Perspectives des applications de haute technologie des alliages à mémoire de forme

　　Le XXe siècle était l'ère de la mécanique. Le système de contrôle mécanique le plus typique est constitué de capteurs - circuits intégrés - actionneurs, mais il est complexe et volumineux. Les matériaux à mémoire de forme possèdent à la fois des fonctions de capteur et d'actionneur, ce qui permet de miniaturiser et d'intelligentialiser les systèmes de contrôle, tels que les robots holographiques et les micro-manipulateurs millimétriques. Le XXIe siècle sera l'ère de l'électronique des matériaux. Les mouvements des robots en alliage à mémoire de forme ne sont affectés par aucune condition environnementale autre que la température, et devraient jouer un rôle majeur dans les domaines de haute technologie tels que les réacteurs, les accélérateurs et les laboratoires spatiaux.

　　En parlant d'alliages, il faut bien sûr parler de l'alliage le plus intéressant : l'alliage à mémoire de forme. La mémoire des métaux est une découverte fortuite : au début des années 1960, une équipe de recherche de la marine américaine a reçu de l'entrepôt des fils d'alliage nickel-titane pour des expériences. Ils ont constaté que ces fils d'alliage étaient courbés et difficiles à utiliser, et les ont donc redressés un par un. Au cours des expériences, un phénomène étrange s'est produit : ils ont constaté que lorsque la température atteignait une certaine valeur, ces fils d'alliage nickel-titane, déjà redressés, reprenaient soudainement leur forme courbée initiale. Étant des observateurs attentifs, ils ont répété les expériences à plusieurs reprises, et les résultats ont confirmé que ces fils possédaient effectivement une « mémoire ».

　　Cette découverte du Naval Research Laboratory américain a suscité un vif intérêt dans le monde scientifique, et de nombreux scientifiques ont mené des recherches approfondies sur le sujet. Il a été constaté que les alliages cuivre-zinc, cuivre-aluminium-nickel, cuivre-molybdène-nickel, cuivre-or-zinc, etc., possédaient également cette capacité particulière. Dans une certaine mesure, on peut modifier la forme de ces alliages selon les besoins. À une température spécifique, ils reprennent automatiquement leur forme initiale, et cette « modification - restauration » peut être répétée plusieurs fois. Quelle que soit la modification, ils mémorisent toujours leur forme à ce moment-là, et à cette température, ils reprennent leur forme initiale sans aucune erreur. On appelle ce phénomène effet de mémoire de forme, et on appelle les métaux qui présentent cet effet de mémoire de forme alliages à mémoire de forme, ou plus simplement alliages à mémoire de forme.

　　Pourquoi ces alliages présentent-ils cet effet de mémoire de forme ? Comment se souviennent-ils de leur forme initiale ? La théorie générale des liaisons métalliques et la théorie des électrons libres ne permettent pas d'expliquer facilement cet effet de mémoire de forme des alliages. Le fait que les alliages à mémoire de forme puissent reprendre leur forme initiale à une certaine température fournit une excellente illustration du mouvement des électrons externes - un mouvement qui varie en fonction de la température. C'est précisément parce que la formation des alliages se produit à haute température par fusion de métaux liquides, et en raison de la répulsion des éléments structuraux des métaux liquides, que les éléments structuraux d'un élément sont uniformément répartis avec les éléments structuraux d'un autre métal. Après solidification, la microstructure est un arrangement ordonné proportionnel de différents types d'éléments structuraux, la force électromagnétique étant la principale force de cohésion des objets en alliage.

　　La force électromagnétique est générée par le mouvement des électrons de valence, et la vitesse de ces électrons varie en fonction de la température. Par conséquent, la force électromagnétique à l'intérieur de l'objet (amplitude, direction, point d'application) varie également en fonction de la température. Cela entraîne une variation de la force interne des objets métalliques en fonction de la température, mais ces variations ne sont pas évidentes dans une faible plage de température, et ne se manifestent que lors de variations de température plus importantes (plusieurs centaines de degrés Celsius). Lorsqu'un métal ordinaire est soumis à une force, il peut subir une déformation plastique. Par exemple, lorsqu'un fil de fer est plié, la force électromagnétique au niveau du pli est perturbée par la force extérieure, ce qui entraîne un léger ajustement du plan de mouvement des électrons de valence générant la force électromagnétique, et une déformation plastique est achevée.

　　Dans les alliages à mémoire de forme, différents types d'éléments structuraux sont mélangés et uniformément répartis. Bien que la taille des éléments structuraux et l'amplitude de la force électromagnétique soient différentes, chacun accélère son propre mouvement des électrons de valence, et ils coexistent pacifiquement dans certaines conditions de température. Lorsqu'une force extérieure est appliquée, la force électromagnétique est perturbée par la force extérieure, et le plan de mouvement des électrons de valence est légèrement ajusté, ce qui entraîne une déformation plastique de l'objet. Dans cette déformation plastique, le mouvement d'une partie des électrons de valence ajustés n'est pas détendu. Lorsque les conditions de température changent, la vitesse des électrons de valence change également. Lorsque la température revient aux conditions de détente pacifique (température de transition), le mouvement des électrons de valence non détendu revient immédiatement à sa vitesse initiale, la force électromagnétique change en conséquence, et le mouvement des électrons de valence des éléments structuraux adjacents est également ajusté en conséquence, revenant tous à leur état détendu initial. L'objet entier revient donc à son état initial. C'est le processus de mémoire des alliages à mémoire de forme.

　　En fait, la mémoire des métaux a été découverte depuis longtemps : si l'on plie un fil de fer droit à angle droit (90°), lorsqu'on le relâche, il tend à reprendre légèrement sa forme initiale, formant un angle supérieur à 90°. Pour redresser un fil de fer plié, il faut le plier à plus de 180° avant de le relâcher, afin qu'il puisse revenir exactement à l'état de ligne droite. C'est ce que l'on appelle en chinois « corriger l'erreur en allant trop loin ». Un autre alliage à mémoire de forme encore meilleure est le ressort (il s'agit ici d'un ressort en acier, l'acier étant un alliage fer-carbone). Le ressort mémorise fermement sa forme, et dès que la force extérieure est retirée, il reprend immédiatement sa forme initiale. La température de mémoire du ressort est simplement plus large, contrairement aux alliages à mémoire de forme qui ont une température de transition spécifique, ce qui lui confère des propriétés particulières.

　　En utilisant la fonction de déformation des alliages à mémoire de forme à une température spécifique, il est possible de fabriquer divers dispositifs de contrôle de température, tels que des circuits de contrôle de température, des vannes de contrôle de température et des raccords de tuyauterie de contrôle de température. Des dispositifs de lutte anti-incendie automatiques ont déjà été fabriqués à l'aide d'alliages à mémoire de forme : lorsque la température d'incendie augmente, l'alliage à mémoire de forme se déforme, ce qui ouvre la vanne et permet de projeter de l'eau pour éteindre l'incendie. Des raccords de pièces mécaniques, des raccords de tuyauterie et des raccords de ravitaillement en vol d'avions ont été fabriqués en utilisant des alliages à mémoire de forme : après le raccordement des tuyaux de carburant des deux avions, la température est modifiée par chauffage électrique, et l'alliage à mémoire de forme se déforme au niveau du raccord, ce qui assure une étanchéité parfaite du raccord.

　　Il existe actuellement des dizaines d'alliages à mémoire de forme, qui sont utilisés dans les domaines de l'aérospatiale, de la défense, de l'industrie, de l'agriculture et de la médecine, et leurs perspectives de développement sont très prometteuses. Ils joueront un rôle majeur et serviront l'humanité. Des dizaines de systèmes d'alliages à mémoire de forme ont été étudiés et découverts jusqu'à présent, notamment Au-Cd, Ag-Cd, Cu-Zn, Cu-Zn-Al, Cu-Zn-Sn, Cu-Zn-Si, Cu-Sn, Cu-Zn-Ga, In-Ti, Au-Cu-Zn, NiAl, Fe-Pt, Ti-Ni, Ti-Ni-Pd, Ti-Nb, U-Nb et Fe-Mn-Si.