Home    |    Contact us    |    Features     |    Links       

โลหะจำรูป (Shape memory alloys)

สรุปและเรียบเรียงโดย คณาจารย์และนิสิต ภาควิชาวิศวกรรมวัสดุ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

บทนำ

โลหะจำรูปที่มีสมบัติในการคืนรูปภายหลังได้รับแรงกระทำทางกลจนเกิดการเสียรูปอย่างถาวร โดยสามารถกลับสู่รูปร่างเดิมเมื่อได้รับความร้อนหรืออุณหภูมิที่เหมาะสม โลหะจำรูปถูกค้นพบมาเป็นเวลานานกว่า 70 ปี ซึ่งจากการค้นคว้าของ Darjan (2007)[1] พบว่าปรากฏการณ์จำรูปถูกรายงานเป็นครั้งแรกโดย Chang และ Read ในปี1951 ซึ่งได้ค้นพบโลหะที่มีสมบัติการคืนรูป กล่าวคือ ถ้าโลหะกลุ่มนี้ถูกเปลี่ยนแปลงรูปร่างอย่างถาวรจะสามารถคืนกลับรูปเดิมได้เมื่อได้รับอุณหภูมิที่เหมาะสม ความสามารถในการจำรูปนี้เกิดจากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างผลึกของโลหะ ซึ่งโลหะที่ใช้ในการทดลองคือโลหะผสมทองคำแคดเมียม (AuCd) ต่อมาในปี 1964 Buehlerและคณะได้ค้นพบโลหะผสมนิกเกิลไทเทเนียม (NiTi) และได้รับการพัฒนาต่อมาในต้นทศวรรษที่ 1960 โดยกองทัพสหรัฐอเมริกาเพื่อใช้ในกิจการอวกาศแห่งชาติอเมริกา (NASA) โดยใช้ชื่อว่า Nitinol เป็นการผสมระหว่างชื่อของโลหะ 2 ชนิด คือ นิกเกิล (Nickel, Ni) ไทเทเนียม (Titanium, Ti) และคำว่า Nol เป็นชื่อย่อของห้องทดลองที่ค้นพบ[2]

โดยส่วนใหญ่โลหะจำรูปคือโลหะที่มีโครงสร้างผลึกอย่างน้อย 2 โครงสร้าง ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงรูปจากโครงสร้างหนึ่งเป็นอีกโครงสร้างได้โดยการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจากโครงสร้างมาร์เทนไซต์ (Martensite) เป็นโครงสร้างออสเทนไนต์ (Austenite) ทำให้โลหะชนิดนี้มีสมบัติสภาพยืดหยุ่นยิ่งยวด (Super Elasticity) และปรากฏการณ์การจดจำรูปร่าง (Shape Memory Effect)[2]

2 โครงสร้างจุลภาคและการเปลี่ยนเป็นโครงสร้างมาร์เทนไซต์[1]

ปัจจัยสำคัญที่ใช้อธิบายกลไกการจำรูปคือโครงสร้างของโลหะจำรูป ซึ่งประกอบด้วย 2 โครงสร้างหลัก คือโครงสร้างออสเทนไนต์ (Austenite)” เป็นโครงสร้างที่มีความเสถียรที่อุณหภูมิสูงและโครงสร้างมาร์เทนไซต์ (Martensite)” โครงสร้างที่มีความเสถียรที่อุณหภูมิต่ำ ซึ่งการเปลี่ยนเป็นโครงสร้างมาร์เทนไซต์นั้น (Martensitic Transformation) เป็นส่วนสำคัญที่ช่วยให้โลหะจำรูปสามารถคืนกลับสู่รูปร่างเดิมได้ จากรูปที่ 1 แสดงให้เห็นว่า ในโลหะจำรูปจะเกิดโครงสร้างออสเทนไนต์ที่มีโครงสร้างผลึกแบบ cubic ที่อุณหภูมิสูง โดยหลังจากอุณหภูมิลดลงและเกิดการคายความร้อนออกโครงสร้างของโลหะจำรูปจะเปลี่ยนเป็นโครงสร้างมาร์เทนไซต์ที่เกิดตำหนิแบบทวิน (Twinned Martensite) และมีโครงสร้างผลึกแบบ Monoclinic ซึ่งเมื่อออกแรงกระทำกับโครงสร้างที่เป็นโครงสร้างทวินมาร์เทนไซต์จะทำให้โครงสร้างยืดออกกลายเป็นโครงสร้างดีทวินมาร์เทนไซต์ (Detwinned Martensite)

รูปที่ 1 โครงสร้างของโลหะจำรูป [1]

รูปที่ 1 โครงสร้างของโลหะจำรูป [1]

 จากที่กล่าวมาข้างต้นจะพบว่าเมื่อลดอุณหภูมิโดยไม่อาศัยแรงทางกลจะส่งผลให้โครงสร้างออสเทนไนต์เปลี่ยนเป็นโครงสร้างทวินมาร์เทนไซต์ ซึ่งปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นปฏิกิริยาที่สามารถย้อนกลับได้ (Reverse Martensitic Transformation) กล่าวคือ หากให้ความร้อนกับโครงสร้างทวินมาร์เทนไซต์จะทำให้โครงสร้างเปลี่ยนกลับไปเป็นออสเทนไนต์ได้เช่นกันดังแสดงในรูปที่ 2 ซึ่งจากปรากฏการณ์ดังกล่าวจะพบว่ามีอุณหภูมิที่เกี่ยวข้องอยู่ 4 จุดดังนี้

รูปที่ 2 การเปลี่ยนโครงสร้างเนื่องจากอุณหภูมิ[1]

1) Msเป็นอุณหภูมิที่เริ่มเปลี่ยนจากโครงสร้างออสเทนไนต์เป็นโครงสร้างมาร์เทนไซต์
2) Mfเป็นอุณหภูมิที่เปลี่ยนเป็นโครงสร้างมาร์เทนไซต์ได้อย่างสมบูรณ์
3) Asเป็นอุณหภูมิที่เริ่มเปลี่ยนจากโครงสร้างมาร์เทนไซต์เป็นโครงสร้างออสเทนไนต์
4) Afเป็นอุณหภูมิที่เปลี่ยนเป็นโครงสร้างออสเทนไนต์ได้อย่างสมบูรณ์

รูปที่ 3 Hysteresis curve ของโลหะจำรูปโดยแกน x คืออุณหภูมิ และแกน y คือสัดส่วนของโครงสร้างมาร์เทนไซต์[1]

เราสามารถอธิบายการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างระหว่างออสเทนไนต์กับมาร์เทนไซต์ได้โดยการใช้กราฟฮิสเทอริซิส (Hysteresis curve) ซึ่งใช้อธิบายพฤติกรรมการเปลี่ยนโครงสร้างของโลหะจำรูปได้เป็นอย่างดีดังแสดงในรูปที่ 3 จะพบว่าวัสดุสามารถเปลี่ยนแปลงโครงสร้างกลับไปกลับมาได้เรื่อยๆหากไม่ใช้งานโลหะจำรูปที่อุณหภูมิสูงเกินไปและอุณหภูมิระหว่างการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับนั่นมีอุณหภูมิต่างกันเพียง 10 ถึง 50°C เท่านั้นขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะจำรูป
การเปลี่ยนโครงสร้างเป็นมาร์เทนไซต์นั้น (Martensitic Transformation) เป็นกลไกสำคัญของสมบัติจำรูป โดยจากรูปที่ 4 จะพบว่าการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโลหะจำรูปจากออสเทนไนต์เป็นมาร์เทนไซต์นั้นเป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็วจนไม่ต้องอาศัยการแพร่ (Diffusion Less Transformation) ของอะตอมแต่อาศัยการเคลื่อนที่ของอะตอมไปพร้อมกัน ซึ่งปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็วนั้น ทำให้อะตอมเกิดการเคลื่อนที่ไปได้น้อยมาก ซึ่งอาจน้อยกว่าขนาดของ Lattice Parameter อีกด้วย โดยปกติขณะที่เกิดการเปลี่ยนโครงสร้างจากออสเทนไนต์ที่มีความสมมาตรของโครงสร้างสูงกลายไปเป็นโครงสร้างมาร์เทนไซต์ที่มีความสมมาตรต่ำนั้น จะต้องเกิดการยืดออกเพื่อลดพลังงานในระบบ (Strain Energy) แต่เนื่องจากการเปลี่ยนเป็นโครงสร้างมาร์เทนไซต์เกิดขึ้นได้รวดเร็วมากและเป็นปฏิกิริยาที่ไม่ใช้การแพร่ ดังนั้นขนาดของ Lattice Parameter จึงเปลี่ยนไปได้น้อยมาก ส่งผลให้เกิดแรงเฉือนขึ้นในโครงสร้างของโครงสร้างมาร์เทนไซต์ แต่ในระบบโครงสร้างต้องการลดพลังงานดังกล่าวลงจึงเกิดตำหนิแบบทวินขึ้นทำให้ได้โครงสร้างดังรูปที่ 4 เพื่อทำให้ขนาดของ Lattice Parameter เปลี่ยนแปลงไปเพียงเล็กน้อยเท่านั้น โดยการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของ Nitinol ดังแสดงในรูปที่ 4 พบว่าเมื่ออุณหภูมิสูง Nitinol จะมีโครงสร้างแบบ BCC (กล่องสีเทาด้านซ้าย) และเมื่ออุณหภูมิต่ำลงจะเปลี่ยนเป็นโครงสร้างแบบ Tetragonal (กล่องสีเทาด้านขวา) ซึ่งพบว่าโครงสร้าง Tetragonal มีขนาดของ Lattice Parameter เปลี่ยนแปลงไปเล็กน้อยเท่านั้นเมื่อเทียบกับกล่องกรอบสีดำทางด้านซ้ายมือ

รูปที่ 4 การเปลี่ยนโครงสร้างของ Nitinol จากโครงสร้างแบบ BCC กล่องสีเทาทางด้านซ้าย ไปเป็นโครงสร้างแบบ Tetragonal ทางด้านขวาและขนาด Lattice Parameter เมื่อเทียบกล่องกรอบสีดำทางด้านซ้ายและด้านขวา[1]

จากผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างโดยไม่อาศัยการแพร่ทำให้เกิดโครงสร้างทวินมาร์เทนไซต์ขึ้น โดยโครงสร้างดังกล่าวจะประกอบไปด้วย Variant ของโครงสร้างมาร์เทนไซต์ที่เกิดขึ้นจากการเรียงตัวของแผ่นมาร์เทนไซต์ในทิศทางที่แตกต่างกันดังแสดงในรูปที่ 5 (a) จะพบว่ามี Variant 2 ชนิดคือชนิดที่ 1 และชนิดที่ 2 โดยขณะที่ออกแรงกระทำกับโครงสร้างทวินมาร์เทนไซต์นั้นจะเกิดการยึดออก ทำให้เกิดโครงสร้างดีทวินมาร์เทนไซต์ขึ้นเนื่องมาจาก Variant เกิดการเคลื่อนที่และเติบโตขึ้น โดยทิศทางของแรงกระทำนั้นจะส่งผลต่อการเติบโตของ Variant หากแรงที่กระทำมีทิศทางเดียวกับทิศทางที่ Variant ใดวางตัวอยู่ Variant นั้นก็จะเกิดการเติบโตขึ้นได้ง่ายดังแสดงในรูปที่ 5 (b) (c) และ (d) พบว่า Variant 1 จะสามารถเติบโตได้ดีหากได้รับแรงดึง และ Variant 2 จะเติบโตได้ดีหากได้รับแรงกด กลไกที่เกิดขึ้นนี้นอกจากจะช่วยทำให้เกิดโครงสร้างแบบดีทวินมาร์เทนไซต์ขึ้นแล้วยังส่งผลต่อความสามารถในการคืนกลับไปเป็นโครงสร้างออสเทนไนต์หากได้รับความร้อนอีกด้วย

รูปที่ 5 การเติบโตของ Variant ในโครงสร้างทวินมาร์เทนไซต์ (a) แสดงลักษณะของ Variant ที่เกิดใน โครงสร้างโครงสร้างทวินมาร์เทนไซต์ (b), (c) และ (d) แสดงการเติบโตของ Variant เมื่อได้รับแรงกระทำต่างกัน[1]

จากปรากฏการณ์ทั้งหมดที่กล่าวมาข้างต้นสามารถสรุปได้ดังกราฟที่แสดงในรูปที่ 6 จะพบว่าจากตำแหน่งที่ 1 ถึงตำแหน่งที่ 2 เป็นการเปลี่ยนโครงสร้างจาก “ออสเทนไนต์” เป็น “มาร์เทนไซต์” โดยการลดอุณหภูมิซึ่งในโครงสร้างแสดงให้เห็นว่าขนาดของชิ้นงานเปลี่ยนแปลงไปไม่มากนักและโครงสร้างมาร์เทนไซต์ที่เกิดขึ้นยังมี Variant เกิดขึ้นในหลายทิศทางซึ่งเรียกโครงสร้างที่เกิดขึ้นนี้ว่า “ทวินมาร์เทนไซต์” จากนั้นเมื่อให้แรงภายนอกกระทำกับโลหะจำรูปจากตำแหน่งที่ 2 ไปตำแหน่งที่ 3 พบว่า Variant เกิดการเคลื่อนที่และเติบโตขึ้นเมื่อออกแรงดึงโลหะจำรูป Variant A สามารถเกิดการเติบโตได้ดีกว่า Variant ชนิดอื่น เนื่องจากวางตัวอยู่แนวเดียวกับทิศทางการรับแรงส่งผลให้เกิดโครงสร้างที่เรียกว่า “ดีทวินมาร์เทนไซต์” ขึ้นโดยมี Variant A เป็นหลักและเมื่อคลายความเค้นออกจากตำแหน่งที่ 3 ไปตำแหน่งที่ 4 โลหะจำรูปจะคงโครงสร้างนี้ไว้และเมื่อได้รับความร้อนก็จะสามารถเปลี่ยนกลับไปเป็นโครงสร้างออสเทนไนต์ได้อีก ซึ่งปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นนี้ถูกเรียกว่า “ปรากฏการณ์การจดจำรูปร่าง (Shape Memory Effect)”

รูปที่ 6 ปรากฏการณ์การจดจำรูป (Shape Memory Effect) [1]

3 ปรากฏการณ์การจดจำรูปและสภาพยืดหยุ่นยิ่งยวด

จากปรากฏการณ์ที่เรียกว่าปรากฏการณ์การจดจำรูป (Shape Memory Effect) ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่เมื่อให้แรงหรือเปลี่ยนรูปร่างโลหะไปแล้วโลหะสามารถกลับคืนรูปร่างตัวเองได้เมื่อให้ความร้อนถึงอุณหภูมิที่เหมาะสมปรากฏการณ์การจดจำรูปสามารถแบ่งตามการเปลี่ยนแปลงเนื่องจากอุณหภูมิได้เป็น 2 แบบ คือ การจำรูปแบบทิศทางเดียว (One-way Shape Memory Effect) กล่าวคือ ถ้าเรานำสปริงจำรูปที่เดิมหดสั้นมาดึงให้ยืดออกที่อุณหภูมิต่ำ จากนั้นทำให้สปริงนี้ร้อนขึ้นสปริงจะหดกลับรูปเดิม อย่างไรก็ตามถ้าเราทำให้สปริงเย็นลงอีกครั้งสปริงจะหดตัวอยู่อย่างนั้น (ภาพ(a)) ปรากฏการณ์การจดจำรูปอีกแบบหนึ่ง เรียกว่า การจำรูปแบบสองทิศทาง (Two-way Shape Memory Effect) ถ้าเรานำสปริงจำรูปแบบสองทิศทางที่เดิมหดสั้นที่อุณหภูมิต่ำมาทำให้ร้อนขึ้นสปริงจะยืดออกเองโดยอัตโนมัติและถ้าเราทำให้สปริงเย็นลงอีกครั้งสปริงจะหดตัวกลับเองโดยอัตโนมัติเช่นกัน (ภาพ(b)) จะเห็นว่าโลหะจำรูปแบบ 2 ทิศทางสามารถเปลี่ยนรูปร่างกลับไปกลับมา 2 แบบได้โดยใช้การเพิ่มหรือลดอุณหภูมิเท่านั้น ที่น่าสนใจเป็นอย่างยิ่งคือเราสามารถ “ฝึกสอน” โลหะจำรูปแบบทิศทางเดียวให้กลายเป็นแบบสองทิศทางได้โดยใช้กระบวนการเชิงกล–ความร้อน (Thermo-mechanical Treatment)

รูปที่ 7 แผนภาพเปรียบเทียบ a) การจำรูปแบบทิศทางเดียว b) การจำรูปแบบสองทิศทาง[3]

การฝึกสอนโลหะจำรูปทิศทางเดียวให้มีความจำเพิ่มขึ้นโดยกระบวนการฝึกสอนโลหะจำรูปมีความจำแบบสองทิศทาง (TWSM Training) เป็นการใช้กระบวนการทางกล-ความร้อนการฝึกสอน คือ การจำกัดจำนวนของมาร์เทนไซต์ที่สามารถเกิดขึ้นเมื่อวัสดุถูกทำซ้ำที่อุณหภูมิร้อน-เย็นต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤติ

รูปที่ 8 การเปลี่ยนแปลงรูปร่างของโลหะจำรูป 
One way shape memory effect (ด้านซ้าย) และ Two way shape memory effect (ด้านขวา) [4]

รูปที่ 9 ภาพขั้นตอนการฝึกโลหะจำรูป [5]

ส่วนใหญ่การฝึกความจำสองทิศทางนั้นจะทำหลายๆครั้ง ซึ่งการ Training จำนวนหลายครั้งจะทำให้เปอร์เซ็นความเครียด (%Strain) มีค่ามากขึ้นแต่จำกัดที่ประมาณ 8% และทำได้กับอัลลอยด์บางชนิดเท่านั้นและถ้าเราใช้ไปนานๆก็จะเกิดการเสื่อมสภาพของอัลลอยด์ได้โดยการเสื่อมสภาพจะขึ้นกับวัฏจักรของการให้ความร้อน

สภาพยืดหยุ่นยิ่งยวด (Super Elasticity) เป็นคุณสมบัติเหมือนยางคือเมื่อให้แรงหรือเปลี่ยนรูปโลหะไปแล้วโลหะจะคืนรูปกลับเหมือนเดิมเพียงแค่ปล่อยแรงออกภายใต้เงื่อนไขบางประการโลหะจำรูปอาจแสดงการจำรูปได้โดยไม่ต้องมีอุณหภูมิเข้ามาเกี่ยวข้องซึ่งเรียกว่าสภาพยืดหยุ่นยิ่งยวด (Super Elasticity) โลหะยืดหยุ่นยิ่งยวดอาจถูกดัดงอหรือดึงยืดได้มากๆ (อาจสูงได้ถึง 8% เทียบกับโลหะปกติส่วนใหญ่ซึ่งมีช่วงยืดหยุ่นต่ำกว่า 1%) และสามารถคืนรูปร่างเดิมได้โดยเพียงการปล่อยแรงที่กระทำ

ทั้งสองคุณสมบัตินี้เกิดขึ้นโดยอาศัยการเปลี่ยนโครงสร้างของโลหะที่เรียกว่า Martensitic Transformation โดยการเปลี่ยนโครงสร้างผลึกภายในจะมีกลไกที่ไม่เหมือนโลหะทั่วไปโดย SMA จะทำให้เกิดการเฉือน (Shear Strain) ได้โดยไม่จำเป็นต้องมี Slip Deformation ในโลหะจำรูป (Shape Memory Alloys, SMA) มีหลายประเภท เช่นTi-Ni, Au-Cd, Cu-Zn, Fe-Pt, Pe-Pd, Ni-Al และอื่นๆแต่ที่เป็นที่นิยมใช้กันมากที่สุดก็คือโลหะผสม Ti-Ni เนื่องจากมีคุณสมบัติทางกลที่ดีและเสถียรที่สุด

4 การใช้งานโลหะจำรูป
ในปัจจุบันการใช้งานวัสดุจำรูปสามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภทใหญ่ๆตามสมบัติการใช้งานคือแบบใช้สมบัติความยืดหยุ่นยิ่งยวด (Super Elasticity) และแบบใช้สมบัติจำรูป (Shape Memory Effect) [2]
สมบัติความยืดหยุ่นยิ่งยวด (Super Elasticity) คือสมบัติในการคืนรูปเมื่อปล่อยแรงที่มากระทำต่อวัสดุจำรูปในปัจจุบันที่การพัฒนาผลิตภัณฑ์โดยใช้สมบัติความยืดหยุ่นยิ่งยวดของโลหะจำรูปเพื่อการใช้งานในท้องตลาดทั่วไปอย่างเช่นกรอบแว่นตา, ชุดชั้นในสตรี, เสาอากาศโทรศัพท์มือถือ, ดังแสดงในรูป 10

รูปที่ 10 กรอบแว่นตาที่ผลิตมาจากโลหะจำรูปโดยใช้สมบัติความยืดหยุ่นยิ่งยวด[6]

ชิ้นส่วนอุปกรณ์ทางการแพทย์ เช่น อุปกรณ์ทางทันตกรรมคือลวดจัดฟันดังที่แสดงในรูป 11 ซึ่งโดยปกติลวดจัดฟันทั่วไปจะทำมาจากโลหะเหล็กกล้าไร้สนิมซึ่งผู้จัดฟันจะต้องไปพบแพทย์ทุกสามถึงสี่อาทิตย์เพื่อทำการขยับเหล็กจัดฟันให้แน่นขึ้นเพื่อกำหนดทิศทางในการจัดฟันให้ได้รูปแบบที่ต้องการ แต่ลวดจัดฟันที่ทำมาจากโลหะจำรูปจะทำให้ระยะเวลาในการพบแพทย์ของผู้จัดฟันลดระยะจากสามถึงสี่อาทิตย์เป็นสามถึงสี่เดือน เนื่องมาจากความสามารถในการคืนรูปจะทำให้เหล็กดัดฟันจากโลหะจำรูปจะกดแน่นไปกับฟันจนกว่าจะคืนรูปได้ถึงรูปร่างเดิมซึ่งทำให้ระยะเวลาในการจัดฟันลดลงและเพิ่มความสะดวกให้กับผู้จัดฟันเนื่องจากลดระยะเวลาในการพบแพทย์

 รูปที่ 11 เหล็กจัดฟันที่ทำจากโลหะจำรูป NiTi [7]

การประยุกต์ใช้ทางการแพทย์ เช่น การใช้ทำตัวยึดเพื่อรักษาอาการกระดูกหักดังที่แสดงในรูป 12 ซึ่งใช้สมบัติความยืดหยุ่นยิ่งยวดของโลหะจำรูปในการยึดกระดูกที่แตกหักหรือร้าวเพื่อเชื่อมต่อกระดูกให้สมานกัน รูปที่ 13 เป็นตัวอย่างลวดนำทาง (Guide Wire) ซึ่งใช้สาหรับการผ่าตัดที่ต้องใช้สายสวน ซึ่งสมบัติยืดหยุ่นที่ดีของโลหะจำรูปทำให้ลวดนำทางสามารถซอกซอนเข้าไปในเส้นเลือดที่มีขนาดเล็กหรือใช้ในการผ่าตัดเส้นประสาทได้ดีกว่าการใช้ลวดโลหะโดยทั่วไป

รูปที่ 12 ตัวยึดกระดูก เพื่อใช้รักษาอาการกระดูกแตกหักหรือร้าว [8]

รูปที่ 13 ลวดนำทาง (Guide wire) สำหรับการผ่าตัดที่ต้องสอดสายสวน [1]

การใช้งานสมบัติการจดจำรูป (Shape Memory Effect) คือสมบัติจำรูปที่อุณหภูมิต่างๆโดยอาศัยสมบัติการเปลี่ยนโครงสร้างที่อุณหภูมินั้นๆทำให้วัสดุสามารถจำรูปและคืนรูปเมื่ออุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิในการเปลี่ยนโครงสร้าง ซึ่งสมบัตินี้ทำให้โลหะจำรูปถูกนำมาใช้เป็นวัสดุสำหรับผลิตผลิตภัณฑ์หลากหลายชนิดทั้งอุปกรณ์ทางด้านการทหาร, อุปกรณ์ทางการแพทย์, และเครื่องมือเครื่องใช้ทั่วๆไปเช่นข้อต่อท่อจำรูปโดยใช้สำหรับทำลิ้นเปิดปิดพบมากในอุตสาหกรรมอากาศยานและเรือเดินสมุทร[1]แสดงไว้ในรูปที่ 14

รูปที่ 14 โลหะจำรูปที่ใช้สาหรับทำลิ้นเปิดปิดในอุตสาหกรรมอาศยานและเรือเดินสมุทร [1]

การใช้งานวัสดุจำรูปสำหรับทำข้อต่อในเครื่องบินรบแทนการเชื่อมช่วยเพิ่มความสะดวกสบายในการสวมประกอบและลดความเสียหายจากผลกระทบทางความร้อนจากการเชื่อมแสดงไว้ในรูปที่ 15 โดยที่ภาพบนเป็นข้อต่อที่สภาวะที่เป็นโครงสร้างมาร์เทนไซต์และภาพล่างเป็นภาพข้อต่อที่เป็นโครงสร้างออสเทนไนต์

 

 รูปที่ 15 Connector ในเครื่องบินรบ ภาพบนเป็นโครงสร้างมาร์เทนไซต์ ภาพล่างเป็นโครงสร้างออสเทนไนต์ [1]

สวิตช์ตัดไฟและระบบเปิดปิดไฟอัตโนมัติโดยผลิตจากโลหะจำรูปโดยใช้สมบัติการจำรูปของโลหะจำรูปทำให้เกิดการเปลี่ยนโครงสร้างที่อุณหภูมิสูงและเกิดการเปลี่ยนรูปร่างที่ทำให้สวิตช์ไฟฟ้าทำงาน[1]

รูปที่ 16 ระบบการทำงานของสวิตช์ตัดไฟหากเกิดการลัดวงจรไฟฟ้า
ภาพบนวงจรไฟฟ้าจะตัด ภาพล่างไฟฟ้าจะติดหากมีการเพิ่มอุณหภูมิ [1]

นอกจากนี้สมบัติจำรูปของโลหะจำรูปยังได้รับความนิยมในการผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์ เช่น อุปกรณ์ถ่างขยายหลอดเลือดทดแทนการทำบอลลูน ซึ่งการทำบอลลูนในอดีตใช้อุปกรณ์ถ่างขยายหลอดเลือดที่ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิมซึ่งอาจสร้างความเสียหายแก่เนื้อเยื่อในระหว่างกระบวนการ

 รูปที่ 17 การถ่างขยายหลอดเลือดโดยใช้บอลลูน [7]

รูปที่ 18 อุปกรณ์ถ่างขยายหลอดเลือดแบบต่างที่ผลิตจาก NiTi

รูปที่ 19 ตัวอย่างการใช้ตัวถ่างขยายหลอดเลือดที่เส้นเลือดแดงใหญ่ [8]

รูปที่ 18 และรูปที่ 19 แสดงตัวอย่างตัวถ่างขยายหลอดเลือดที่ทำจากโลหะจำรูป ซึ่งทำให้การใช้งานสามารถลดระยะเวลาในการต่อบอลลูนเพื่อถ่างขยายหลอดเลือดลงโดยการใช้การต่อสายน้ำเกลือเพื่อปรับอุณหภูมิกว่าอุณหภูมิร่างกายและดำเนินการสอดตัวถ่างขยายเข้าไปในเส้นเลือดเมื่อเข้าไปถึงบริเวณที่เส้นเลือดอุดตันจะถอดสายน้ำเกลือออกเพื่อปรับอุณหภูมิให้เท่าอุณหภูมิร่างกายตัวถ่างขยายจะเปลี่ยนโครงสร้างกลับเป็นโครงสร้างออสเทนไนต์และขยายออกโดยในรูปที่ 20 แสดงตัวถ่างขยายหลอดเลือดที่ทำหน้าที่ดักจับลิ่มเลือดที่อาจเป็นสาเหตุของการอุดตันของเส้นเลือด รูปที่ 21 แสดงตัวอย่างลวดดักจับสิ่งแปลกปลอมในเส้นเลือดดำใหญ่วีนาคาวาซึ่งทำเป็นลักษณะคล้ายร่มโดยตัวโครงทำจากโลหะจำรูปและเมมเบรนของพอลียูริเทนเป็นเสมือนร่มที่หุ้มโครงด้านนอกไว้

 รูปที่ 20 อุปกรณ์ถ่างขยายหลอดเลือด[1]และกรองลิ่มเลือด [8]

 

รูปที่ 21 ลวดดักจับสิ่งแปลกปลอมในเส้นเลือดดำใหญ่ วีนาคาวา
ซึ่งทำจากโลหะจำรูปและพอลิยูริเทนเมมเบรน [8]

จะเห็นได้ว่าโลหะจำรูปเป็นวัสดุวิศวกรรมที่มีประโยชน์อย่างมาก ทำให้ในปัจจุบันโลหะจำรูปมีแนวโน้มในการใช้งานที่หลากหลายและกว้างขวางขึ้นทั้งในการใช้งานในอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ในชีวิตประจำวัน เช่น วาล์วเปิดปิดน้ำร้อน, สวิตช์ตัดไฟ, เครื่องชงกาแฟ และอุปกรณ์ที่ใช้ในทางการแพทย์

5 บทสรุป
ในปัจจุบันวัสดุจำรูป (Shape Memory Alloys; SMA) ถือเป็นวัสดุฉลาด (Smart Materials) ซึ่งได้รับความนิยมในการใช้งานหลากหลายประเภทเนื่องจากสมบัติที่สามารถคืนรูปได้เมื่อให้ความร้อนถึงอุณหภูมิที่เหมาะสม (Shape Memory Effect) หรือสามารถคืนรูปได้โดยการคลายตัวเมื่อปล่อยแรงที่มา (Super Elasticity) โดยปัจจัยหลักที่ทำให้โลหะจำรูปมีสมบัติที่โดดเด่น เกิดจาก 2 โครงสร้างหลักคือ “โครงสร้างออสเทนไนต์ (Austenite)” เป็นโครงสร้างที่มีความเสถียรที่อุณหภูมิสูงและ “โครงสร้างมาร์เทนไซต์ (Martensite)” เป็นโครงสร้างที่มีความเสถียรที่อุณหภูมิต่ำ โดยหลังจากอุณหภูมิลดลงและเกิดการคายความร้อนออกโครงสร้างของโลหะจำรูปจะเปลี่ยนเป็นโครงสร้างมาร์เทนไซต์ที่เกิดตำหนิแบบทวิน (Twinned Martensite) ซึ่งเมื่อออกแรงกระทำกับโครงสร้างที่เป็นโครงสร้างทวินมาร์เทนไซต์จะทำให้โครงสร้างยืดออกกลายเป็นโครงสร้างดีทวินมาร์เทนไซต์ (Detwinned Martensite) โดยการจำรูปสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ชนิดคือ การจำรูปแบบทิศทางเดียว (One-way Shape Memory Effect) และการจำรูปแบบสองทิศทาง (Two-way Shape Memory Effect) ซึ่งเกิดจากการฝึกสอนด้วยกระบวนการเชิงกลร่วมกับทางความร้อน ซึ่งในปัจจุบันโลหะจำรูปได้รับการพัฒนาเพื่อการใช้งานอย่างหลากหลาย โดยสามารถแบ่งการใช้งานออกเป็น 2 ประเภทใหญ่ๆตามสมบัติการใช้งาน คือ แบบใช้สมบัติความยืดหยุ่นยิ่งยวด (Super Elasticity) และแบบใช้สมบัติจำรูป (Shape Memory Effect) และการวิจัยเพื่อพัฒนาปรับปรุงโลหะจำรูป NiTi ให้เป็นโลหะผสมที่มีลักษณะเหมาะสมต่อการใช้งานมากขึ้นซึ่งหากการวิจัยและพัฒนาสำเร็จเราคงจะพบวัสดุโลหะจำรูปแพร่หลายมากขึ้นทั้งในวงการแพทย์และในท้องตลาด


เอกสารอ้างอิง
[1.] Darjan,“Shape memory alloy.”  Available Resource: mafija.fmf.uni-lj.si/seminar/files/2006_2007/ SMA.pdf (last check: 29th August 2011)
[2.] “Shape memory alloy.”  Available Resource:http://www.mtec.or.th (last check: 29th August 2011)
[3.] http://www.mne.eng.psu.ac.th/knowledge/student/SMA/effect.htm (last check: 29th August 2011)
[4.] http://en.wikipedia.org/wiki/Shape-memory_alloy (last check: 29th August 2011)
[5.] http://www.freepatentsonline.com/6889411.html (last check: 29th August 2011)
[6.] http://acad.vru.ac.th/form/var_29.pdf (last check: 29th August 2011)
[7.] http://www.mwit.ac.th (last check: 29th August 2011)
[8.] LorenzaPetrini and Francesco Migliavacca, “Review Article Biomedical Applications of Shape Memory Alloys”,2011
[9.] Georgia Institute of Technology, Exploring Shape Memory Alloys. 2007.
[10.] W. Huang , On the selection of shape memory alloys for actuators , Materials and Design 23 (2002) 11_19
[11.] “Shape memory alloy.”  Available Resource: http://www.hindawi.com/journals/jm/2011/ 501483/ (last check: 5th Sep 2011)
[12.] Bellouard, Y., Shape memory alloys for microsystems: A review from a material research, Available Resource: http://www.mate.tue.nl/mate/showabstract.php/8798 (last check: 5th Sep 2011)
[13.] “Shape memory alloy.”  Available Resource: http://club.truelife.com (last check: 5th Sep 2011)
[14.] Perspective. Materials Science and Engineering: A, 2008. 481-482: p. 582-589
[15.] Patoor, E., et al., Shape memory alloys, Part I: General properties and modeling of single crystals. Mechanics of Materials.38(5-6): p. 391-429
[16.] Xiong, J. Y., Y. C. Li, et al. (2008). "Titanium-nickel shape memory alloy foams for bone tissue engineering." Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 1(3): 269-273.