형상기억합금 스피링을 이용한 관내주행기구의 설계 및 제작

나승우 檀國大學校 1998 국내석사

본 논문에서는 형상기억합금 스프링을 이용하여 관내주행기구를 설계하고 제작하였다. 기존의 모터를 이용하는 관내주행기구는 비교적 크기가 크기 때문에 새로운 액츄에이터를 이용한 소형 관내주행기구를 제작할 필요가 있다. 형상기억합금은 큰 힘-중량비를 가져 소형 액츄에이터로서의 가능성을 가지고 있으며 재료 자체가 액츄에이터로 직접 이용될 수 있으므로 간단한 구조가 가능해 진다. 본 논문에서는 형상기억합금을 관내주행기구의 액츄에이터로 적용하기 위한 bias식 형상기억합금 액휴에이터의 설계 방법을 제시하고 관내주행기구를 최적의 동작 조건에서 동작시키기 위해 동특성을 조사하였다. 제안된 설계 방법에 의해 관내주행기구를 제작하여 설계 방법의 타당성을 확인하였고 동특성 측정 결과에 의해 관내주행기구를 동작시킴으로써 제작된 관내주행기구의 특성을 조사하였다. 직경 39 mm의 관내에서 측정한 결과 견인력 0.4 N으로 34 rnm/min의 속도로 동작하는 것으로 나타났다. In this paper, an in-pipe moving mechanism has been designed and fabricated using shape memory alloy springs. Conventional in-pipe moving mechanisms for pipe inspection, driven by electromagnetic motor, have large volume and mass. Shape memory alloy can be an alternative for small sized actuator due to great power-to-weight ratio and simple structure. To show the possibility of a small sized in-pipe moving mechanism, we used shape memory alloy springs. A novel design method for bias-type shape memory alloy actuators has been proposed and dynamic characteristics of differential-type shape memory alloy actuators have been characterized, which are essential for the design of the in-pipe moving mechanism using shape memory alloy springs. Analyzing the fabricated moving mechanism according to the designed results, moving speed of 34 mm/min and traction force of 0.4 N was obtained from the driving experiment in a pipe with the diameter of 39 mm.

Ti-Ni-Cu 형상기억합금 분말 및 성형체에 관한 연구

김현진 계명대학교 대학원 2011 국내석사

Ti-Ni-Cu 형상 기억 합금에서 Cu의 함량이 10 (at%) 이상이 되면 brittle 하기 때문에, 급냉 응고법 중의 하나인 가스 분무법을 이용하여 시료를 제조하였다. 제조된 분말의 상변태 거동을 알아보기 위해 DSC를 이용하여 열분석하였다. DSC Curve에서 분말의 크기가 커질수록 마르텐사이트 변태 개시 온도(MS) 및 오스테나이트 변태 종료 온도(Af)가 증가하였다. 제조된 분말의 결정구조를 알아보기 위해서 X선 회절 시험을 실시하였다. 회절 peak에서 Ti50-Ni45-Cu5 및 Ti50-Ni40-Cu10 경우 B2상이 나타났다. 그리고 Ti50-Ni30-Cu20 및 Ti50-Ni20-Cu30의 경우, B2상 및 B19이 나타났다. Ti-Ni-Cu 형상 기억 합금 분말을 방전 플라즈마 소결법에 의해 소결을 하였다. 소결된 분말의 DSC 열분석곡선에서는 Ti50-Ni40-Cu5를 제외한 나머지 조성에서 굴곡이 있는 peak이 나타났다. 소결된 분말의 XRD에서 Cu3Ti와 Cu4Ti3의 석출물이 나타났다. 가스분무법으로 제조된 Ti-Ni-Cu 형상기억합금 분말과 방전 플라즈마 소결법으로 제조된 소결체의 표면과 단면에서 grain boundary를 확인 할 수 있었다. 또한 형상기억합금에서 나타나는 cellular morphology이 관찰되었다. In Ti-Ni-Cu shape memory alloys, Cu content more than 10 (at%) are so brittle that specimens were fabricated by gas atomization that one of rapidly solidification process. In order to explain the phase transformation behavior of the fabricated powders, DSC was carried out. When the size of powders got bigger, martensite transformation start temperature(MS) and austenite transformation finish temperature(Af) increased. In order to explain the crystal structure. X-ray diffraction experiment was carried out. In case of Ti50-Ni45-Cu5 and Ti50-Ni40-Cu10, B2 phase appeared at XRD peaks. In case of Ti50-Ni30-Cu20 and Ti50-Ni20-Cu30, B2 phase and B19 phase appeared at XRD peaks. Ti-Ni-Cu shape memory alloy powders were sintered by spark plasma sintering process. At DSC curve of the sintered specimens, bend peak appeared except Ti50-Ni45-Cu5 at all composition. At XRD of sintered specimens, precipitates of Cu3Ti and Cu4Ti3 appeared. Ti-Ni-Cu shape memory alloys fabricated by gas atomization and sintered specimens fabricated by spark plasma sintering were able to found grain boundary at surface and cross-section.

Ti-Ni-Mo 형상기억합금 다공성 소결체 제조 및 기공률에 따른 기계적 물성 비교

조병구 계명대학교 대학원 2017 국내석사

형상기억합금은 형상기억효과와 초탄성효과를 이용하여 액추에이터, 온도센서, 의료용 재료 등 폭넓은 분야에 응용되고 있다. 최근 다공성 금속재료를 생체재료에 일부 적용하여 연구되고 있다. 다공성 금속 생체재료는 기존의 비다공성 금속재료보다 임플란트 재료로 우수한 이유가 두 가지 있다. 첫 번째로 개방된 다공성은 뼈와 임플란트 재료 사이에서 뼈세포가 성장하여 안착할 수 있으며 임플란트 재료의 고정을 향상시킨다. 두 번째는 다공성에 따라서 골 흡수가 좋아지고 뼈와 임플란트 재료의 탄성계수 불일치로 응력차폐현상이 생겨 임플란트 재료가 생체재료에서 이탈하는 것을 줄여준다. Ti-Ni계 형상기억합금에 Mo를 첨가하면 합금의 부식저항성이 우수하여 생체적합성이 좋은 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 Ti-Ni-Mo 형상기억합금 fiber를 arc melt overflow법으로 제조했다. 등원자 조성의 Ti-Ni합금에 Ni 대신 Mo를 치환할수록 상변태 온도는 감소하였고 2단 변태인 B2-R-B19’ 변태를 확인할 수 있었고 소결 후의 구조 및 상변태 온도를 조사하였다. Ti-Ni-Mo 형상기억합금 fiber로 다공성 소결체를 제작하여 기공률에 따라서 압축 시에 나타나는 탄성계수 및 초탄성 특성을 조사하였다. 그 결과로 해면골의 탄성계수를 가진 다공성 소결체를 제작할 수 있었고 생체재료로써 인체 내에서 초탄성 효과를 활용할 수 있을 것으로 나타났다. Ti-Ni-based shape memory alloys have been considered as good biomedical metallic materials due to good corrosion resistance, super- elasticity and shape memory effect. Implant stability and fixation can be achieved by bone tissue growing into and through a porous matrix of metal. It is expected that extensive body fluid transport through the porous scaffold. Valuable property of porous materials is the low elastic modulus. Mismatch of Young’s modulus between the implant and the surrounding bone (stress shielding of bone), which is identified as a major reason for implant loosening, can be reduced greatly. In this study, Ti-Ni-Mo shape memory alloy fiber was fabricated by acr melt overflow process. Temperature of phase transformation decreased with the substitution of Mo instead of Ni for Ti50-Ni50 alloy. After sintered, the structure and phase transformation temperature were investigated. Porous sintered bulk was fabricated with Ti-Ni-Mo shape memory alloy fiber. The elastic modulus and superelastic characteristics of the porous sintered bulk were investigated according to porosity. As a result, the porous sintered body was similar to the elastic modulus of cancellous bone. As a biomaterial, it was shown that it could exhibit superelastic effect in the human body.

생체용 Ti-Nb-Zr-Ta 합금의 형상기억특성에 미치는 Ta첨가 및 실온시효의 영향

김소진 동아대학교 대학원 2013 국내석사

국문초록 생체용 Ti-Nb-Zr-Ta 합금의 형상기억특성에 미치는 Ta첨가 및 실온시효의 영향 The Effect of Ta Addition, Room Temperature Aging on Shape Memory Characteristics of Ti-Nb-Zr-Ta Biomedical Alloys 금속공학과 김 소 진 지 도 교 수 김 재 일 Ti-Ni기 형상기억합금은 우수한 기계적 특성 및 내식성, 생체적합성을 가지고 있음에도 불구하고 Ni이 인체에 알레르기를 유발한다고 보고되어짐에 따라 Ni-free 형상기억합금의 연구가 더욱 활발해지고 있다. 다양한 Ni-free 합금 중 β-Ti기 합금은 우수한 냉간 가공성, 낮은 탄성계수, 안정된 초탄성거동 등으로 치과장치, 심혈관 스탠트, 교정 임플란트 등과 같은 다양한 범 위의 생체재료 후보로써 주목을 받고 있다. 최근 Ti-Nb-Zr에서 우수한 형상기억특성이 나타나는 것으로 보고되었지만 슬립임계응력 및 인장강도가 낮은 것이 단점으로 지적되었다. Ta은 합금의 항복강도를 높이고 내식성을 향상시키며 탄성계수를 낮춘다는 점에 착안하여 Ti-Nb-Zr-Ta 합금의 형상기억특성에 미치는 Ta첨가의 효과를 조사하였다. 한편 베타형 Ti-based 합금에서 최근 자연시효 현상이 보고되어졌다. 이러한 현상은 시효로 인해 석출된 ω상이 원인으로 보고된다. 이러한 자연시효로 인해 Ti계 형상기억합금은 우수한 형상기억특성에도 불구하고 응용이 용이하지 않다. 본 연구에서도 Ti-Nb-Zr-Ta 합금계에서 자연시효에 대한 영향을 체계적으로 조사하였다. 상온에서 싸이클 시험결과 Ti-10Nb-10Zr-(6~8)Ta(at.%)합금과 Ti-10Nb-10Zr-(9~12)Ta(at.%)합금에서 각각 안정한 형상기억특성 및 초탄성거동을 보였다. 변태온도는 1at.%Ta이 증가함에 따라 약 17℃ 감소하였다. 슬립임 계응력은 Ta함량이 증가함에 따라 증가하였다. 실온에서 시효시간이 증가함에 따라 항복응력, 항복강도, 슬립임계응력이 60day시효재까지 증가하였고 그 이후에는 변화가 없었다. 100℃, 150℃, 200℃에서 3.6ks동안 인공 시효한 시편에서 시효 온도가 증가함에 따라 항복응력, 항복강도, 슬립임계응력이 증가하였다. 300℃에서 3.6ks동안 인공시효후 실온 시효는 기계적 특성을 변화시키지 않았다. 이것은 100℃-3.6ks의 인 공시효가 실온 시효의 영향을 줄이는데 효과적인 방법이라는 것을 시사한다. 주요어 ; 형상기억합금, 생체용 Ti-based, 초탄성, Ti-Nb-Zr-Ta, 실온시효, 자연시효

전자빔 증착에 의한 TiNi박막의 제조와 형상기억 효과에 관한 연구

노해용 연세대학교 2007 국내박사

본 연구는 전자빔 증착에 의해 Ti-Ni 형상 기억 합금 박막을 제조하고, 제조된 박막 및 박판의 조성에 대해 형상 기억 효과를 조사하는 것이다. Ti-Ni 박막 제조의 실험 방법은 전자빔 용해에 의해 Ti-Ni 합금 타겟을 제조하고, 고 에너지 전자빔을 이용하여 제조된 타rpt으로 유리 기판 또는 실리콘 기판에 Ti-Ni 박막을 증착 시킨다. 본 연구의 주 내용은 각종 조성에 따른 Ti-Ni박막의 상 변태 거동, 구조 특성, 기계적 성질 및 박막의 표면 성질, bulk 압연 판재로 형상 기억 효과에 대해 조사하였다.반도체 미세가공기술의 발달과 미소유량을 정밀하게 제어하는 미소밸브 및 의료기기 등의 마이크로머신을 실현시키기 위해 Ti-Ni 합금의 형상기억 박막이 주목 되고 있다. 마이크로머신은 고성능의 초소형 구동원인 초소형 액추에이터가 필수적이다. 액추에이터는 여러 가지 기구가 있으나 그 중에서도 형상기억 합금을 이용한 것이 변위량(6내지 8%)과 복원력(500MPa)이 크고, 제어가 간단하며, 낮은 구동력으로도 작동이 가능한 이점이 있다. 또한 Ti-Ni 합금은 스마트재료의 모델로 형상기억합금과 PZT를 결합하는 기술이 요구되고 있다.Ti-Ni 합금 박막은 마이크로 머시인 시스템에서 요구되는 마이크로 액추에이터 기능을 보유하고 있다. 또한 필수적으로 박막의 조성이나 두께 등의 제어가 양호하게 되어야만 반도체 미세가공 기술에 직접 적용할 수 있는 마이크로머신용 장치를 제작할 수가 있다. 전자빔 증발 기술을 이용하여 Ti-Ni 합금 타겟과 박막을 제조하였다. 이 때의 증착조건은 다음과 같다. 본 연구에서 제조된 타겟과 박막은 아크 용해 및 전자빔 코팅 장치를 이용하여 다음과 같은 증착 조건으로 유리 기판 및 실리콘 기판에 다양한 조성의 Ti-Ni 박막을 성공적으로 제조하였다. 글래스 기판(Micro slides 2948, 25*75*1mm, Corning Glass Works, USA)을 사용하였다. 전자빔 증발 조건은 가속 전압이 19.1KV , 방출전류는 3.19A, 진공 챔버 내의 잔류가스 압력은 7.7×10-6 내지 5.0×10-6 torr이고, 증착 시간은 20 내지 30분 정도였고, 기판온도는 473K 내지 646K이며, 기판과 타겟 사이의 거리는 150mm의 증발조건으로 박막을 제조하였다. 제조된 박막 및 타겟은 각종 분석을 위하여 증착 상태 및 어닐링 처리한 시편으로 준비하였다. Ti-Ni 합금 타겟과 박막의 균일한 조성을 분석하기 위해 EPMA를 사용하였고, 박막의 두께 방향의 조성을 분석하기위해 AES를 사용하였다. 박막의 미세 구조 박막의 표면 거칠기 및 미세조직 관찰을 위해 XRD, SEM, TEM, AFM을 이용하고,박막의 변태거동을 측정하기위해 DSC를 이용하였으며, 박막의 기계적 성질을 측정하기위해 nano indentation을 사용하였다. Ti-Ni 합금 bulk 재료는 상용되고 있는 소재를 구입하고, 열간압연과 냉간 압연을 병행하여 소정의 두께에 따라 판재로 제작한 후, 이 판재를 어닐링 한 후 수냉하여 시편을 준비했다. 또한, Ti-Ni 합금 박막으로 형상 기억 효과를 측정하기 어려워 bulk Ti-Ni합금 판재를 사용 하였다. 형상기억효과는 bulk 재료의 판재를 형상기억효과 측정 장비로 측정하였다.상기와 같은 측정 및 분석 결과를 통해 고에너지 전자빔으로 제조된 타겟과 증착된 박막의 화학 조성을 제어할 수 있었다. 또한 형상기억 박막에서 중요시되는 두께 방향으로의 화학조성의 제어는 기존의 전통 증발법 및 스퍼터링법 보다 균일한 조성의 박막을 얻을 수 있었다. XRD부터 Ti-Ni 박막들을 상분석한 결과 TiNi와 Ti2Ni상이 존재 한다는 것을 알 수 있었다. SEM을 통해 박막의 단면을 관찰한 결과 박막의 두께가 균일하고 표면이 매끄러운 박막임을 관찰 할 수 있었다. TEM을 통해 수 미크론 크기의 입도와 수 나노 크기의 석출물들이 입계를 따라 분포하고 있는 것을 관찰하였다. AFM을 통해 박막의 표면성질을 측정한 결과 표면 거칠기의 정도가 수nm 내지 수십nm인 것을 알 수 있었다. 한편 Ti-Ni 합금 박막으로 제조된 박막을 액추에이터에 응용할 경우, 상온용 또는 저온용 액추에이터가 있는데 사용목적에 따라 냉각장치의 필요 유무에 관한 사항을 고려하여 적용하면 된다. 이는 변태온도를 측정한 DSC결과를 통해 판단할 수 있었다. 이 때 martensitic 변태온도와 역 martensitic 변태온도는 수 ℃에서 수십 ℃임을 알 수 있었다. 박막의 경도와 탄성 계수를 측정한 결과 박막의 Ti 함량이 증가함에 따라 감소되는 것을 알 수 있었다. Bulk Ti-Ni 합금 판재를 가지고 형상기억효과를 측정한 결과 이전 변형율(pre-strain)이 감소함에 따라 형상 기억능이 증가한다는 것을 알 수 있었다. 두께가 증가함에 따라 Ms점은 증가하다가 임계 두께 이상이 되면 두께가 증가함에 따라 Ms점은 감소한다는 것을 알 수 있었다. 또한, As점과 Af점의 경우에는 두께가 증가함에 따라 감소하다가 어느 두께 이상에서는 증가하다가 다시 어느 두께 부터는 감소하는 경향을 나타내었다.Ti-Ni 형상기억 합금 박막은 융점이 높고, 증기압이 낮은 금속으로 진공용해 조작에 적합하고, Ti-Ni 합금박막을 고 에너지 전자빔 증발법으로 증착하는 경우 고 진공의 분위기에서 박막을 증착시키므로 박막의 불순물 제거 효과 및 고속 증착속도가 작용하여, 조밀하고 치밀한 박막을 얻을 수 있어 막질 향상에 크게 기여함을 알 수 있었다.본 연구에서는 상기와 같은 결과로부터 고 에너지 전자빔을 이용한 전자빔 증발법에 의한 증착 공정을 이용하여 용이한 Ti-Ni 형상기억합금 박막 제조와 박막의 다양한 특성을 조사함으로써 향후미래의 복합형 능동 스마트재료의 일부인 형상기억합금의 응용과 마이크로머시인용 액추에이터로 응용될 가능성을 알 수 있었다. The shape memory thin films of Ti-Ni alloys can be used for materials of microactuator. The actuator can be worked by the use of shape memory alloy because of big displacement and high recovery force and easy miniaturization by design. The medical equipment and micromachine need a high quality performance microactuator. In this research, the rolling process is impossible for the fabrication of thin and thick films. However electron beam coating process is possible for the fabrication of thin and thick films. The purpose of this research is to construct the electron beam melting and coating equipment for the Ti-Ni alloy thin films fabrication and to develop the coating technology of the Ti-Ni alloy thin films.Microsystems with electronic functions are becoming more popular and find major roles in a variety of engineering applications such as micromechanical devices, medical engineering, automation technology, and precision optical devices. Microsystems demand high structural complexity confined in a small space, and perform intelligent tasks. The power to drive such microsystem needs smaller actuators, which requires efficient actuator materials including electrostatic, piezoelectric and shape memory alloys. Among these, shape memory alloys (SMA) have certain advantages over other materials. The main advantages of SMA are large recovery force and strain, good mechanical property, a high power-to-weight ratio, low driving voltage and easy miniaturization by design. However, the response is not as fast as of other principles and this problem can be overcome in the thin film form of SMA by allowing small thermal flow involved in the heating and cooling.Until now, the TiNi SMA thin films have been fabricated by various deposition methods such as direct current (DC) or radio frequency (RF) magnetron sputtering, vacuum vapor deposition, ion beam enhanced deposition (IBED), pulsed laser deposition and flash evaporation. The main considerations for good quality of the TiNi thin films are related to composition. A small deviation in composition can give rise to a very large change in the transformation temperature. Vacuum problems during deposition can cause Ti loss due to the extremely high reactivity with oxygen. As a result, the ratio of Ti and Ni may change during the deposition process. In this study, the electron beam evaporation method was employed to prepare TiNi SMA thin films. The compositional homogeneity, microstructure and phase transformation of electron beam deposited TiNi SMA thin films are reported. Ti-Ni alloy of thin film is a potential material microactuation functions required in microelectromechanical system (MEMS). Electron beam evaporation technique, expected to be the best way to control chemical composition and thickness, is employed in this study to fabricate thin film of TiNi alloy. The targets used for the evaporation are first prepared by electron beam melting. The uniformity of composition and microstructure of the thin films are characterized by electron probe microanalysis (EPMA), Auger electron spectroscopy (AES), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM) and transmission electron microscopy (TEM). The mechanical property of the thin films is evaluated by the nano-indentation test. The martensitic transformation temperature is measured by differential scanning calorimetry (DSC). It is confirmed that the chemical composition of deposited thin films is the same as that of the target materials. Results of depth profiling of the chemical composition reveals that the electron beam evaporation yields better compositional homogeneity than conventional methods such as sputtering and thermal evaporation. The phase analysis of Ti-Ni thin films was performed by XRD method. As a result, phases of Ti-Ni thin films have both TiNi and Ti2Ni. The SEM observation of the thin film microstructure shows that surface morphology are good uniformity and smoothness. The TEM observation of the thin film microstructure shows that grain size is a few microns with precipitates of several nanometer preferentially distributed along the grain boundaries. The hardness and elastic modulus of thin films decreases with an increase in Ti contents. The roughness values of the thin films increased with increasing thickness. The variation of As and Af decreased with increasing thickness in the range of 0.7mm and monotonic increased with thickness in the range of 1.0mm after monotonic decrease with thickness in the range of 1.2mm, 1.5mmin in 51.04at% Ni-Ti rolling sheets. The variation of Ms increased with increasing thickness in the range of 1.0mm and monotonic decreased with thickness in the range from 1.2mm to 1.5mm. The variation of pre-strain was changed linearly with increasing thickness in the range from 0.5mm to 1.5 mm. The shape memory effect is difficult to measure in the Ti-Ni thiin film so the shape memory effect is measured using the Ti-Ni rolling sheet. In this case of R=13mm, the variation of shape memory effect decreased with increasing thickness in the range from 0.5mm to 1.5mm in 51.04at%Ni-Ti rolling sheets. In this case of R=9.5mm, the variation of shape memory effect decreased with increasing thickness in the range from 0.5mm to 1.5mm in 51.04at%Ni-Ti rolling sheets.

형상기억합금 원단화 방식, 수, 직경에 따른 텍스타일 액츄에이터 최적화와 작동 전 후 착용감 및 지지력 분석

윤동혁 숭실대학교 대학원 2023 국내석사

최근 기술이 발전함에 따라 형상기억합금을 이용하여 기계의 결합 장치나 의학장치 그리고 생활품의 분야 이외에도 의복 분야에서도 형상기억합금을 활용하려는 연구들이 많아지고 있다. 또한 최근에는 형상기억합금은 변화하는 온도에 의해 처음의 본래의 형태로 되돌아 가지는 힘. 즉, 변형률의 회복력을 힘으로 삼아 액츄에이터에 적용이 가능한지에 대한 연구가 이루가 이루어지고 있다. 스마트 웨어러블 분야에서는 원단형태의 액츄에이터의 개발이 이루어 지고 있다. 스마트 의류의 분야에서 수요의 증가에 따라 의복에서도 액츄에이터를 이용한 제품의 수요가 증가하였다. 그러나, 착용감 및 전자 제품의 무게에 대한 문제가 있어서 해당 부분에 대한 문제해결이 이루어 지고 있다. 본 연구에서는 스티칭 공정과 편직 공정을 이용하여 형상기억합금 텍스타일 액츄에이터를 각각의 방식으로 제작하여 스마트 웨어러블 손목보호대용 형상기억합금 텍스타일 액츄에이터를 제작하는것이다. 형상기억합금 텍스타일 액츄에이터를 제작하기 위하여 직경 0.3, 0.4, 0.5 mm의 Ni-Ti 선형 형상기억합금을 사용하였으며, 재봉틀과 수동 편직기를 사용하였다. 힘 측정은 utm을 사용하여 측정하였고, 분석하였다. 전기 작동의 방식은 파워 서플라이를 통한 저항 가열 방식을 이용하였다. 전기 저항 가열의 작동 후 형상기억합금 텍스타일 액츄에이터의 지지력은 형상기억합금의 형상기억효과로 인해 생겨 원래의 형태로 되돌아가지는 힘으로 정하였다. 착용감은 일반 손목 보호대에서 전기 작동 전 형상기억합금 텍스타일 액츄에이터의 값을 뺀 값이고, 지지력은 전기 작동 후 형상기억합급 텍스타일 액츄에이터의 값에서 일반 손목 보호대 값을 뺀 값이다. 착용감 및 지지력의 총합이 가장 높은 샘플이 스마트 웨어러블 손목보호대용 형상기억합금 텍스타일 액츄에이터의 최적이 샘플이 되는 것이다. With the recent development of technology, more and more studies are trying to utilize shape memory alloys in the field of clothing in addition to the field of mechanical coupling devices, medical devices, and daily necessities using shape memory alloys. In addition, recently, research has been conducted on whether shape memory alloys can be applied to actuators using the resilience of strain as a force to return to their original form due to changing temperatures. In the field of smart wearables, fabric-type actuators are being developed. As demand in the field of smart clothing increased, demand for products using actuators also increased in clothing. However, there are problems with the fit and weight of electronic products, so the problem is being solved in that part.In this study, shape memory alloy textile actuators are manufactured in their respective ways using the stitching process and the knitting process to manufacture shape memory alloy textile actuators for smart wearable wrist guards. Ni-Ti linear shape memory alloys with diameters of 0.3, 0.4, and 0.5 mm were used to manufacture shape memory alloys, and sewing machines and manual knitting machines were used. The force measurement was measured and analyzed using utm. The electric operation method used a resistance heating method through a power supply. After the operation of electrical resistance heating, the support force of the shape memory alloy textile actuator was determined as a force that returned to its original shape due to the shape memory effect of the shape memory alloy. Wearability is the value of the shape memory alloy textile actuator before electrical operation from the general wrist protector, and the support force is the value of the shape memory alloy textile actuator after electrical operation minus the value is the value of the wrist protector. The sample with the highest total fit and support is the optimal sample of the shape memory alloy textile actuator for smart wearable wrist guards.

Ti-Zr계 형상기억합금 fiber제조와 형상기억특성 분석

권혁준 계명대학교 대학원 2018 국내석사

형상기억합금은 우수한 생체 적합성 및 형상기억효과로 생체 재료로서 분야에서 폭넓게 응용되고 있다. 형상기억합금 중 Ti-Ni계 합금이 생체재료에 많이 이용되고 있지만 Ni이 알러지를 유발한다는 연구 결과가 있어 Ti-Ni계 합금을 대체하기 위해 다양한 연구가 진행되고 있다. 뼈와 탄성계수가 비슷하며 인체에 무해한 합금으로 Ti-Zr계 형상기억합금이 주목받고 있다. 비다공성 생체재료 보다 다공성 생체재료가 생체적합성이 우수하다고 알려져있다. 첫 번째 이유로서, 버여와 임플란트의 탄성계수 불일치로 발생하는 응력차폐현상을 감소시키며, 다공성에 의한 골 흡수가 좋아진다. 두 번째로 다공성 재료 사이에서 뼈세포를 성장시키는 공간을 마련하여, 임플란트의 안착을 도와주고 골수의 흐름을 방해하지 않는 장점을 가지고 있다. Ti-Zr-Nb계 합금에 Sn을 첨가하면 1 %의 첨가에 의하여 변태 온도가 50 ℃~60 ℃ 낮아진다. Ti-Zr-Nb-Sn 형상기억합금 fiber를 기공률 75 % 다공성 소결체를 제작하여 뼈와 유사한 상태로 제조한 후, 압축 시 나타나는 탄성계수 및 회복률을 조사하였다. 본 실험의 결과로, 생체재료로 활동할 수 있는 독성이 없는 Ti계 형상기억합금을 제조할 수 있었다. Shape memory alloys have been widely applied in the field as biomaterials due to their excellent biocompatibility and shape memory effect. Although Ti-Ni based alloys among shape memory alloys are widely used in biomaterials, researches have been made that Ni induces allergy, and various studies are under way to replace Ti-Ni based alloys. Ti-Zr based shape memory alloys are attracting attention as alloys which are similar in biaxial elastic modulus and harmless to the human body. Porous biomaterials are superior to non-porous biomaterials as biomaterials. First, according to porosity, the elastic modulus discrepancy reduces stress shielding and improves bone resorption. Secondly, it has the advantage of growing the bone cells between the porous materials to help settlement and not interfere with the flow of bone marrow. When Sn is added to a Ti-Zr-Nb-based alloy, the transformation temperature is lowered from 50 °C to 60 °C by additing 1 % Sn. In this study, Ti-Zr-Nb-Sn shape memory alloy fiber was fabricated by arc melt overflow method. Ti-Zr-Nb-Sn fiber was used for the tensile test and the recovery rate was observed according to the temperature range. Ti-Zr-Nb-Sn shape memory alloy bulks were fabricated to investigate the elastic modulus and recovery of the porous sintered body when compressing to 5 % of the bone-like poros bulk. Non-toxic Ti-based shape memory alloys combe produced for the application biomaterials.

Ti-rich Ti-Ni 합금의 형상기억 특성에 미치는 온간가공의 영향

옥지면 동아대학교 대학원 2011 국내석사

Ti-Ni 형상기억합금은 우수한 형상기억 특성뿐만 아니라 내식성, 생체적합성, 가공성 등이 뛰어나 공업분야 및 생체분야에서 폭 넓게 응용되어지고 있다. Ti-Ni 합금의 형상기억 특성에 미치는 인자로써는 냉간가공 후 중간온도에서의 어닐링처리, 용체화처리 후 시효처리, 제 3 원소 첨가 등이 있다고 알려져 있다. 형상기억 특성 중 슬립임계응력에 영향을 미치는 인자는 석출물, 전위의 양이 있으며, 변태온도는 Ni의 조성, 석출물과 전위의 양에 영향을 받는다. Ni-rich Ti-Ni합금은 큰 슬립임계응력을 갖지만 낮은 변태온도를 나타내기 때문에 고온에서의 형상기억 특성을 이용하는데 한계가 있다. 한편, Ti-rich Ti-Ni합금은 변태온도가 높지만, 슬립임계응력이 낮은 단점이 있다. 본 연구의 예비 실험결과, Ti-rich Ti-Ni 합금을 온간가공 후 열처리 한 시편은 용체화처리재와 비교하여 변태온도의 감소가 적고, 슬립임계응력은 향상되었다. 이러한 실험결과를 바탕으로 Ti-rich Ti-Ni의 형상기억 특성에 미치는 온간가공의 영향을 체계적으로 조사하였다. 또한, 30%의 최종가공률로 냉간 압연 후 열처리하여 온간가공과 냉간 가공이 형상기억 특성에 미치는 영향을 비교하였다. 400℃에서 온간가공 후 어닐링 처리 시 슬립임계응력은 어닐링 온도가 증가함에 따라 감소하였다. 온간가공 온도가 증가함에 따라 슬립임계응력이 감소하였고, 합금 조성의 의존성은 없었다. 변태온도의 의존성은 부하하중이 주어진 상태에서 하중이 증가함에 따라 As, As(0.2%)는 증가하였고, 온간가공률이 증가할수록 감소하였다. 그리고 온간가공 온도가 증가할수록 As, As(0.2%)가 증가하였다. 합금 조성의 의존성은 Ti-49.7at%Ni에서 As, As(0.2%)가 가장 높게 나타났다. 냉간가공재와 온간가공재를 비교하면, 온간가공재의 as-rolled 시료가 냉간 가공재의 400℃ 어닐링 처리 시편보다 슬립임계응력이 높게 나타났으며, As, As(0.2%)는 약간 감소하였다. 이러한 결과는, Ti-rich Ti-Ni 합금의 형상기억 특성이 고온용 actuator재료로서 응용 가능성이 있다는 것을 시사한다. Ti-Ni alloys have been used widely for industry and bionics, because of their combine excellent shape memory properties, biocompatibility, good workability and corrosion resistance. The factor on these shape memory properties are as follows; (1) annealing following cold working, (2) aging after solution treatment and (3) addition of ternary element. Among shape memory properties, slip critical stress depends on the amount of dislocation and precipitates. In addition, transformation temperature depends on the composition of Ni, the amount of dislocation and precipitates. Ni-rich Ti-Ni alloys have the high slip critical stress. But Ni-rich Ti-Ni alloys is limited to the high temperature shape memory properties due to the low transformation temperature. Meanwhile, Ti-rich Ti-Ni alloy have the high transformation temperature. But the disadvantage is the low-slip critical stress. Preliminary results of Ti-rich Ti-Ni alloys study, the transformation temperature of heat treatment specimens after warm working compared to solution treatment specimens was less decreased. And the slip critical stress was improved. Based on these results, shape memory properties in Ti-rich Ti-Ni is systematically investigated effect of warm-working. In addition, effect of the shape memory characteristics were compared with cold working specimens and warm working specimens. Annealing after warm working at 400℃, slip critical stress was decreased with increasing annealing temperature. Warm-working temperature decreases with increasing slip critical stress, there was no dependence of alloy composition. In the case the load, the transformation temperature was dependence by the load. The transformation temperature was increased with increasing the load. But transformation temperature is decreased with increasing warm-working rate. As and As(0.2%) is increased with increasing warm-working temperature. Dependence of alloy composition, As and As(0.2%) was the highest in Ti-49.7at %Ni. When cold-worked specimen and warm-worked specimen compared, slip critical stress of as-rolled specimens in warm-worked was higher than annealing treatment specimens at 400 after cold-worked. As and As(0.2%) was slightly decreased. These results, shape memory properties of Ti-rich Ti-Ni alloy suggest applications possibility as a material for high temperature actuator.

形狀記憶合金アクチュエ―タの磁場·超彈性擧動の計算モデリングに關する硏究

이종빈 東京大學 大學院 2004 해외박사

형상기억합금은 스마트재료의 한 종류로, 여러가지 분야에서 이용되어 지고 있다. 최근에는 형상기억합금 코일 스프링을 액츄애이트소자로 이용하는 기회가 늘어나고 있다. 액츄애이트 소자로서 고기능화, 다기능화를 목표로 철계, 니켈-망간-가리움계등의 강자성 형상기억합금의 연구도 진행되어 지고 있다. 다양한 가능성을 가지고 있는 형상기억합금, 또는 강자성 형상기억합금 소자 및 액츄애이트의 설계, 개발의 효율화, 합리화를 위해서, 유한요소법등의 계산기술에의한 거동예측은 불가결하다. 본 연구에서는, Brinson의 1차원 구성방정식을 기초로해서 1차원 및 2차원 형상을 가지는 형상기억합금 소자의 초탄성 대변형거동의 유한요소 해석법을 제안한다. 인장 및 압축거동의 차이를 보이기 위해서 마르텐사이트상변태의 판단 식으로 Drucker-Prager의 상당응력을 이용하여 상변태의 판단에 이용한다. 대변형을 고려하기 위해서는 Total Lagrangian 법을 이용한다. 유한요소해석을 위한 요소로는 1차원 형상의 소자의 경우는 층분할 Timoshenko 빔요소를, 2차원 형상의 소자의 경우는 Mindline 판요소를 이용한다. 1차원 형상의 소자의 경우, 비틀림거동의 경우도 인장거동과 동일한 거동으로 가정한다. 그리고 인장과 비틀림거동 사이의 거동은 비연성으로 가정한다. 제안한 해석법을 자장 해석과의 연성을 고려함으로써 자기력에의해 제어되어지는 강자성 형상기억합금의 초탄성 대변형거동을 해석한다. 자장해석을 위해서는 범용프로그램의 하나인 ANSYS/Emag를 이용한다. 일부의 범용프로그램에서 자장-구조해석 프로그램을 지원하고 있으나, 개발도상에있는 형상기억합금 및 강자성 형상기억합금의 자장-초탄성해석에 대한 해석 툴은 존재하지 않았다. 각 해석결과를 워싱톤대학등에서 실시된 실험결과와 비교함으로써 본 계산시스템의 유요성을 보인다.

형상기억합금 구동장치를 이용한 발목 보조기구

이보현 고려대학교 대학원 2022 국내석사

Gait disorder could lower the quality of life. Foot drop, which is an inability to lift the front foot towards a body, causes one of deviated gait patterns. Ankle foot orthosis (AFO) is the most common treatment for foot drop. It is necessary to design a light and compact AFO, especially for people with impaired lower limb muscles as 30% of oxygen consumption increases per 2kg load on a foot. Therefore, a soft actuator has been proposed to replace a motor of an active AFO, and shape memory alloy (SMA) was chosen to design a soft actuator for the AFO in this study. Patients with foot drop presents different gait patterns compared to healthy people; toe instead of heel contacts the floor at the beginning of a gait. In addition, the limited range of the ankle angle in the first 10% of a gait cycle is the biggest problem of foot drop patients. Thus, it is expected that foot drop would be improved when the ankle is supported in the first 10% of the gait cycle by an AFO. Due to the rigid structure of the AFO, center of pressure (COP) in y direction did not show a consistent pattern to detect gait phases. Adaptive oscillator (AO) has been implemented to overcome this difficulty, and real-time continuous gait phase detection has been performed to assist the ankle in the first 10% of the gait cycle. In this study, an AFO with SMA actuators and continuous gait phase detection algorithm is proposed to improve the limited ankle angle of foot drop patients. Walk test on a treadmill has been performed, and it showed that there was a significant change in the ankle angle when the SMA actuators assisted the ankle.