Utilizzando la simulazione al computer, Alberto Ferrari ha calcolato una proposta di design per una lega a memoria di forma che mantiene a lungo la sua efficienza anche ad alte temperature. Alexander Paulsen lo ha fabbricato e ha confermato sperimentalmente la previsione. La lega di titanio, tantalio e scandio è molto più di una nuova lega a memoria di forma per alte temperature. Piuttosto, il team di ricerca del Centro interdisciplinare per la simulazione dei materiali avanzati (Icams) e dell'Istituto per i materiali della Ruhr-Universität Bochum (RUB) ha anche dimostrato come le previsioni teoriche possono essere utilizzate per produrre nuovi materiali più rapidamente. Il gruppo ha pubblicato il suo rapporto sulla rivista Materiali per la revisione fisica dal 21 ottobre 2019. Il loro lavoro è stato presentato come suggerimento dell'editore.

Evitare la fase indesiderata

Le leghe a memoria di forma possono ristabilire la loro forma originale dopo la deformazione al variare della temperatura. Questo fenomeno si basa su una trasformazione del reticolo cristallino in cui sono disposti gli atomi dei metalli. I ricercatori si riferiscono a è come trasformazione di fase. "Oltre alle fasi desiderate, ce ne sono anche altri che si formano in modo permanente e indeboliscono notevolmente o addirittura distruggono completamente l'effetto memoria di forma, " spiega il Dr. Jan Frenzel dell'Institute for Materials. La cosiddetta fase omega si verifica a una temperatura specifica, a seconda della composizione del materiale. Ad oggi, molte leghe a memoria di forma per l'intervallo di temperature elevate resisterebbero solo a poche deformazioni prima di diventare inutilizzabili una volta iniziata la fase omega.

Le promettenti leghe a memoria di forma per applicazioni ad alta temperatura sono basate su una miscela di titanio e tantalio. Modificando le proporzioni di questi metalli nella lega, i ricercatori possono determinare la temperatura alla quale si verifica la fase omega. "Però, mentre possiamo spostare questa temperatura verso l'alto, la temperatura della trasformazione di fase desiderata viene purtroppo abbassata nel processo, "dice Jan Frenzel.

La miscela altera le proprietà

I ricercatori del RUB hanno cercato di comprendere nel dettaglio i meccanismi di insorgenza della fase omega, al fine di trovare modi per migliorare le prestazioni delle leghe a memoria di forma per l'intervallo di temperature elevate. A tal fine, Alberto Ferrari, dottorato di ricerca ricercatore presso Icams, calcolato la stabilità delle rispettive fasi in funzione della temperatura per diverse composizioni di titanio e tantalio. "È stato in grado di usarlo per confermare i risultati degli esperimenti, " sottolinea la dott.ssa Jutta Rogal di Icams.

Nel passaggio successivo, Alberto Ferrari ha simulato piccole quantità di elementi terzi aggiunti alla lega a memoria di forma di titanio e tantalio. Selezionava i candidati secondo criteri precisi, per esempio dovrebbero essere il più non tossici possibile. È emerso che una miscela di qualche percento di scandio avrebbe dovuto far funzionare a lungo la lega anche ad alte temperature. "Anche se lo scandio appartiene alle terre rare ed è, di conseguenza, caro, ci basta poco, ecco perché vale comunque la pena usarlo, " spiega Jan Frenzel.

La previsione è accurata

Alexander Paulsen ha quindi prodotto la lega calcolata da Alberto Ferrari presso l'Institute for Materials e ne ha testato le proprietà in un esperimento:i risultati hanno confermato i calcoli. Un esame microscopico dei campioni ha successivamente dimostrato che anche dopo molte deformazioni non è stata trovata alcuna fase omega nel reticolo cristallino della lega. "Abbiamo così ampliato le nostre conoscenze di base sulle leghe a memoria di forma a base di titanio e sviluppato possibili nuove leghe a memoria di forma per alte temperature, " dice Jan Frenzel. "Inoltre, è fantastico che le previsioni della simulazione al computer siano così accurate." Poiché la produzione di tali leghe è molto complessa, l'implementazione di proposte di progettazione assistita da computer per nuovi materiali promette un successo molto più rapido.