Las aleaciones con memoria de forma magnética (MSMA), también llamadas aleaciones ferromagnéticas con memoria de forma (FSMA), son aleaciones con memoria de forma particulares que producen fuerzas y deformaciones en respuesta a un campo magnético. El efecto de memoria de forma térmica también se ha obtenido en estos materiales.
Las aleaciones de MSM son materiales ferromagnéticos que pueden producir movimiento y fuerzas bajo campos magnéticos moderados. Normalmente, los MSMA son aleaciones de níquel, manganeso y galio (Ni-Mn-Ga).
En 1996, el Dr. Kari Ullakko y sus colaboradores del MIT presentaron una deformación inducida magnéticamente de aproximadamente el 0,2%. [1] Desde entonces, las mejoras en el proceso de producción y en el tratamiento posterior de las aleaciones han llevado a deformaciones de hasta el 6% para los elementos monocristalinos Ni-Mn-Ga MSM disponibles comercialmente, [2] así como hasta el 10 -12 % y 20 % para nuevas aleaciones en etapa de I+D. [3] [4]
La gran tensión inducida magnéticamente, así como los cortos tiempos de respuesta, hacen que la tecnología MSM sea muy atractiva para el diseño de actuadores innovadores para su uso en neumática, robótica, dispositivos médicos y mecatrónica. [5] Las aleaciones de MSM cambian sus propiedades magnéticas dependiendo de la deformación. Este efecto complementario, que coexiste con la actuación, puede ser útil para el diseño de sensores de desplazamiento, velocidad o fuerza y recolectores de energía mecánica . [6]
El efecto de memoria de forma magnética se produce en la fase martensita de baja temperatura de la aleación, donde las células elementales que componen la aleación tienen una geometría tetragonal . Si la temperatura aumenta más allá de la temperatura de transformación martensita- austenita , la aleación pasa a la fase de austenita donde las celdas elementales tienen geometría cúbica. Con tal geometría se pierde el efecto de memoria de forma magnética.
La transición de martensita a austenita produce fuerza y deformación. Por lo tanto, las aleaciones de MSM también se pueden activar térmicamente, como las aleaciones con memoria de forma térmica (ver, por ejemplo, aleaciones de níquel-titanio ( Ni-Ti )).
El mecanismo responsable de la gran deformación de las aleaciones de MSM es la llamada reorientación inducida magnéticamente (MIR), y se muestra en la figura. [7] Al igual que otros materiales ferromagnéticos, las aleaciones de MSM exhiben una magnetización macroscópica cuando se someten a un campo magnético externo, que surge de la alineación de magnetizaciones elementales a lo largo de la dirección del campo. Sin embargo, a diferencia de los materiales ferromagnéticos estándar, la alineación se obtiene mediante la rotación geométrica de las celdas elementales que componen la aleación, y no mediante la rotación de los vectores de magnetización dentro de las celdas (como en la magnetoestricción ).
Un fenómeno similar ocurre cuando la aleación se somete a una fuerza externa. Macroscópicamente, la fuerza actúa como el campo magnético, favoreciendo la rotación de las celdas elementales y consiguiendo un alargamiento o contracción dependiendo de su aplicación dentro del sistema de coordenadas de referencia. Los procesos de elongación y contracción se muestran en la figura donde, por ejemplo, la elongación se logra magnéticamente y la contracción mecánicamente.
La rotación de las celdas es consecuencia de la gran anisotropía magnética de las aleaciones de MSM y de la alta movilidad de las regiones internas. En pocas palabras, un elemento MSM está compuesto por regiones internas, cada una de las cuales tiene una orientación diferente de las celdas elementales (las regiones se muestran en la figura en colores verde y azul). Estas regiones se denominan variantes gemelas. La aplicación de un campo magnético o de una tensión externa desplaza los límites de las variantes, llamados límites gemelos , y favorece así una variante u otra. Cuando el elemento está completamente contraído o completamente alargado, está formado por una sola variante y se dice que está en estado de variante única . La magnetización del elemento MSM a lo largo de una dirección fija difiere si el elemento está en el estado de variante única de contracción o de alargamiento. La anisotropía magnética es la diferencia entre la energía requerida para magnetizar el elemento en el estado de variante única de contracción y en el estado de variante única de elongación. El valor de la anisotropía está relacionado con el rendimiento máximo de trabajo de la aleación MSM y, por tanto, con la deformación y fuerza disponibles que se pueden utilizar para las aplicaciones. [8]
Las principales propiedades del efecto MSM para elementos disponibles comercialmente se resumen en [9] (donde se describen otros aspectos de la tecnología y de las aplicaciones relacionadas):
La vida a fatiga de los MSMA es de particular interés para aplicaciones de actuación debido a los ciclos de alta frecuencia, por lo que mejorar la microestructura de estas aleaciones ha sido de particular interés. Los investigadores han mejorado la vida útil de la fatiga hasta 2x10 9 ciclos con una tensión máxima de 2 MPa, lo que proporciona datos prometedores para respaldar la aplicación real de MSMA en dispositivos. [10] Aunque se ha demostrado una alta vida a la fatiga, se ha descubierto que esta propiedad está controlada por la tensión de macla interna en el material, que depende de la estructura cristalina y los límites de macla. Además, se ha descubierto que inducir un MSMA completamente tenso (alargado o contraído) reduce la vida útil a la fatiga, por lo que esto debe tenerse en cuenta al diseñar sistemas funcionales de MSMA. En general, la reducción de defectos como la rugosidad de la superficie que causan la concentración de tensiones puede aumentar la vida útil a la fatiga y la resistencia a la fractura de los MSMA. [11]
Las aleaciones estándar son las aleaciones de níquel , manganeso y galio (Ni-Mn-Ga), que se investigan desde que se publicó el primer efecto relevante del MSM en 1996. [1] Otras aleaciones bajo investigación son las aleaciones de hierro y paladio (Fe-Pd). Aleaciones de níquel-hierro-galio (Ni-Fe-Ga) y varios derivados de la aleación básica Ni-Mn-Ga que además contienen hierro (Fe), cobalto (Co) o cobre (Cu). La principal motivación detrás del continuo desarrollo y prueba de nuevas aleaciones es lograr propiedades termo-magneto-mecánicas mejoradas, como una menor fricción interna, una mayor temperatura de transformación y una mayor temperatura de Curie, lo que permitiría el uso de aleaciones de MSM en varios aplicaciones. De hecho, el rango de temperatura real de las aleaciones estándar es de hasta 50 °C. Recientemente se ha presentado una aleación de 80 °C. [12]
Debido al mecanismo de movimiento de límite gemelo necesario para que se produzca el efecto de memoria de forma magnética, los MSMA de mayor rendimiento en términos de tensión máxima inducida han sido los monocristales. La fabricación aditiva se ha demostrado como una técnica para producir MSMA policristalinos porosos. [13] A diferencia de los MSMA policristalinos completamente densos, las estructuras porosas permiten una mayor libertad de movimiento, lo que reduce la tensión interna necesaria para activar el movimiento del límite gemelo martensítico. Además, se ha descubierto que los tratamientos térmicos posteriores al proceso, como la sinterización y el recocido, aumentan significativamente la dureza y reducen los módulos elásticos de las aleaciones de Ni-Mn-Ga.
Los elementos actuadores MSM se pueden utilizar cuando se requiere un movimiento rápido y preciso. Son de interés debido a la actuación más rápida mediante campo magnético en comparación con los ciclos de calentamiento/enfriamiento necesarios para las aleaciones con memoria de forma convencionales, lo que también promete una mayor vida útil a la fatiga. Los posibles campos de aplicación son la robótica, la fabricación, la cirugía médica, las válvulas, los amortiguadores y la clasificación. [9] Los MSMA han sido de particular interés en la aplicación de actuadores (es decir, bombas de microfluidos para dispositivos de laboratorio en un chip ) ya que son capaces de generar grandes fuerzas y carreras en regiones espaciales relativamente pequeñas. [10] Además, debido a la alta vida útil a la fatiga y su capacidad para producir fuerzas electromotrices a partir de un flujo magnético, los MSMA son de interés en aplicaciones de recolección de energía . [14]
La tensión de macla, o tensión de fricción interna, de un MSMA determina la eficiencia del accionamiento, por lo que el diseño de funcionamiento de los actuadores MSM se basa en las propiedades mecánicas y magnéticas de una aleación determinada; por ejemplo, la permeabilidad magnética de un MSMA es función de la tensión. [10] El diseño de actuador MSM más común consiste en un elemento MSM controlado por imanes permanentes que producen un campo magnético giratorio y un resorte que restaura una fuerza mecánica durante el ciclo de memoria de forma. Las limitaciones del efecto de memoria de forma magnética debido a defectos del cristal determinan la eficiencia de los MSMA en las aplicaciones. Dado que el efecto MSM también depende de la temperatura, estas aleaciones se pueden adaptar para cambiar la temperatura de transición controlando la microestructura y la composición.