक को बदल दिया, जिससे इसे बंद करना आसान हो गया। विभिन्न प्रकार के अन्य अनुप्रयोगों को भी लक्षित किया जा रहा है, जिसमें विभिन्न गति पर वायुगतिकी को अनुकूलित करने के लिए निकास गर्मी और ऑन-डिमांड एयर बांधों से बिजली उत्पन्न करने के लिए बिजली जनरेटर सम्मिलित हैं।

रोबोटिक्स

रोबोटिक्स में इन सामग्रियों का उपयोग करने पर भी सीमित अध्ययन किया गया है, उदाहरण के लिए हॉबीस्ट रोबोट स्टिक्विटो (और रोबोटरफ्राउ लारा^[37]), क्योंकि वे बहुत हल्के रोबोट बनाना संभव बनाते हैं। हाल ही में, लोह एट अल द्वारा एक कृत्रिम हाथ पेश किया गया था। जो मानव हाथ की गति को लगभग दोहरा सकता है [Loh2005]। अन्य बायोमिमेटिक अनुप्रयोगों का भी पता लगाया जा रहा है। प्रौद्योगिकी के कमजोर बिंदु ऊर्जा अक्षमता, आकृति मेमोरी मिश्र धातु#प्रतिक्रिया समय और प्रतिक्रिया समरूपता, और बड़े हिस्टैरिसीस हैं।

वाल्व

एसएमए का उपयोग एक्टुएटिंग वाल्व के लिए भी किया जाता है।^[38] एसएमए वाल्व डिजाइन में विशेष रूप से कॉम्पैक्ट हैं।

बायो-इंजीनियर्ड रोबोटिक हैंड

रोबोटिक हाथ के कुछ एसएमए-आधारित प्रोटोटाइप हैं जो उंगलियों को स्थानांतरित करने के लिए शेप मेमोरी इफेक्ट (एसएमई) का उपयोग करते हैं।^[39]

सिविल संरचनाएं

एसएमए सिविल संरचनाओं जैसे पुलों और भवनों में विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोग पाते हैं। सरियों या प्लेटों के रूप में, उनका उपयोग कंक्रीट और इस्पात संरचनाओं के वंक, कतरनी और भूकंपीय मजबूती के लिए किया जा सकता है। एक अन्य एप्लिकेशन इंटेलिजेंट रीइन्फोर्स्ड कंक्रीट (आईआरसी) है, जिसमें कंक्रीट के भीतर एम्बेडेड एसएमए तार सम्मिलित हैं। ये तार सूक्ष्म आकृति की दरारों को ठीक करने के लिए दरारें और अनुबंध महसूस कर सकते हैं। साथ ही कंपन को कम करने के लिए एसएमए तारों का उपयोग करके संरचनात्मक प्राकृतिक आवृत्ति का सक्रिय ट्यूनिंग संभव है, साथ ही कंक्रीट में एसएमए फाइबर का उपयोग भी संभव है।^[40]

पाइपिंग

पहला उपभोक्ता वाणिज्यिक अनुप्रयोग पाइपिंग के लिए आकृति मेमोरी युग्मन था, उदा. तेल पाइप लाइन, औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए, पानी के पाइप और उपभोक्ता / वाणिज्यिक अनुप्रयोगों के लिए समान प्रकार के पाइपिंग।

उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स

स्मार्टफोन कैमरे

कई स्मार्टफोन कंपनियों ने कैम्ब्रिज मेक्ट्रोनिक्स से लाइसेंस के तहत निर्मित SMA प्रवर्तक को सम्मिलित करते हुए छवि स्थिरीकरण (OIS) मॉड्यूल वाले हैंडसेट जारी किए हैं।

दवा

आकृति-मेमोरी मिश्र धातुओं को चिकित्सा में लागू किया जाता है, उदाहरण के लिए, हड्डी रोग सर्जरी में ओस्टियोटमी के लिए निर्धारण उपकरण के रूप में, शल्य चिकित्सा उपकरणों में एक्चुएटर के रूप में; बायोप्सी और ब्रैकीथेरेपी जैसी सर्जिकल प्रक्रियाओं में न्यूनतम इनवेसिव चमड़े के नीचे कैंसर हस्तक्षेप के लिए सक्रिय स्टीयरेबल सर्जिकल सुई,^[41] दंतपट्टिका में दांतों पर लगातार दांतों को हिलाने वाली ताकत लगाने के लिए, कैप्सूल एंडोस्कोपी में उन्हें बायोप्सी एक्शन के लिए ट्रिगर के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है।

1980 के दशक के उत्तरार्ध में नितिनोल का व्यावसायिक परिचय कई न्यूनतम इनवेसिव एंडोवास्कुलर चिकित्सा अनुप्रयोगों में एक सक्षम तकनीक के रूप में देखा गया। जबकि स्टेनलेस स्टील की तुलना में अधिक महंगा, BTR (बॉडी टेम्परेचर रिस्पांस) के लिए निर्मित नितिनोल मिश्र धातुओं के स्व-विस्तारित गुणों ने स्टेंट ग्राफ्ट में गुब्बारे के विस्तार योग्य उपकरणों के लिए एक आकर्षक विकल्प प्रदान किया है जहां यह कुछ रक्त वाहिकाओं के आकृति के अनुकूल होने की क्षमता देता है जब शरीर के तापमान के संपर्क में। औसत पर, 50% दुनिया भर के बाजार में वर्तमान में उपलब्ध सभी पेरिफेरल वैस्कुलर स्टेंट नितिनोल से निर्मित होते हैं।

ऑप्टोमेट्री

टाइटेनियम युक्त एसएमए से बने चश्मे फ्लेक्सन और टाइटनफ्लेक्स ट्रेडमार्क के तहत विपणन किए जाते हैं। ये फ्रेम आमतौर पर आकृति मेमोरी मिश्र धातुओं से बने होते हैं, जिनका संक्रमण तापमान अपेक्षित कमरे के तापमान से कम होता है। यह फ्रेम को तनाव के तहत बड़े विरूपण से गुजरने की अनुमति देता है, फिर भी धातु को फिर से उतारने के बाद अपने इच्छित आकृति को पुनः प्राप्त कर लेता है। बहुत बड़े स्पष्ट रूप से लोचदार उपभेद तनाव-प्रेरित मार्टेंसिक प्रभाव के कारण होते हैं, जहां क्रिस्टल संरचना लोडिंग के तहत बदल सकती है, जिससे लोड के तहत अस्थायी रूप से आकृति बदलने की अनुमति मिलती है। इसका मतलब यह है कि शेप-मेमोरी मिश्र धातु से बना चश्मा गलती से क्षतिग्रस्त होने के खिलाफ अधिक मजबूत होता है।

आर्थोपेडिक सर्जरी

मेमोरी धातु का उपयोग आर्थोपेडिक सर्जरी में ऑस्टियोटॉमी के लिए फिक्सेशन-संपीड़न उपकरण के रूप में किया गया है, आमतौर पर निचले छोर की प्रक्रियाओं के लिए। डिवाइस, आमतौर पर एक बड़े स्टेपल के रूप में, एक रेफ्रिजरेटर में अपने निंदनीय रूप में संग्रहीत किया जाता है और एक ओस्टियोटॉमी में हड्डी में पूर्व-ड्रिल किए गए छेद में प्रत्यारोपित किया जाता है। जैसे ही स्टेपल गर्म होता है, यह अपनी गैर-निंदनीय स्थिति में लौट आता है और हड्डी के मिलन को बढ़ावा देने के लिए हड्डी की सतहों को एक साथ संकुचित करता है।^[42]

दंत चिकित्सा

पिछले कुछ वर्षों में एसएमए के लिए आवेदनों की सीमा में वृद्धि हुई है, विकास का एक प्रमुख क्षेत्र दंत चिकित्सा है। एक उदाहरण दांतों पर लगातार दांतों को हिलाने वाली शक्तियों को लागू करने के लिए एसएमए तकनीक का उपयोग करते हुए दंत ब्रेसिज़ का प्रचलन है; नाइटिनोल आर्कवायर को 1972 में विषमदंत जॉर्ज एंड्रीसन द्वारा विकसित किया गया था।^[43] इसने क्लिनिकल ऑर्थोडॉन्टिक्स में क्रांति ला दी। एंड्रियासन के मिश्र धातु में एक पैटर्न आकृति की मेमोरी होती है, इसकी ज्यामितीय प्रोग्रामिंग के कारण दी गई तापमान सीमाओं के भीतर विस्तार और अनुबंध होता है।

हरमीत डी। वालिया ने बाद में एंडोडोंटिक्स के लिए रूट कैनाल फाइलों के निर्माण में मिश्र धातु का उपयोग किया।

आवश्यक कंपन

कंपकंपी को कम करने के लिए पारंपरिक सक्रिय रद्दीकरण तकनीक किसी वस्तु को गड़बड़ी के विपरीत दिशा में सक्रिय करने के लिए विद्युत, हाइड्रोलिक, या वायवीय प्रणालियों का उपयोग करती है। हालांकि, मानव कंपन आवृत्तियों पर बिजली के बड़े आयाम उत्पन्न करने के लिए आवश्यक बड़े बुनियादी ढांचे के कारण ये प्रणालियां सीमित हैं। एसएमए हाथ से चलने वाले अनुप्रयोगों में सक्रियता का एक प्रभावी तरीका साबित हुआ है, और एक नए वर्ग के सक्रिय कंपन रद्दीकरण उपकरणों को सक्षम किया है।^[44] इस तरह के उपकरण का एक हालिया उदाहरण लिफ़्टवेयर चम्मच है, जिसे वास्तव में जीवन विज्ञान की सहायक कंपनी लिफ्ट लैब्स द्वारा विकसित किया गया है।

इंजन

ठंडे और गर्म पानी के जलाशयों में अपेक्षाकृत छोटे तापमान के अंतर से संचालित प्रायोगिक ठोस अवस्था ताप इंजन, 1970 के दशक से विकसित किए गए हैं, जिसमें रिजवे बैंक्स द्वारा विकसित बैंक्स इंजन भी सम्मिलित है।

शिल्प

चिपकाने से मुक्त कंगन में उपयोग के लिए छोटी गोल लंबाई में बेचा जाता है।

ताप और शीतलन

सारलैंड विश्वविद्यालय के जर्मन वैज्ञानिकों ने एक प्रोटोटाइप मशीन का निर्माण किया है जो एक घूमने वाले सिलेंडर के चारों ओर लिपटे निकेल-टाइटेनियम (नाइटिनोल) मिश्र धातु के तार का उपयोग करके गर्मी स्थानांतरित करता है। जैसे ही सिलेंडर घूमता है, गर्मी एक तरफ अवशोषित हो जाती है और दूसरी तरफ जारी हो जाती है, क्योंकि तार अपने सुपरलेस्टिक स्थिति से अपने अनलोडेड स्थिति में बदल जाता है। सारलैंड विश्वविद्यालय द्वारा जारी 2019 के एक लेख के अनुसार, जिस दक्षता से गर्मी स्थानांतरित की जाती है, वह एक विशिष्ट ताप पंप या एयर कंडीशनर की तुलना में अधिक प्रतीत होती है।^[45] आज उपयोग में आने वाले लगभग सभी एयर कंडीशनर और गर्मी पंप रेफ़्रिजरेंट के वाष्प-संपीड़न का उपयोग करते हैं। समय के साथ, इन प्रणालियों में उपयोग किए जाने वाले कुछ रेफ्रिजरेंट वातावरण में लीक हो जाते हैं और ग्लोबल वार्मिंग में योगदान करते हैं। यदि नई तकनीक, जिसमें रेफ्रिजरेंट का उपयोग नहीं किया जाता है, किफायती और व्यावहारिक साबित होती है, तो यह जलवायु परिवर्तन को कम करने के प्रयास में महत्वपूर्ण सफलता प्रदान कर सकती है।^{[citation needed]}

सामग्री

मिश्र धातुओं की एक किस्म आकृति मेमोरी प्रभाव प्रदर्शित करती है। एसएमए के परिवर्तन तापमान को नियंत्रित करने के लिए मिश्र धातु घटकों को समायोजित किया जा सकता है। कुछ सामान्य प्रणालियों में निम्नलिखित सम्मिलित हैं (किसी भी तरह से विस्तृत सूची नहीं):

Ag-Cd 44/49 at.% Cd
Au-Cd 46.5/50 at.% Cd
Co-Ni-Al^[46]
Co-Ni-Ga
Cu-Al-Be-X(X:Zr, B, Cr, Gd)
Cu-Al-Ni 14/14.5 wt.% Al, 3/4.5 wt.% Ni
Cu-Al-Ni-Hf
Cu-Sn, 15% Sn
Cu-Zn 38.5/41.5 wt.% Zn
Cu-Zn-X (X = Si, Al, Sn)
Fe-Mn-Si
Fe-Pt, 25 at.% Pt
Mn-Cu 5/35 at.% Cu
Ni-Fe-Ga
Ni-Ti, 55–60 wt.% Ni
Ni-Ti-Hf
Ni-Ti-Pd
Ni-Mn-Ga^[47]
Ni-Mn-Ga-Cu
Ni-Mn-Ga-Co
Ti-Nb

संदर्भ

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बाहरी संबंध

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[2] Cederström, J.; Van Humbeeck, J. (February 1995). "आकार स्मृति सामग्री गुणों और अनुप्रयोगों के बीच संबंध". Le Journal de Physique IV. 05 (C2): C2-335–C2-341. doi:10.1051/jp4:1995251.

[3] Hodgson, Darel E.; Wu, Ming H.; Biermann, Robert J. (1990). "Shape Memory Alloys". Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials. pp. 897–902. doi:10.31399/asm.hb.v02.a0001100. ISBN 978-1-62708-162-7.

[4] Huang, W. (February 2002). "एक्चुएटर्स के लिए शेप मेमोरी एलॉय के चयन पर". Materials & Design. 23 (1): 11–19. doi:10.1016/S0261-3069(01)00039-5.

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