โลหะผสมหน่วยความจำรูปร่างแม่เหล็ก (MSMA) เป็น วัสดุอัจฉริยะชนิดหนึ่งที่สามารถเปลี่ยนแปลงรูปร่างได้อย่างมีนัยสำคัญและย้อนกลับได้เมื่อตอบสนองต่อสนามแม่เหล็ก พฤติกรรมนี้เกิดขึ้นจากการรวมกันของคุณสมบัติแม่เหล็กและหน่วยความจำรูปร่างภายในโลหะผสม ทำให้สามารถสร้างการเคลื่อนไหวหรือแรงทางกลภายใต้การกระตุ้นด้วยแม่เหล็ก MSMA มักทำจาก วัสดุ เฟอร์โรแมก เนติก โดยเฉพาะอย่างยิ่งนิกเกล-แมงกานีส-แกลเลียม (Ni-Mn-Ga) และมีประโยชน์ในการใช้งานที่ต้องการการเคลื่อนไหวที่รวดเร็ว ควบคุมได้ และทำซ้ำได้

โลหะผสม MSM เป็นวัสดุเฟอร์โรแมกเนติกที่สามารถสร้างการเคลื่อนที่และแรงภายใต้สนามแม่เหล็กระดับปานกลาง โดยทั่วไปแล้ว โลหะผสม MSM จะเป็นโลหะผสมของนิกเกล แมงกานีส และแกลเลียม (Ni-Mn-Ga)

ในปี 1996 ดร. Kari Ullakko และเพื่อนร่วมงานที่ MIT ได้นำเสนอการเสียรูปที่เกิดจากสนามแม่เหล็กประมาณ 0.2% [ 1 ^{]นับตั้งแต่}นั้นมา การปรับปรุงกระบวนการผลิตและการบำบัดโลหะผสมในภายหลังได้นำไปสู่การเสียรูปได้ถึง 6% สำหรับธาตุ Ni-Mn-Ga MSM ผลึกเดี่ยว ที่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ ^{[ 2 ]}รวมถึงโลหะผสมใหม่ที่อยู่ในขั้นตอนการวิจัยและพัฒนาได้ถึง 10-12% และ 20% ^{[ 3 ] [ 4 ]}

ความเครียดที่เหนี่ยวนำด้วยแม่เหล็กขนาดใหญ่ รวมถึงเวลาตอบสนองที่สั้น ทำให้เทคโนโลยี MSM น่าสนใจมากสำหรับการออกแบบแอคทูเอเตอร์นวัตกรรมใหม่ที่จะใช้ในระบบนิวแมติกส์ หุ่นยนต์ อุปกรณ์ทางการแพทย์ และเมคาทรอนิกส์ [ ^{5 ] โลหะ}ผสม MSM จะเปลี่ยนคุณสมบัติทางแม่เหล็กขึ้นอยู่กับการเสียรูป ผลกระทบร่วมนี้ ซึ่งเกิดขึ้นพร้อมกับการกระตุ้น สามารถเป็นประโยชน์สำหรับการออกแบบเซ็นเซอร์การกระจัด ความเร็ว หรือแรง และเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงานกล^{[ 6 ]}

ปรากฏการณ์ความจำรูปทรงแม่เหล็กเกิดขึ้นในเฟสมาร์เทนไซต์ อุณหภูมิต่ำ ของโลหะผสม ซึ่งเซลล์พื้นฐานที่ประกอบเป็นโลหะผสมมี รูปทรง สี่เหลี่ยมจัตุรัสหากอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเกินอุณหภูมิการเปลี่ยนเฟสจากมาร์เทนไซต์ เป็นออส เทนไซต์โลหะผสมจะเปลี่ยนไปเป็นเฟสออสเทนไซต์ซึ่งเซลล์พื้นฐานมีรูปทรงลูกบาศก์ ด้วยรูปทรงดังกล่าว ปรากฏการณ์ความจำรูปทรงแม่เหล็กจะหายไป

การเปลี่ยนสถานะจากมาร์เทนไซต์เป็นออสเทนไซต์ก่อให้เกิดแรงและการเสียรูป ดังนั้น โลหะผสม MSM จึงสามารถถูกกระตุ้นด้วยความร้อนได้เช่นกัน เหมือนกับโลหะผสมหน่วยความจำรูปร่างด้วยความร้อน (ดูตัวอย่างเช่น โลหะผสมนิกเกล-ไทเทเนียม ( Ni-Ti ))

กลไกที่รับผิดชอบต่อความเครียดขนาดใหญ่ของโลหะผสม MSM คือการจัดเรียงตัวใหม่ที่เหนี่ยวนำด้วยแม่เหล็ก (MIR) ซึ่งแสดงไว้ในรูป^{[ 7 ]}เช่นเดียวกับวัสดุเฟอร์โรแมกเนติกอื่นๆ โลหะผสม MSM แสดงการทำให้เป็นแม่เหล็ก ในระดับมหภาค เมื่ออยู่ภายใต้สนามแม่เหล็กภายนอก ซึ่งเกิดขึ้นจากการจัดเรียงตัวของการทำให้เป็นแม่เหล็กพื้นฐานตามทิศทางของสนาม อย่างไรก็ตาม แตกต่างจากวัสดุเฟอร์โรแมกเนติกมาตรฐาน การจัดเรียงตัวเกิดขึ้นจากการหมุนทางเรขาคณิตของเซลล์พื้นฐานที่ประกอบเป็นโลหะผสม และไม่ใช่จากการหมุนของเวกเตอร์การทำให้เป็นแม่เหล็กภายในเซลล์ (เช่นเดียวกับในแมกนีโตสตริกชัน )

ปรากฏการณ์ที่คล้ายกันเกิดขึ้นเมื่อโลหะผสมได้รับแรงภายนอก ในระดับมหภาค แรงนั้นทำหน้าที่เหมือนสนามแม่เหล็ก ซึ่งส่งเสริมการหมุนของเซลล์พื้นฐานและทำให้เกิดการยืดหรือหดตัวขึ้นอยู่กับการประยุกต์ใช้ภายในระบบพิกัดอ้างอิง กระบวนการยืดและหดตัวแสดงอยู่ในรูป โดยตัวอย่างเช่น การยืดเกิดขึ้นจากแรงแม่เหล็ก และการหดตัวเกิดขึ้นจากแรงทางกล

การหมุนของเซลล์เป็นผลมาจากความไม่สมมาตรทางแม่เหล็ก ขนาดใหญ่ ของโลหะผสม MSM และความคล่องตัวสูงของบริเวณภายใน กล่าวโดยง่ายคือ องค์ประกอบ MSM ประกอบด้วยบริเวณภายในแต่ละบริเวณที่มีทิศทางการวางตัวของเซลล์พื้นฐานที่แตกต่างกัน (บริเวณต่างๆ แสดงในรูปภาพด้วยสีเขียวและสีน้ำเงิน) บริเวณเหล่านี้เรียกว่าตัวแปรคู่ การใช้สนามแม่เหล็กหรือแรงภายนอกจะทำให้ขอบเขตของตัวแปร ซึ่งเรียกว่าขอบเขตคู่ เปลี่ยนไป และทำให้เกิดความได้เปรียบในตัวแปรใดตัวแปรหนึ่ง เมื่อองค์ประกอบหดตัวหรือยืดออกจนสุด มันจะประกอบด้วยตัวแปรเพียงตัวเดียวและกล่าวได้ว่าอยู่ในสถานะตัวแปรเดี่ยวการทำให้เป็นแม่เหล็กขององค์ประกอบ MSM ตามทิศทางคงที่นั้นแตกต่างกันหากองค์ประกอบอยู่ในสถานะตัวแปรเดี่ยวที่หดตัวหรือยืดออก ความไม่สมมาตรทางแม่เหล็กคือความแตกต่างระหว่างพลังงานที่จำเป็นในการทำให้องค์ประกอบเป็นแม่เหล็กในสถานะตัวแปรเดี่ยวที่หดตัวและในสถานะตัวแปรเดี่ยวที่ยืดออก ค่าของแอนไอโซโทรปีเกี่ยวข้องกับผลผลิตงานสูงสุดของโลหะผสม MSM และด้วยเหตุนี้จึงเกี่ยวข้องกับความเครียดและแรงที่มีอยู่ซึ่งสามารถนำไปใช้งานได้^{[ 8 ]}

คุณสมบัติหลักของเอฟเฟกต์ MSM สำหรับองค์ประกอบที่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ได้รับการสรุปไว้ใน^{[ 9 ]} (ซึ่งมีการอธิบายแง่มุมอื่นๆ ของเทคโนโลยีและการใช้งานที่เกี่ยวข้อง)

• ความเครียดสูงสุด 6%
• ความเค้นสูงสุดที่เกิดขึ้นได้ถึง 3 MPa
• สนามแม่เหล็กขั้นต่ำที่ทำให้เกิดความเครียดสูงสุด: 500 kA/m
• ความเครียดเต็มที่ (6%) รับน้ำหนักได้สูงสุด 2 MPa
• พลังงานที่ใช้ต่อปริมาตรประมาณ 150 กิโลจูล/ลูกบาศก์เมตร
• ประสิทธิภาพเชิงพลังงาน (การแปลงระหว่างพลังงานแม่เหล็ก ขาเข้า และงานเชิงกลขาออก) ประมาณ 90%
• แรงเสียดทานภายในประมาณ 0.5 MPa
• การกระตุ้นด้วยแม่เหล็กและความร้อน
• อุณหภูมิใช้งานระหว่าง -40 ถึง 60 องศาเซลเซียส
• การเปลี่ยนแปลงของสภาพซึมผ่านของแม่เหล็กและความต้านทานไฟฟ้าในระหว่างการเสียรูป

อายุการใช้งานจากการล้าของ MSMA มีความสำคัญเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานด้านการกระตุ้นเนื่องจากการหมุนเวียนความถี่สูง ดังนั้นการปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคของโลหะผสมเหล่านี้จึงมีความสำคัญเป็นพิเศษ นักวิจัยได้ปรับปรุงอายุการใช้งานจากการล้าให้สูงถึง 2 พันล้านรอบด้วยความเค้นสูงสุด 2 MPa ซึ่งให้ข้อมูลที่น่าสนใจเพื่อสนับสนุนการใช้งานจริงของ MSMA ในอุปกรณ์^{[ 10 ]}แม้ว่าจะมีการสาธิตอายุการใช้งานจากการล้าที่สูงแล้ว แต่พบว่าคุณสมบัตินี้ถูกควบคุมโดยความเค้นแฝดภายในของวัสดุ ซึ่งขึ้นอยู่กับโครงสร้างผลึกและขอบเขตแฝด นอกจากนี้ การเหนี่ยวนำ MSMA ที่มีความเครียดเต็มที่ (ยืดหรือหดตัว) พบว่าทำให้อายุการใช้งานจากการล้าลดลง ดังนั้นจึงต้องนำมาพิจารณาเมื่อออกแบบระบบ MSMA ที่ใช้งานได้ โดยทั่วไป การลดข้อบกพร่อง เช่น ความหยาบของพื้นผิวที่ทำให้เกิดการกระจุกตัวของความเค้นสามารถเพิ่มอายุการใช้งานจากการล้าและความต้านทานการแตกหักของ MSMA ได้^{[ 11 ]}

โลหะผสมมาตรฐานคือ โลหะผสม นิกเกล - แมงกานีส - แกลเลียม (Ni-Mn-Ga) ซึ่งได้รับการศึกษามาตั้งแต่มีการตีพิมพ์ผล MSM ที่เกี่ยวข้องครั้งแรกในปี 1996 ^{[ 1 ]}โลหะผสมอื่นๆ ที่อยู่ระหว่างการศึกษา ได้แก่ โลหะผสม เหล็ก - แพลเลเดียม (Fe-Pd) โลหะผสมนิกเกล-เหล็ก-แกลเลียม (Ni-Fe-Ga) และอนุพันธ์ต่างๆ ของโลหะผสม Ni-Mn-Ga พื้นฐานซึ่งประกอบด้วยเหล็ก (Fe) โคบอลต์ (Co) หรือทองแดง (Cu) เพิ่มเติม แรงจูงใจหลักเบื้องหลังการพัฒนาและการทดสอบโลหะผสมใหม่ๆ อย่างต่อเนื่องคือการบรรลุคุณสมบัติทางเทอร์โม-แม่เหล็ก-เชิงกลที่ดีขึ้น เช่น แรงเสียดทานภายในที่ต่ำลง อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะที่สูงขึ้น และอุณหภูมิคิวรี ที่สูงขึ้น ซึ่งจะช่วยให้สามารถใช้โลหะผสม MSM ในการใช้งานต่างๆ ได้ ในความเป็นจริง ช่วงอุณหภูมิใช้งานจริงของโลหะผสมมาตรฐานนั้นสูงถึง 50 °C เมื่อเร็วๆ นี้ มีการนำเสนอโลหะผสมที่มีอุณหภูมิใช้งานถึง 80 °C ^{[ 12 ]}

เนื่องจากกลไกการเคลื่อนที่ของขอบเขตแฝดที่จำเป็นสำหรับการเกิดผลของหน่วยความจำรูปร่างแม่เหล็ก MSMA ที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในแง่ของความเครียดที่เหนี่ยวนำสูงสุดจึงเป็นผลึกเดี่ยว การผลิตแบบเติมแต่งได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นเทคนิคในการผลิต MSMA โพลีคริสตัลไลน์ที่มีรูพรุน^{[ 13 ]}เมื่อเทียบกับ MSMA โพลีคริสตัลไลน์ที่มีความหนาแน่นเต็มที่ โครงสร้างที่มีรูพรุนช่วยให้มีอิสระในการเคลื่อนที่มากขึ้น ซึ่งช่วยลดความเครียดภายในที่จำเป็นในการกระตุ้นการเคลื่อนที่ของขอบเขตแฝดมาร์เทนซิติก นอกจากนี้ การบำบัดความร้อนหลังกระบวนการ เช่นการเผาผนึกและการอบอ่อน พบว่าช่วยเพิ่มความแข็งและลดโมดูลัสความยืดหยุ่นของโลหะผสม Ni-Mn-Ga ได้อย่างมีนัยสำคัญ

องค์ประกอบ แอคทูเอเตอร์ MSM สามารถใช้ได้ในกรณีที่ต้องการการเคลื่อนที่ที่รวดเร็วและแม่นยำ เป็นที่น่าสนใจเนื่องจากการกระตุ้นที่เร็วกว่าโดยใช้สนามแม่เหล็กเมื่อเทียบกับวงจรความร้อน/ความเย็นที่จำเป็นสำหรับโลหะผสมหน่วยความจำรูปร่างแบบดั้งเดิม ซึ่งยังให้คำมั่นสัญญาถึงอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น สาขาการใช้งานที่เป็นไปได้ ได้แก่ หุ่นยนต์ การผลิต การผ่าตัดทางการแพทย์ วาล์ว แดมเปอร์ การคัดแยก^{[ 9 ]} MSMA ได้รับความสนใจเป็นพิเศษในการใช้งานแอคทูเอเตอร์ (เช่น ปั๊มไมโครฟลูอิดิกสำหรับ อุปกรณ์ แล็บออนอะชิป ) เนื่องจากสามารถสร้างแรงและระยะการเคลื่อนที่ขนาดใหญ่ในพื้นที่ขนาดเล็กได้^{[ 10 ]}นอกจากนี้ เนื่องจากอายุการใช้งานที่ยาวนานและความสามารถในการสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าจากฟลักซ์แม่เหล็ก MSMA จึงเป็นที่น่าสนใจในการใช้งานด้านการเก็บเกี่ยวพลังงาน^{[ 14 ]}ในด้านชีวการแพทย์ การใช้งาน MSMA ได้แก่ สเตนต์แบบขยายตัวเอง สายสวนแบบแอคทีฟ เครื่องมือไร้สาย กล้องเอนโดสโคป และอุปกรณ์หัวใจ^{[ 15 ]}

ความเค้นแฝดหรือความเค้นเสียดทานภายในของ MSMA เป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพของการทำงาน ดังนั้นการออกแบบการทำงานของแอคทูเอเตอร์ MSM จึงขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกลและแม่เหล็กของโลหะผสมที่กำหนด ตัวอย่างเช่น ค่าการซึมผ่าน ของแม่เหล็ก ของ MSMA เป็นฟังก์ชันของความเครียด^{[ 10 ]}การออกแบบแอคทูเอเตอร์ MSM ที่พบได้บ่อยที่สุดประกอบด้วยองค์ประกอบ MSM ที่ควบคุมโดยแม่เหล็กถาวรที่สร้างสนามแม่เหล็กหมุนและสปริงที่คืนแรงทางกลระหว่างการหมุนเวียนของหน่วยความจำรูปร่าง ข้อจำกัดของผลกระทบหน่วยความจำรูปร่างแม่เหล็กเนื่องจากข้อบกพร่องของผลึกเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพของ MSMA ในการใช้งาน เนื่องจากผลกระทบ MSM ยังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิด้วย โลหะผสมเหล่านี้จึงสามารถปรับแต่งเพื่อเลื่อนอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านโดยการควบคุมโครงสร้างจุลภาคและองค์ประกอบ