[NEWS] ทำไม NASA ต้องใช้วัสดุอัจฉริยะคืนรูปเองได้
NASA คิดค้นวัสดุอัจฉริยะคืนรูปเองได้ในช่วงอุณหภูมิสูง
วัสดุจำรูปได้ หรือ Shape memory alloys (SMAs) เป็นหนึ่งในวัสดุจำพวกวัสดุอัจฉริยะ (Smart materials) มีการคิดค้นและพัฒนามาอย่างยาวนาน ตั้งแต่ปี 1930
SMAs เป็นวัสดุที่มีความพิเศษสามารถกลับคืนรูปร่างเดิมของตัวเองได้ ถึงแม้จะได้รับแรงทางกลเช่น บิด งอ ก็จะคืนรูปเดิมเมื่อได้รับอุณหภูมิสูงหรือต่ำ (specific activation temperature) อีกทั้งยังมีน้ำหนักเบา ส่วนมาก SMAs นิยมใช้ในอุตสาหกรรมท่าอากาศยาน การบิน เครื่องยนต์ที่ใช้ความร้อนสูง แต่ก็พบในอุปกรณ์ใกล้ตัวได้คือกรอบแว่นตา ลวดดัดฟันที่ทำจากไทเทเนียมผสม (Ti alloy) ในปี 1990 เริ่มมีการใช้ SMAs ในอุตสาหกรรมยา
หลักการคืนรูปของวัสดุจำรูปได้ https://blog.thepipingmart.com/other/an-overview-of-shape-memory-alloy/
องค์การ NASA เป็นหนึ่งในองค์กรที่มีการพัฒนาวัสดุ SMAs นี้อย่างต่อเนื่องถึงกับมีฐานข้อมูลของ SMAs โดยเฉพาะ (NASA’s shape memory materials database) ในปี 2017 Dr. Othmane Benafan วิศวกรวัสดุของศูนย์วิจัย NASA’s Glenn และทีมนักวิจัย ได้พัฒนา SMAs ที่ใช้ได้ในช่วงอุณหภูมิกว้าง ตั้งแต่ -150 ถึง 500 องศาเซลเซียส จัดอยู่ในกลุ่มโลหะจำรูปได้ที่อุณหภูมิสูง (High temperature SMA; HTSMAs) หมายถึงวัสดุจะเปลี่ยนรูปแบบถาวรถ้าได้รับแรงมากระทำในช่วง อุณหภูมิ -150 ถึง 500 องศาเซลเซียส
แต่ทำให้กลับคืนรูปร่างเดิมอุณหภูมิเมื่อได้รับอุณหภูมิต่ำกว่า -150 และสูงกว่า 500 องศาเซลเซียส โดยวัสดุหลักเป็นโลหะผสม Ni-Ti ในปริมาณเท่า ๆ กัน และมีการใส่ Pd (Palladium) Pt (Platinum) Au (Gold) Hf (Hafnium) และ Zr (Zirconium) ในปริมาณ 10 – 25% ต่างจาก SMAs ที่เป็น NiTi alloy (ใช้กันมาก) มักจะมีอุณหภูมิวิกฤตในการคืนรูปต่ำประมาณ 100 องศาเซลเซียส
SMAs จะเกิดการเปลี่ยนแปลงทางอะตอมโดยอาศัยการเปลี่ยนเฟสในรูปแบบของแข็ง Solid state โครงสร้างผลึกจะเคลื่อนที่และเปลี่ยนไปชั่วคราวเมื่อได้รับแรงภายนอกมากระทำ จนเสียรูปอย่างถาวร หากเป็นวัสดุปกติเมื่อเกิดการเสียรูปอย่างถาวรไปแล้วจะไม่สามารถกลับสู่รูปร่างเดิมได้
แต่ SMAs เจออุณหภูมิที่สูงหรือต่ำมากจนติดลบ อะตอมในโครงสร้างผลึกจะเคลื่อนที่กลับที่ตำแหน่งเดิม (atomic-level rearrangement) ทำให้วัสดุ SMAs กลับคืนรูปร่างเดิมได้อย่างสมบูรณ์แบบ ให้นึกถึงการคืนกลับรูปร่างได้ในวัสดุจำพวกยางแต่ในกรณีนี้เกิดขึ้นกับโลหะ
โครงสร้างจุลภาคของการเกิด Twining deformation ทำให้เกิด SMAs ถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM)
ในช่วงปี 1980s องค์การ NASA ได้ใช้ SMAs ในอวกาศซึ่งอุปกรณ์เหล่านั้นจะต้องใช้งานซ้ำในสภาวะนั้นๆเป็นหลายล้านครั้ง ส่วนมาก SMAs จะเริ่มเปลี่ยนแปลงรูปร่างกลับมาได้เอง เมื่อได้รับอุณหภูมิกระตุ้นจำเพาะใกล้ ๆ 100 องศาเซลเซียส ซึ่งถ้าจอดเครื่องบินไว้ข้างนอกในวันที่อากาศร้อนจะทำให้ปีกเครื่องบินขยับได้เองโดยที่ไม่ได้ตั้งใจ หรือปีกเครื่องบินจะไม่หดกลับถ้าอุณหภูมิไม่ต่ำจนถึงจุดที่กลับคืนรูปร่างเดิมได้
Dr. Othmane Benafan กำลังติดตั้งการทดสอบ Shape memory alloys ที่ NASA’s Glenn Research Center
ในชิ้นส่วนของเครื่องบินหรือเกี่ยวกับอวกาศ ต้องการใชงานที่อุณหภูมิสูงบางอุปกรณ์ไม่ต้องการให้เปลี่ยนรูปกลับมาขณะที่ใช้งานในอุณหภูมิปกติ ดังนั้นทีมวิจัยขององค์การ NASA Glenn ได้พัฒนาวัสดุ SMAs มาตลอด จนในปัจจุบัน ได้ค้นพบโลหะผสมที่ทำให้ SMAs การกลับคืนรูปร่างเดิมของอุปกรณ์ที่อุณหภูมิเกือบ 500 องศาเซลเซียส ตามที่กล่าวไปแล้ว
โดยทีมวิจัยทำการทดลองกับชิ้นงานท่อยาว 1 ฟุต เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.5 นิ้ว ทำการบิด (twist) ทำมุม 100 องศา ทำการทดลอง torque สามารถทนแรงบิดได้ 15000 in-lb จึงเป็นไปได้ที่ผลิตชิ้นส่วนการบังคับปีกเครื่องบิน (Actuators) ขนาดใหญ่ ในลักษณะ ลวด สายเคเบิลหรือสปริง ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 นิ้ว
ชิ้นงาน SMAs เพื่อทดสอบแรงบิด Torque ที่ NASA’s Glenn Research Center
ข้อดีของ SMAs ที่ใช้ในเครื่องบิน
- 1.น้ำหนักเบา
- 2.มีขนาดเล็กกว่าอุปกรณ์ระบบ Hydraulic หรือ Pneumatic ทำให้ใส่ในช่องว่างเล็ก ๆ ของปีกเครื่องบินได้
- 3.ลดจำนวนชิ้นส่วนเครื่องยนต์ได้เช่น ปั๊ม เกียร์ ของไหลต่าง ๆ และระบบปิดของไหล ทำให้โอกาสการเสียหายลดลง
ตามอ่านเพิ่มเติมได้ที่
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
