A large amount of new materials have been developed during last decades. Among them, smart materials have attracted a considerable amount of attention because they can sense changes in their circumstances and react to - such as protect, instigate a repair of, adapt functions to - them actively. Smart materials can also convert thermal, magnetic, and electronic energies to mechanical energy and vice versa. Especially, shape memory alloys (SMAs) show unique characteristics such as shape memory effect and superelasticity effect. Because of its superelasticity effect, SMAs can endure a large strain when loaded and can recover its original shape as soon as it is unloaded in a high temperature region. On the contrary, severe deformation can result in a large residual strain even after the applied load is eliminated in a low temperature region. However, the original shape can be fully recovered by heating the material, which is called shape memory effect. In addition, SMAs can be “trained” by repetitive loading or heating cycles. As a result of the training, two-way shape memory effect (TWSME) can be induced. TWSME indicates a phenomenon of the two shapes being shown alternatively upon heating and cooling. Whereas SMA can recover its original shape upon heating by shape memory effect, the “trained” SMA remembers two shapes, one at high temperature region and the other at low temperature region.
Among many type of SMAs, a nickel-titanium (NiTi) alloy has attracted many researchers due to its superior mechanical properties. The tensile behavior of NiTi alloy have been researched and understood extensively. It shows three distinctive steps - elastic deformation of martensite or austenite, stress-plateau, and yielding of martensite. The stress-plateau is a known phenomenon in which the stress hardly increases in spite of increasing strain. On the stress-plateau in tensile stress-strain curve, the phase transformation occurs and the related properties such as critical transformation stress and transformation temperature are easily described. However, the deformation and the properties under compression have not been reported in detail. The stress-plateau does not appear in the compressive stress-strain curve and thus the phase transformation related properties are not easily defined. Also the shape memory characteristics of NiTi alloy in compressive behavior are different from those in tensile behavior, which is known as tension/compression asymmetry in NiTi alloy.
NiTi alloy can recover large strains, produce a large force per unit volume, and operate with a simple mechanism. For these reasons, it has been widely researched for application as an actuator. Most NiTi alloy actuators have utilized the shape memory effect and need additional resetting process to generate a residual strain after each actuation. TWSME can be useful when it is applied to actuators because actuating and resetting can be easily performed by heating and cooling. Heating process corresponds to actuating because phase transformation to austenite occurs upon heating. The actuating direction of the NiTi alloy “trained” by tensile loading tends to be compressive direction and that of the NiTi alloy “trained” by compressive loading tends to be tensile direction. Therefore NiTi alloy has to be trained by compressive loading in order to be actuated toward tensile direction. For example, a release device in a space vehicle needs to be actuated toward tensile direction.
TWSME trained by tensile loading has been investigated to date, yet TWSME trained by compressive loading has not been reported nearly as much. TWSME trained by compressive loading is different from that of tensile loading because of severe tension/compression asymmetry. Because the region in which phase transformation occurs is indefinite in compressive behavior, the phase transformation related characteristics such as transformation temperatures, critical transformation stresses, and TWSME are rarely investigated to date.
In this research, the two-way shape memory effect is induced by compressive loading cycles and the performance of NiTi alloy is evaluated. The loading cycles consist of four steps: loading, unloading, heating above austenite finish temperature, cooling to room temperature. After repetitive compressive loading cycles, strain variation upon cooling is observed. This result proves that TWSME is induced by compressive loading cycles. The two-way shape memory strain is evaluated from strain-temperature relationships upon heating and cooling after the loading cycles. When the number of loading cycles reaches about seven to ten, the stress-strain curve stabilizes and the two-way shape memory strain converges to a certain value. The two-way shape memory strain increases linearly as the maximum strain of compressive loading cycles increases regardless of the shape and the size of the NiTi alloy. The linear coefficient is about 1/3 and the maximum value of the two-way shape memory strain is about 2.5~2.6%. These values are larger than the values induced by tensile loading cycles which were investigated by other researchers.
The recovery stresses are measured using TWSME and also show linear relationships with the maximum strain of compressive loading cycles. The maximum heating temperature is up to 105℃ and a temperature gradient exists inside the NiTi alloy specimen. The temperature gradient causes incomplete phase transformation; hence the recovery stress decreases as the cross section becomes wider and the incomplete transformation region increases. The maximum value of the recovery stress is about 500㎫ when the thickness of the tube-type NiTi alloy specimen is under 2㎜ and the maximum strain of compressive loading cycles is 5% or 6%.
TWSME can also be induced by heating and cooling cycles under a constant compressive stress. TWSME increases as the compressive stress increases and reaches maximum at about 200㎫. The maximum value of two-way shape memory strain is about 2.5%. Above 200㎫, TWSME decreases as the stress increases.
Experimental data is established to develop a NiTi alloy actuator which actuates towards tensile direction in this research. The two-way shape memory strain and the recovery stress correspond to the stroke and actuating force of an actuator respectively. If a certain value of stroke is required for an actuator, compressive loading cycles of appropriate maximum strain will be repeated to a NiTi alloy actuator or the length of the NiTi alloy actuator will be determined assuming the two-way shape memory strain is 2.5%. If a certain actuating force needs, a proper size of a NiTi alloy actuator will be manufactured. Because TWSME is induced by compressive loading cycles, the actuating direction is tensile direction and the developed NiTi alloy actuator can be operated upon heating and reset upon cooling.
지난 수십년 동안 수많은 종류의 새로운 재료들이 개발되어 왔는데, 그 중에서도 지능형 재료는 주변환경의 변화를 감지하여 능동적으로 반응하는 특성을 갖고 있기 때문에 많은 주목을 받아왔다. 지능형 재료를 이용하면 열, 자기, 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환할 수 있을 뿐만 아니라 역방향으로의 변환도 가능하다. 특히 형상기억합금은 형상기억효과와 초탄성효과라는 독특한 특성을 갖고 있다. 초탄성효과를 이용하면 고온영역에서 하중에 의해 크게 변형되더라도 하중을 제하면 바로 본래의 형상을 회복할 수 있다. 하지만 저온영역에서는 하중에 의해 크게 변형된 이후에 하중을 제하면 영구변형이 남아있는 것처럼 보인다. 이것을 가열하면 본래의 형태를 회복하게 되며, 이것을 형상기억효과라고 부른다. 또한 하중 또는 열 사이클을 반복하여 'training'을 수행하면 양방향 형상기억효과를 유도할 수 있다. 양방향 형상기억효과는 가열과 냉각에 의해 두 가지 다른 모양이 번갈아 나타나는 현상을 가리킨다. 일반적인 형상기억효과는 형상기억합금을 가열하면 본래의 형태를 회복하는 것을 가리키는데 반해, “training”이 이루어진 형상기억합금은 고온에서의 형상과 저온에서의 형상, 2가지의 형상을 기억한다.
형상기억합금에는 여러 종류가 있지만, 그 중에서도 니켈-티타늄 합금이 기계적 특성이 우수하기 때문에 많은 연구가 이루어져 왔다. 니켈-티타늄 합금에 인장하중을 가할 때 나타나는 응력-변형률 곡선은 크게 3단계로 구분할 수 있다. 첫 번째는 마르텐사이트 또는 오스테나이트의 탄성변형, 두 번째는 stress-plateau, 세 번째는 마르텐사이트의 항복이다. Stress-plateau는 변형률이 증가하여도 응력은 거의 증가하지 않는 현상을 가리킨다. 인장하중을 가할 때 응력-변형률 곡선의 stress-plateau에서는 상변태가 발생하기 때문에 임계 상변태 응력과 상변태 온도와 같은 상변태에 관련된 특성을 정의할 수 있다. 하지만 인장거동에 비해 압축응력을 가할 때 나타나는 변형과 특성에 대해서는 자세한 연구가 이루어지지 않고 있다. 그 이유 중 가장 중요한 것으로는 응력-변형률 곡선에서 stress-plateau가 명확하게 관찰되지 않기 때문에 상변태에 관련된 특성을 정의하기 어렵다는 점이다. 또한 니켈-티타늄 합금에서는 인장/압축 비대칭성이 뚜렷하게 나타나기 때문에 인장거동과 압축거동에서의 형상기억 특성이 다르게 나타난다.
니켈-티타늄 합금은 큰 변형을 회복할 수 있고 단위 부피당 큰 힘을 낼 수 있으며 간단하게 작동할 수 있기 때문에 작동기로서의 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 대부분의 니켈=티타늄 합금 작동기는 형상기억효과를 이용하기 때문에 작동 후에 재사용을 위해서는 잔류변형을 생성시키는 과정이 필요하다. 하지만 양방향 형상기억효과를 이용하면 가열을 통해 작동하고 냉각을 통해 reset이 이루어지기 때문에 쉽게 조작할 수 있는 장점을 갖게 된다. 인장하중을 이용하여 training된 니켈-티타늄 합금은 압축방향으로 작동하고 압축하중을 이용하여 training되면 인장방향으로 작동하게 된다. 항공우주 분야의 분리장치 같은 경우에는 인장방향으로 작동하여야 하며, 따라서 압축하중을 이용하여 니켈-티타늄 합금을 training해야 한다.
인장하중을 이용하여 training된 양방향 형상기억효과는 지금까지 많은 연구가 이루어져 왔지만 압축하중을 이용하는 경우는 거의 보고되지 않았다. 압축하중을 이용하여 양방향 형상기억효과를 유도하면 인장/압축 비대칭성에 의해 인장하중을 이용하는 경우와는 다른 양상을 나타낸다. 압축거동에서는 상변태가 발생하는 영역이 불명확하기 때문에 상변태 온도, 임계 상변태 응력, 양방향 형상기억효과와 같이 상변태와 관련된 특성이 현재까지 거의 연구되지 않았다.
본 연구에서는 압축하중 사이클을 이용하여 양방향 형상기억효과를 유도하고 니켈-티타늄 합금 작동기의 성능을 분석하였다. 하중 사이클은 하중을 부하하고, 제하한 다음, 오스테나이트 종료온도 이상으로 가열하고, 상온으로 냉각시키는 4단계로 구성된다. 압축하중 사이클을 반복하여 수행하는 과정에서 냉각하는 동안 변형률이 변하는 현상을 관찰하였으며, 이것은 압축하중 사이클을 반복하면 양방향 형상기억효과가 발생한다는 증거이다. 하중 사이클을 반복한 후에 무하중 상태에서 가열 및 냉각과정에서 나타나는 변형률-온도 관계로부터 양방향 형상기억변형률을 측정하였다. 하중 사이클의 수가 7~10회에 이르면 응력-변형률 곡선이 안정화되었고 양방향 형상기억변형률이 수렴하였다. 양방향 형상기억변형률은 압축하중 사이클의 최대변형률에 비례하여 증가하였으며 니켈-티타늄 합금의 형태나 크기와는 무관하였다. 비례계수는 약 1/3이고 양방향 형상기억변형률의 최대값은 약 2.5~2.6%이다. 이러한 값들은 다른 연구자들이 인장하중 사이클로 유도한 양방향 형상기억효과의 값들보다 큰 값이다.
또한 양방향 형상기억효과를 이용하여 회복응력을 측정하였으며, 압축하중 사이클의 최대변형률과 선형관계를 나타내었다. 가열하는 최대온도는 105도이며, 니켈-티타늄 합금 시편의 내부에는 온도 구배가 존재하였다. 이러한 온도 구배로 인하여 시편 전체적으로 상변태가 불균일하게 발생하기 때문에 시편의 단면적이 넓어질수록 상변태가 불완전하게 일어나는 영역이 증가하며 회복응력은 감소한다. 튜브형 니켈-티타늄 합금 시편의 두께가 2mm 이하이고 압축하중 사이클의 최대변형률이 5% 또는 6%일 때 회복응력은 최대 500MPa의 값을 나타내었다.
양방향 형상기억효과는 일정한 압축응력을 가한 상태에서 가열과 냉각을 반복하여도 얻을 수 있다. 압축응력이 증가할수록 양방향 형상기억효과는 증가하며, 압축응력이 200MPa일 때 양방향 형상기억 변형률은 최대 2.5%의 값을 나타내었다. 압축응력이 200MPa를 초과하면 응력의 증가에 따라 양방향 형상기억효과는 감소하였다.
본 연구에서는 인장방향으로 작동하는 니켈-티타늄 합금 작동기를 개발하기 위한 실험을 수행하였다. 양방향 형상기억효과에 의한 변형률 변화와 회복응력은 각각 작동거리와 작동력에 해당한다. 만약 작동기의 작동거리가 주어지면 니켈-티타늄 합금 작동기에 적절한 최대변형률의 압축하중 사이클을 반복하거나, 양방향 형상기억변형률을 2.5%라고 가정하고 니켈-티타늄 합금 작동기의 길이를 정할 수 있다. 또한 필요한 작동력이 주어지면 니켈-티타늄 합금 작동기의 단면적을 적절하게 설정할 수 있다. 압축하중 사이클을 통해 양방향 형상기억효과를 유도하였기 때문에 작동기의 작동방향은 인장방향이 되며, 이렇게 개발한 작동기는 가열하여 작동하고 냉각하여 reset될 수 있다.
