aleación magnética con memoria de forma

Una aleación magnética con memoria de forma (MSMA, por sus siglas en inglés) es un tipo de material inteligente que puede experimentar cambios de forma significativos y reversibles en respuesta a un campo magnético. Este comportamiento se debe a la combinación de propiedades magnéticas y de memoria de forma dentro de la aleación, lo que le permite generar movimiento o fuerza mecánica bajo la acción magnética. Las MSMA se fabrican comúnmente con materiales ferromagnéticos , en particular níquel-manganeso-galio (Ni-Mn-Ga), y son útiles en aplicaciones que requieren movimiento rápido, controlable y repetible.

Las aleaciones MSM son materiales ferromagnéticos que pueden generar movimiento y fuerzas bajo campos magnéticos moderados. Generalmente, las aleaciones MSM son 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 dado lugar a deformaciones de hasta el 6 % para elementos MSM monocristalinos de Ni-Mn-Ga disponibles comercialmente, ^{[ 2 ]} así como de hasta el 10-12  % y el 20 % para nuevas aleaciones en fase de I+D. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

La gran deformación inducida magnéticamente, así como los cortos tiempos de respuesta, hacen que la tecnología MSM sea muy atractiva para el diseño de actuadores innovadores que se utilizarán en neumática, robótica, dispositivos médicos y mecatrónica . ^{[ 5 ]} Las aleaciones MSM cambian sus propiedades magnéticas en función 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 martensítica de baja temperatura de la aleación, donde las celdas elementales que la componen tienen geometría tetragonal . Si la temperatura se eleva por encima de la temperatura de transformación martensita- austenita , la aleación pasa a la fase austenítica , donde las celdas elementales tienen geometría cúbica. Con esta 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 MSM también pueden activarse térmicamente, al igual que las aleaciones con memoria de forma térmica (véase, por ejemplo, las aleaciones de níquel-titanio ( Ni-Ti )).

El mecanismo responsable de la gran deformación de las aleaciones MSM es la denominada reorientación inducida magnéticamente (MIR), y se muestra esquemáticamente en la figura. ^{[ 7 ]} Al igual que otros materiales ferromagnéticos, las aleaciones MSM exhiben una magnetización macroscópica cuando se someten a un campo magnético externo, que surge de la alineación de las 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 magnetostricción ).

Un fenómeno similar ocurre cuando la aleación se somete a una fuerza externa. Macroscópicamente, la fuerza actúa como un campo magnético, favoreciendo la rotación de las celdas elementales y provocando elongación o contracción según 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 MSM y de la alta movilidad de las regiones internas. En pocas palabras, un elemento MSM está compuesto por regiones internas, cada una con 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, denominados límites de macla , favoreciendo así una variante u otra. Cuando el elemento está completamente contraído o completamente alargado, está formado por una sola variante y se dice que se encuentra en un estado de variante única . La magnetización del elemento MSM a lo largo de una dirección fija difiere si el elemento se encuentra en el estado de variante única de contracción o de elongación. La anisotropía magnética es la diferencia entre la energía necesaria 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 trabajo máximo de la aleación MSM y, por lo tanto, con la deformación y la fuerza disponibles que se pueden utilizar para 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):

• Escurrir hasta un 6%
• Tensión máxima generada de hasta 3 MPa
• Campo magnético mínimo para deformación máxima: 500 kA/m
• Deformación total (6%) hasta una carga de 2 MPa
• El entrenamiento produce por unidad de volumen aproximadamente 150 kJ/m³.
• Eficiencia energética (conversión entre energía magnética de entrada y trabajo mecánico de salida) de aproximadamente el 90%.
• tensión de fricción interna de alrededor de 0,5 MPa
• Activación magnética y térmica
• Temperaturas de funcionamiento entre -40 y 60  °C.
• Cambio en la permeabilidad magnética y la resistividad eléctrica durante la deformación

Las aleaciones estándar son las de níquel - manganeso - galio (Ni-Mn-Ga), que se investigan desde que se publicó el primer efecto MSM relevante en 1996. ^{[ 1 ]} Otras aleaciones en investigación son las de hierro - paladio (Fe-Pd), las de níquel-hierro-galio (Ni-Fe-Ga) y varios derivados de la aleación básica Ni-Mn-Ga que contienen además hierro (Fe), cobalto (Co) o cobre (Cu). La principal motivación para el desarrollo y ensayo continuos de nuevas aleaciones es lograr mejores propiedades termomagnéticas y mecánicas, como una menor fricción interna, una mayor temperatura de transformación y una mayor temperatura de Curie , lo que permitiría el uso de aleaciones MSM en diversas aplicaciones. De hecho, el rango de temperatura actual 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 límites gemelos necesario para que se produzca el efecto de memoria de forma magnética, las aleaciones con memoria de forma magnética (MSMA) de mayor rendimiento en términos de deformación inducida máxima han sido monocristalinas. La fabricación aditiva se ha demostrado como una técnica para producir MSMA policristalinas porosas. ^{[ 13 ]} A diferencia de las MSMA policristalinas totalmente densas, las estructuras porosas permiten una mayor libertad de movimiento, lo que reduce la tensión interna necesaria para activar el movimiento de límites gemelos martensíticos. 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 donde 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 requeridos para las aleaciones de memoria de forma convencionales, lo que también promete una mayor vida útil a la fatiga. Los posibles campos de aplicación son robótica, fabricación, cirugía médica, válvulas, amortiguadores y clasificación. ^{[ 9 ]} Las MSMA han sido de particular interés en la aplicación de actuadores (es decir, bombas microfluídicas para dispositivos de laboratorio en un chip ) ya que son capaces de grandes salidas de fuerza y ​​carrera 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 , las MSMA son de interés en aplicaciones de recolección de energía . ^{[ 14 ]} En el campo biomédico, las aplicaciones de MSMA incluyen stents autoexpandibles, catéteres activos, herramientas inalámbricas, endoscopios y dispositivos cardíacos. ^{[ 15 ]}

La tensión de maclado, o tensión de fricción interna, de una MSMA determina la eficiencia de la actuación, por lo que el diseño de funcionamiento de los actuadores MSM se basa en las propiedades mecánicas y magnéticas de una aleación dada; por ejemplo, la permeabilidad magnética de una MSMA es función de la deformación. ^{[ 10 ]} El diseño más común de actuador MSM 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 en el efecto de memoria de forma magnética debido a defectos cristalinos determinan la eficiencia de las MSMA en 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.