형상 기억 부식 방지 고분자 재료 1부
May 07, 2024
변형이 가능하고 변형을 유지할 수 있으며 추가로 초기 위치로 돌아갈 수 있는 재료인 형상 기억 합금은 액추에이터에서 유연한 마이크로 장치에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 가치가 있습니다.
형상 기억과 기억은 밀접한 관련이 있으며, 이들 사이의 관계는 우리의 학습 결과와 삶의 질에 영향을 미칠 수 있습니다.
형상기억이란 시각적 기억을 통해 물체의 모양, 크기, 위치, 색상 등의 특징을 인식하는 능력을 말합니다. 이는 사물을 인식하고 처리하는 능력에 영향을 미치기 때문에 일상 생활에서 매우 중요합니다. 예를 들어, 동일한 물체의 다양한 방향, 크기, 모양을 정확하게 식별할 수 있다면 물체의 속성과 특성을 더 잘 파악할 수 있습니다.
기억이란 정보, 경험, 지식을 저장하고 검색하는 우리 두뇌의 능력을 말합니다. 기억력의 질은 학업 성적이나 삶의 질에 직접적인 영향을 미칩니다. 예를 들어, 기억력이 좋은 사람은 중요한 일이나 정보를 더 잘 기억할 수 있으므로 시간을 더 잘 관리하고 정리할 수 있습니다.
서로 다른 두 가지 능력이지만 둘 사이의 연관성은 부인할 수 없습니다. 시각적 기억은 인간이 새로운 정보와 지식을 획득하는 주요 방법 중 하나이기 때문에 좋은 형상 기억 능력을 가지면 더 효과적으로 배우고 기억하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, 새로운 단어나 전문용어를 배울 때 형상기억을 통해 효과적으로 기억할 수 있습니다.
또한, 형상기억은 우리의 기억력을 운동시킬 수도 있습니다. 훈련을 통해 형상기억 능력을 향상시키면 뇌 영역 간의 연결이 강화될 뿐만 아니라 뇌의 신경세포의 성장과 발달도 촉진되기 때문입니다. 따라서 형상 기억과 기억은 서로를 향상시켜 궁극적으로 작업을 더 잘 완료하고 목표를 달성하는 데 도움이 됩니다.
즉, 형상기억과 기억은 밀접하게 연관되어 있으며, 서로를 지지하고 촉진하는 역할을 한다. 그러므로 좋은 학습과 생활습관을 확립하고, 기억과 기억을 형성하기 위해 끊임없이 운동을 하며, 이를 통해 더 나은 학습과 생활경험을 얻는 것이 필요하다. 기억력 향상이 필요함을 알 수 있는데, 시스탄체 데저티콜라는 기억력 향상이라는 독특한 효능이 많은 중국 전통 약재이기 때문에 기억력을 크게 향상시킬 수 있습니다. Cistanche Deserticola의 효능은 탄닌산, 다당류, 플라보노이드 글리코사이드 등 포함된 많은 활성 성분에서 비롯됩니다. 이러한 성분은 다양한 경로를 통해 뇌 건강을 촉진할 수 있습니다.
형상 기억 합금을 유용하게 만드는 특성과 변형 및 재형성 능력을 유지하려면 형상 기억 합금을 부식으로부터 보호해야 하며, 형상 기억 중합체의 통합이 보호 수단으로 작용할 수 있습니다.
따라서, 이 검토는 부식 억제 수단으로서 자가 치유 형상 기억 폴리머의 유용성을 강조하는 것입니다.
따라서 이 리뷰에서는 형상 기억 보호를 위한 자가 치유 형상 기억 폴리머 활용의 이점, 사용할 수 있는 여러 유형의 자가 치유 폴리머, 특정 용도에 맞게 폴리머를 개선하거나 조정하는 방법, 형상 기억 폴리머 설계에 대한 전망에 대해 논의합니다. 부식 억제에 사용됩니다.
1. 소개
복합재, 즉 두 개 이상의 화학적으로 구별되는 부분이 거시적으로 결합되어 구성 재료보다 우수한 구성 특성을 지닌 새로운 재료를 형성하는 재료는 사람들이 사는 건물부터 사용되는 차량에 이르기까지 현대 일상 생활의 핵심 구성 요소입니다.
따라서 새로운 복합재를 개선하고 생성하는 것은 더 강력하고 더 우수하며 환경 친화적인 재료로 발전하는 데 매우 중요합니다. 우리가 사용하는 재료가 수행해야 하는 수요가 점점 늘어나고 있습니다 [1].
복합재 개발의 특히 흥미로운 영역 중 하나는 형상 기억 효과라고 불리는 것을 표시할 수 있는 복합재를 포함합니다. 이 효과에서는 재료가 외부 자극에 따라 영구적인 기본 형상에서 임시 위치로 이동하고 유지된 다음 기본으로 돌아올 수 있습니다. 그림 1에서 볼 수 있는 능력[2]에 따른 형태입니다.
위 그래프에서 볼 수 있듯이 재료에 따라 전자기 방사선, 물, pH, 온도 또는 심지어 자기장이 될 수 있는 일부 자극에 의해 유발된 응력은 재료의 특정 위치로 물리적 변화를 일으키고 이를 유발할 수도 있습니다. 원래 위치로 다시 이동합니다 [2, 4]. 재료에 응력을 가하면 재료가 일정한 변형 하에서 위치를 유지하는 지점까지 재료가 변형됩니다.
변형이 계속 증가하면 반전이 발생하고 형상 기억 재료가 초기 영구 형태로 이동하는 지점에 도달할 수 있습니다[3]. 이러한 능력으로 인해 액추에이터, 마이크로 장치, 생체의학 장비와 같은 기계 및 장비나 항공우주 산업에서 경량의 전개 가능한 구조물[5] 또는 형상 및 위치 제어, 진동 및 음향 제어, 충격 저항 등의 기타 용도에 적합합니다. 복합물에서 바람직할 수 있습니다 [6].
형상기억합금 개발 시 주요 관심사는 부식이 재료에 미치는 영향입니다. 부식으로 인해 재료의 특성과 효율성이 손실될 수 있기 때문입니다.
2. 형상 기억 복합재: 합금
형상 기억 합금은 모체 fcc 상이 HPC 상으로 변환되는 응력 유발 마르텐사이트 변태를 통해 형상 기억 효과를 표시하도록 설계된 금속 조합입니다[7].
더 자세히 설명하면, 형상 기억 합금은 유도된 위상 변형을 통해 형상 기억 효과를 나타냅니다. 여기서 합금은 변형에 더 잘 견디지만 냉각이나 응력을 가하면 더 낮은 온도의 위상으로 되돌아가는 고온 오스테나이트 위상에서 이동합니다. 마르텐사이트 상으로 알려져 있다[8]. 형상 기억 합금에 대한 재료 특성 문제는 특히 합금의 변형 복구 능력에 중점을 둡니다.
형상기억합금의 회복률을 결정할 때, 미시적으로 말하면, 이는 합금 치수에 대한 입자 크기의 함수로 간주됩니다. 이는 입자 크기가 형상기억합금에 중요하다는 것을 의미합니다. 감소하면 결정립계와의 상호작용 전에 미끄러지는 전위의 자유 공간으로 인해 변형 경화가 발생하고 소성 변형을 일으키며 마르텐사이트 변태 및 변형 회복을 억제합니다.
일반적으로 시스템 내에 불순물이 많을수록 입자 경계 고정 효과를 일으키는 분산된 입자로 인해 입자 크기가 작아집니다.
그러나 합금의 형상 회복은 합금이 특정 최대 변형률 하에서 특정 각도로 구부러지는 굽힘 시험을 통해 더 쉽게 테스트하고 결정할 수 있으며, 그런 다음 합금에 특정한 온도로 가열한 후 냉각시켜 회복을 유도할 수 있습니다. 샘플의 복귀 각도를 기반으로 형상 기억 비율을 계산할 수 있습니다[7].
니켈-티타늄, 구리 및 철은 보다 일반적인 형상 기억 합금의 기초를 형성합니다[10, 11]. 간략한 개요는 표 1에서 확인할 수 있습니다. 또한 형상 기억 합금의 성능은 3차 또는 4차 요소를 추가하여 향상될 수 있습니다[9, 11].
일반적으로 이러한 형상 기억 합금은 크롬, 알루미늄, 니켈, 망간, 구리, 실리콘, 질소 또는 레늄으로 강화되지만 합금에 이러한 원소를 추가하고 양을 늘리면 특히 실온 조건에서 합금의 초탄성이 희생될 위험이 있습니다. 9].
이러한 첨가제를 첨가하면 형상 기억 효과에 미칠 수 있는 부정적인 영향에 대응하기 위해 일부 제조업체는 특정 기술을 사용합니다. 에이징(aging)은 형상기억합금의 형상기억율을 향상시키기 위해 사용되는 기술로, 금속합금을 장기간 고온에서 처리한다. 예를 들어, 철 기반 형상 기억 합금은 Yongren et al.에 의해 테스트되었습니다. 기본 형상 기억 비율은 0.2이지만 4시간 에이징 후 형상 복구 비율은 약 0.6까지 올라갔습니다. 불행하게도, 노화 공정은 부동화 층을 형성하는 합금의 능력을 감소시키므로, 노화된 합금은 노화되지 않은 합금에 비해 내식성이 더 좋지 않습니다. 다른 개발에서는 내식성과 형상 회복 측면에서 좋은 결과를 얻을 수 있지만 이러한 방법은 비용이 많이 들고 원하는 형상을 달성하기 위해 합금을 "훈련"하는 측면에서 어렵고 회복 응력이 낮으며 회복을 유발하기 위해 높은 어닐링 온도가 필요한 경향이 있습니다. [7].
형상기억합금에 다른 원소를 첨가하는 또 다른 효과는 상전이 온도가 증가하거나 감소할 수 있다는 것이며, 이는 또한 합금의 기계적 특성을 더욱 개선하거나 변경하는 역할을 할 수도 있습니다.
예를 들어, 구리를 첨가하면 니켈-티타늄 합금의 의사탄성 거동과 관련된 안정성이 향상될 수 있으며 이는 주기적 기계적 하중에 좋습니다. 그러나 이 첨가의 부작용으로 인해 합금이 부식에 더 취약해집니다. 구리 자체는 합금 부식에 대한 추가 저항을 제공하지 않기 때문에 표면에 형성되는 것은 덜 안정적이고 약한 부동태화 층을 형성하여 합금에 대한 부식 공격을 가능하게 합니다[12].
이는 형상 기억 합금이 부식에 취약하다는 점에서 문제의 핵심을 드러냅니다.
형상 기억 합금에 대한 부식 공격은 결정립 경계에 초점을 맞추고 있으며, 여기서는 형상 기억 합금의 결정립 내 근처에서 공식이 발생하면서 입계 수준에서 발생할 수 있습니다. 니켈과 같은 합금의 원소가 석출되는 것은 결정립 경계에 있습니다.
입자 경계에서 발생하는 입계 부식은 내식성을 감소시키고 특성을 더욱 저하시키는 영역을 형성합니다[9]. 내식성을 향상시키는 수단으로 크롬, 코발트, 티타늄 또는 주석과 같은 부식 방지 원소를 극소량 첨가하여 4차 또는 3차 형상 기억 합금을 형성함으로써 부식을 완화하는 것이 가능합니다[14-16].
그러나 이러한 원소를 추가하면 잠재적으로 바람직하지 않은 다른 효과가 있을 수 있습니다. 예를 들어 크롬은 합금을 더 부서지기 쉽게 만들고 변태 온도를 낮추는 대신 형상 기억 합금의 내식성을 향상시킵니다[15]. 표 2에서 알 수 있듯이 부식 방지 요소를 추가하지 않고도 더 큰 내부식성은 아니더라도 비교할 수 있는 수준의 내부식성을 달성하는 것이 가능합니다.
일반적으로 전류 밀도 또는 Icorr 값이 낮을수록 부식 방지 성능이 향상됩니다. 위의 표에는 여러 Icorr 값, 부식 방지 요소가 포함된 세 가지 형상 기억 합금 및 두 가지 폴리머가 나열되어 있습니다.
합금은 우수한 내식성을 나타내는 반면, 폴리머는 부식 억제 측면에서 형상기억합금보다 우수하지는 않더라도 더 나은 성능을 발휘합니다. 따라서 형상기억합금의 기계적 성질을 보존하기 위해서는 형상기억효과를 나타낼 수 있는 폴리머코팅을 적용하여 형상기억복합체를 형성하는 것이 적극 권장될 것이다.
3. 형상기억복합체:특성 고려사항
형상 기억 복합재의 특성이나 전반적인 효율성을 결정할 때 고려해야 할 요소가 많이 있습니다. 예를 들어, 형상 회복 속도는 복합체의 형상을 변형시킨 외력에 반응하는 형상 기억 복합체의 능력[21], 또는 복합체의 가소성 지수, 경도 대 탄성 계수의 비율, 이는 마찰 시 내마모성을 결정하는 데 유용하므로 기억층의 기능적 특성과 함께 마찰 조건에서 형상 기억 복합체의 구조적 상태를 결정하는 데 도움이 됩니다[22].
그러나 아래 재료의 부식을 방지하는 복합 코팅의 효과를 결정할 때 고려해야 할 핵심 요소는 표면의 소수성입니다.
표면의 소수성은 물과 같은 부식성 요소 및 유기 코팅과의 상호 작용 제한을 통해 금속의 부식 속도 감소와 관련이 있습니다. 이는 물이 아래 금속으로 확산되는 과정을 제한하는 것을 의미합니다[22, 23].
소수성은 코팅의 화학적 특성과 코팅 표면의 미세 구조에 따라 달라지며, 표면 거칠기는 코팅의 소수성을 강화할 수 있으며[24] 표면의 습윤성을 결정하여 측정할 수 있습니다. 습윤성은 고체 표면에 물이 퍼질 수 있는 정도를 말하며, 그 효과는 물 접촉각에 의해 결정되며 영률에 의해 결정됩니다[23]. 이는 그림 2에서 볼 수 있습니다.
형상기억합금과 폴리머는 광범위하게 사용되어 왔으며, 폴리머가 사용되는 상황의 요구에 따라 각각의 적용이 달라집니다. 합금은 밀도가 낮고 가격이 저렴하며 회복을 유발하는 요인을 제어할 수 있기 때문에 합금은 큰 수준으로 사용됩니다. 겪을 수 있는 회복 가능한 변형률 및 반응 온도를 조정할 수 있는 넓은 범위(유리 전이 온도 조작을 통해) 그러나 상황이 더 높은 회복 응력, 더 짧은 회복 시간, 파손되기 전에 겪을 수 있는 훨씬 더 많은 주기를 요구하고[1] 더 나은 열 안정성과 더 높은 탄성 계수를 가질 때 형상 기억 합금보다 훨씬 더 큰 크기로 압도됩니다[8].
형상기억폴리머의 긴 회복 시간처럼 일반적으로 사용 여부에 있어 부정적일 수 있는 상황이 대신 사용 시 이점을 제공할 수 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다[1]. 예측할 수 있는 다양한 모델이 있습니다. 형상기억재료의 열역학적 성질.
예를 들어, 형상 기억 폴리머는 부분적으로 스프링처럼 작용하며 Pan et al.에 따르면 1D에서 입자 강화 형상 기억 폴리머에 대한 열역학적 거동을 결정하기 위한 모델은 다음과 같이 표시될 수 있습니다. ξ는 전체 마르텐사이트 부피 분율이고 ξS는 응력입니다. 유도 마르텐사이트 부피 분율, ξT는 온도 유도 마르텐사이트 부피 분율, σ는 응력, D는 ξ에 의존하는 형상 기억 합금의 영 계수, ε는 변형률, εl은 최대 회복 변형률, Θ는 열 팽창 계수, T는 현재 온도이고 T0는 기준 온도입니다[27]. 이 모델은 그림 3 및 4에 표시된 것과 유사한 결과를 시뮬레이션하려고 합니다.
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