Los ingenieros desarrollan una nueva forma

Oct 06, 2023

Instituto de Tecnología de Massachusetts, Cambridge, MA

El descubrimiento de una nueva categoría de materiales con memoria de forma (cerámica en lugar de metal) podría abrir una nueva gama de aplicaciones, especialmente para configuraciones de alta temperatura, como actuadores dentro de un motor a reacción.

Los materiales con memoria de forma tienen dos formas distintas y pueden alternar entre ellas. Pueden activarse fácilmente por la temperatura, el estrés mecánico o los campos eléctricos o magnéticos, para cambiar de forma de una manera que ejerza fuerza.

"Son materiales interesantes porque son como un pistón de estado sólido", dijo el profesor Christopher Schuh, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT. Dicho de otra manera, son un dispositivo que puede empujar contra algo.

Sin embargo, mientras que un pistón es un conjunto de muchas partes, un "material con memoria de forma es un material de estado sólido que hace todo eso. No necesita un sistema. No necesita muchas partes. Es solo un material , y cambia su forma espontáneamente. Puede funcionar. Por lo tanto, es interesante como un 'material inteligente'", agregó.

Los metales con memoria de forma se han utilizado durante mucho tiempo como actuadores simples en una variedad de dispositivos, pero están limitados por las temperaturas de servicio alcanzables de los metales utilizados, generalmente unos pocos cientos de grados C, como máximo.

La cerámica puede soportar temperaturas mucho más altas, a veces hasta miles de grados, que los metales con memoria de forma, pero son frágiles. Un equipo del MIT ha encontrado una manera de producir un material cerámico que puede actuar sin acumular daños, lo que hace posible que funcione de manera confiable como un material con memoria de forma a través de muchos ciclos de uso.

"Los materiales con memoria de forma que existen en el mundo son todos de metal", dijo Schuh. "Cuando cambias la forma de un material a nivel atómico, se puede crear una gran cantidad de daño. Los átomos tienen que reorganizarse y cambiar su estructura. Y a medida que los átomos se mueven y reorganizan, es bastante fácil colocarlos en el puntos equivocados y crean defectos y dañan el material, lo que los lleva a la fatiga y eventualmente se desmoronan.

"Terminas con materiales que pueden deformarse unas cuantas veces, pero finalmente se degradan y pueden desmoronarse. Y debido a que los metales son tan dúctiles, son un poco más resistentes a los daños, por lo que el campo realmente se ha centrado en los metales. porque cuando un metal está dañado por dentro, lo puede tolerar”, agregó Schuh.

El equipo tenía como objetivo diseñar una nueva cerámica y apuntar específicamente a esa histéresis. "Queríamos diseñar una cerámica en la que la transformación [de la forma] fuera de alguna manera gigantesca: queremos hacer mucho trabajo. Pero internamente, a escala atómica, es más suave", dijo.

Schuh explicó que el equipo "tomó todas las herramientas modernas de la ciencia, todo lo que puedas nombrar: termodinámica computacional, física de transformación de fase, cálculos cristalográficos, aprendizaje automático, y juntó todas estas herramientas de una manera totalmente nueva" para resolver este problema. .

El resultado fue una nueva variación de zirconia, pero algunos átomos de diferentes elementos se han introducido en su estructura de una manera que altera algunas de sus propiedades. Los elementos "se disuelven en la red, la esculpen y cambian esa transformación, la hacen más suave a escala atómica".

La histéresis cambió tan dramáticamente que ahora se parece a la de los metales, dijo Schuh. Y la deformación que el material puede alcanzar asciende a alrededor del 10 por ciento.

Los actuadores que dirigen el flujo de aire dentro de un motor a reacción podrían ser una aplicación útil, anotó el equipo. Si bien ese entorno general es caliente, hay varios canales de flujo de aire que se controlan, por lo que esos flujos podrían usarse para activar una cerámica con memoria de forma.

El equipo planea continuar explorando el material, encontrando formas de producirlo en lotes más grandes y formas más complejas, y probando su capacidad para resistir más ciclos de transformación.

Para obtener más información, comuníquese con Abby Abazorius en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita habilitar JavaScript para verlo.; 617-253-2709.

Este artículo apareció por primera vez en la edición de febrero de 2023 de la revista Tech Briefs.

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