Mūsdienu materiāli

Mūsdienās arvien lielāka nozīme ir praktiskiem un pēc iespējas universālākiem materiāliem, kas spēj vienlaicīgi pildīt vairākas funkcijas. Mehāniski elastīgiem materiāliem vienlaicīgi ir jābūt ļoti izturīgiem; inertiem un arī arī viegli ekspluatējamiem. Līdz ar to arvien pieaug nepieciešamība pēc daudzfunkcionāliem materiāliem, kas vienlaicīgi ir arī ļoti vienkārši ekspluatējami.

Viena no šādu materiālu grupām ir formu saglabājošie materiāli (metālu sakausējumi vai polimēri), kas ārējo faktoru - temperatūras izmaiņas - ietekmē maina savu formu vai atgriežas sākotnēji uzdotā formā no bezformīga veidojuma, pārveidojot siltuma enerģiju mehāniskajā enerģijā. Šādiem materiālie ir plašs praktiskais pielietojums un īpašu vērtību tie iegūst brīžos, kad tiek izmantoti situācijās, kad nepieciešami izturīgi stiprinājumi, taču tieša cilvēku darbība nav iespējama.

Pašlaik lielāko daļu formu saglabājošu materiālu (FSM) veido no dažādu metālu sakausējumiem un tikai neliela daļa tiek veidota no organiskajiem polimēriem. Viens no galvenajiem iemesliem tam ir metālisko savienojumu plašais īpašību klāsts - augsta siltum- un elektrovadītspēja, mehāniskā izturība, nereti inertums -, kas ļauj priekšmetus no šādiem materiāliem izmantot ļoti plašā nozaru lokā. Otrs svarīgs iemesls ir FMS parādības pamatīpašība -kristālrežģa pāreja no vienas formas citā ārējo faktoru ietekmē. Tieši šī parādība ļauj FSM pārveidot siltuma enerģiju mehāniskajā enerģijā.

FSM mūsdienās plaši pielieto medicīnā, celtniecībā, aviācijā, robotika un saistītajās nozarēs. Atkarībā no nozares, kurā materiālus izmanto, atbilstoši izvēlas arī FSM, kas siltuma iedarbībā atgriežas sākotnējā formā, dinamiski maina savu formu atkarībā no temperatūras izmaiņām vai arī pārveido siltumu praktiski izmantojamā mehāniskajā darbā.

Formu saglabājošo materiālu pielietošanas iespējas arvien pieaug un strauji palielinās arī nozaru skaits, kurās šādus materiālus izmanto.

Pirmie formu saglabājošo materiālu (FSM) pētījumi veikti 20. gadsimta 30 gados. Šajā laikā zviedru zinātnieks - ķīmiķis Gustavs Arne Olanders (Arne Ōlander) pētīja dažādus samērā retu metālu sakausējumus, un 1932. gadā atklāja zelta - kadmija sakausējuma pseidoelastību - materiāla atgriezenisku elastību, ko izraisa vielas kristālu pāreja no austenīta uz martensīta kristālisko fāzi (skat. 1. attēlu).

1. att. Kristālisko fāžu pāreja FSM.

1938. gadā amerikāņu zinātnieki Aldens Buhanons Grēningers (Alden Buchanan Greninger) un Viktors Murandiāns (Victor G. Mooradian) novēro martensīta fāzes veidošanos vara un cinka sakausējumā mainoties savienojuma temperatūrai. Aptuveni 10 gadus vēlāk ukraiņu zinātnieki Kurdjumovs un Handros, kā arī amerikāņu pētnieki Čangs (Chang) un Rīds (Read) veica plašus pētījumus sakausējumu kristāliskās struktūras izmaiņu parādībā, pilnībā atklājot sakausējumu termoelastību.

Pirmos komerciāli ražojamos FSM 1962. - 1965. gadā izveidoja ASV Militārās jūras artilērijas laboratorija (Naval Ordnance Laboratory), izmantojot niķeļa un titāna sakausējumus. Šis produkts tirgū tika piedāvāts ar nosaukumu Nitinol (Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratories). Dotais sakausējums niķeli un titānu satur aptuveni vienādās attiecībās. Nitinol savienojuma īpašības tika atklātas nejauši, vienam no laboratorijas darbiniekiem kādas sapulces laikā sildot materiāla stiepli ar šķiltavām.

20. gs. 90 gadu beigās plaši pieejami kļuva arī organiskie FSM – dažādi biopolimēri. Tiem piemīt gan metāla sakausējumu FSM raksturīgās īpašības, gan arī pavisam unikālas īpašības, piemēram, biodegradācijas iespējas. Tādējādi pašlaik FSM iespējams pielietot visdažādākajās nozarēs, risinot plašāko problēmu loku.