Shape Memory Alloy (SMA)

1. Introduction

      Shape memory alloy merupakan jenis dari smart material, yang berarti material tersebut peka dan mampu "beradaptasi" dengan berbagai kondisi, dalam hal ini kondisi termal (kalor). Shape memory alloy mampu berubah bentuk sesuai kondisi termal (kalor) yang diterimanya. 

2. Sejarah Shape Memory Alloy (SMA)

Penemuan shape memory effect diambil pada 1930-an. Menurut Otsuka dan Wayman, A. Olander menemukan perilaku pseudoelastic dari paduan Au-Cd pada tahun 1932. Greninger dan Mooradian (1938) mengamati pembentukan dan hilangnya fase martensitik dengan menurunkan dan meningkatkan suhu paduan Cu-Zn. Fenomena dasar dari efek memori diatur oleh perilaku thermoelastic fasa martensit dilaporkan secara luas satu dekade kemudian oleh Kurdjumov dan Khandros (1949) dan juga oleh Chang dan Baca (1951).

Paduan titanium-nikel pertama kali dikembangkan pada 1962-1963 oleh US Naval Ordnance Laboratorium dan dikomersialisasikan di bawah nama dagang Nitinol (sebuah akronim untuk Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratories). Sifat yang luar biasa mereka temukan secara tidak sengaja yaitu sebuah sampel yang sudah keluar bengkok dengan perubahan bentuk berkali-kali yang ditampilkan pada pertemuan manajemen laboratorium. Salah satu direktur teknis asosiasi, Dr David S. Muzzey, memutuskan untuk melihat apa yang akan terjadi jika sampel dipanaskan dan memegang pipa ringan di bawahnya dan setelahnya semua orang takjub dengan sampel yang dapat kembali ke bentuk aslinya tersebut.

3. Pengertian dan Konsep Shape Memory Alloy (SMA)

          Shape Memory Alloy (SMA) adalah material cerdas (smart material) yang bentuknya berubah terhadap kalor. Beberapa material jenis ini antara lain adalah nitinol, nikel dan titanium serta kombinasinya. Material kelompok ini dapat mengkonversi energi termal secara langsung menjadi usaha mekanis. Misalnya smart shape memory alloys dapat diprogram untuk mengadopsi bentuk tertentu ketika alloy mencapai suhu yang diinginkan (misalnya 100⁰C). Alloy yang sama ini kemudian dapat dimanipulasi atau dideformasi secara mekanis untuk mengadopsi bentuk yang berbeda ketika berada dalam suhu yang tidak diinginkan (misalnya 50⁰C). Ketika alloy dipanaskan di atas suhu transisi kritis misalnya, material akan mengingat bentuk sebelumnya dan merestorasi diri.

4. Struktur dan Mekanisme Shape Memory Alloy (SMA)

Shape memory alloy memiliki struktur kristal austenit dan martensit. Mekanisme sifat "ingat bentuk" tersebut diilustrasikan   pada  Gambar  1.  Suatu  bahan  shape memory alloy pada temperatur rendah yang mempunyai struktur austenit, pada temperatur tinggi berubah ke bentuk struktur kembaran yang dikenal sebagai fasa martensit. Fasa martensit mudah dideformasi dengan beban yang relatif rendah. Ketika bahan pada fasa martensit yang terdeformasi dipanaskan, struktur kembaran fasa martensit akan mengatur dirinya dan membentuk fasa austenit. Transformasi fasa austenit ke fasa martensit dan sebaliknya berlangsung tanpa melalui proses difusi  seperti terlihat  pada Gambar 1 di bawah ini.   

          

Gambar 1. Mekanisme sifat ingat bentuk ( shape memory )

Temperatur ketika bahan berfasa austenit berubah menjadi fasa martensit dikenal  sebagai  martensite start (Ms) yang berlangsung terus hingga fasa martensit stabil  pada temperatur martensite finish (Mf). Ketika bahan dipanaskan dan fasa berubah menjadi fasa austenit dikenal sebagai temperatur austenite start (As), dimana  perubahan ini berlangsung hingga temperatur  austenite finish (Af).

Struktur atom dari shape memory alloys adalah  berupa martensite dan austenit, dan dapat digambarkan sebagai berikut :

             

Gambar 2. Struktur atom martensit dan austenit

5. Pemrosesan Shape Memory Alloys

Shape Memory Alloys dibuat melalui dua bagian pemrosesan yaitu proses pembentukan dan proses pelatihan. Pada proses pembentukan, SMA biasanya dibuat dengan casting (pencetakan) dimana sebelumnya menggunakan proses peleburan atau pelelehan busur vakum induksi yang. Ini adalah teknik yang digunakan untuk memastikan logam-logam yang dipadukan tercampur rata. Lalu dilakukan hot rolling yaitu ditekan dan dipanjangkan menjadi beberapa bagian lagi dan kemudian dilakukan drawn untuk mengubahnya menjadi kawat. Cara kedua yaitu dilakukan pelatihan, yaitu paduan tersebut "dilatih" untuk mendapatkan sifat-sifat yang diinginkan. "Pelatihan" tersebut yaitu dengan mendikte paduan tersebut yang akan dapat mengingat kembali bentuknya ketika dipanaskan. Hal ini dilakukan dengan memanaskan paduan sehingga terjadi dislokasi dan akan kembali ke posisi dia stabil, tetapi dalam keadaan tidak terlalu panas sehingga materi recristalisasi. Mereka dipanaskan sampai antara 400 ° C dan 500 ° C selama 30 menit sedangakan ada untuk beberapa paduan yang 500 ° C dan lebih dari 5 menit. Mereka kemudian dibentuk selagi panas dan didinginkan dengan cepat oleh pendinginan dalam air atau dengan pendingin dengan udara.

6. Sifat Shape Memory Alloys

            Shape memory alloy memiliki beberapa sifat yang berbeda dibandingkan dengan jenis bahan-bahan lainnya. Sifat utama yang dimiliki oleh shape memory alloy adalah superelastisitas dan memiliki shape memory effect yang terdiri dari one way memory effect dan two way memory effect.

a. Superelastisitas

Perilaku ini dapat juga disebut super-thermoelasticity atau pseudo-elasticity. Shape memory alloys juga memiliki karakteristik yang dapat mengalami lebih banyak tekukan penting daripada paduan logam konvensional.

Prinsip dari sifat ini adalah perlakuan paksa dilakukan pada paduan (pada temperatur konstan) seperti pada diagram state ( gambar 3). Lalu dilakukan perlakuan tekukan yang ditunjukkan oleh gambar 4.

Gambar 3. Diagram keadaan perubahan dari austenit ke martensit

Gambar 4. Kurva sampel monokristal selama perubahan di bawah paksaan dengan temperatur konstan

Untuk gambar 4 memiliki 3 daerah penting yaitu:

• I Dari daerah asal sMs: elastisitas dari austenit;
• II Dari sMs menuju sMf : tekukan pada daerah perubahan bentuk martensit;
• III Dari sMf : elastisitas dari martensit.

b. Shape memory effect

Ada dua jenis fenomena shape memory effect (SME), yaitu SME satu arah dan SME dua arah. Pada SME satu arah, perubahan bentuk terjadi hanya pada saat pemanasan sedangkan pada SME dua arah, perubahan bentuk terjadi pada saat pemanasan dan pendinginan. Dengan demikian SME dua arah menunjukkan efek switching antara bentuk pada saat dingin dan bentuk pada saat panas, masing-masing terhadap pemanasan dan pendinginan. Skema efek ditampilkan di bawah.

Gambar 5. Skema fenomena shape memory effect (SME) : shape memory effect satu arah dan shape memory effect dua arah

Pada gambar di atas, prosedur yang sangat mirip: mulai dari martensit (a), menambahkan deformasi reversibel untuk efek satu-arah atau deformasi berat dengan jumlah yang tidak dapat diubah untuk dua arah (b), pemanasan sampel (c) dan pendinginan lagi (d).

Shape memory effect satu arah (One way memory effect)

Ketika sebuah paduan shape memoy dalam keadaan dingin (di bawah As), logam dapat menjadi bengkok atau dipanjangkan dan akan terus berubah bentuk sampai dipanaskan di atas suhu transisi. Setelah pemanasan, perubahan bentuk ke aslinya. Ketika logam mendingin lagi itu akan tetap dalam bentuk panas, sampai terdeformasi lagi. Dengan efek satu arah, pendinginan dari suhu tinggi tidak menyebabkan perubahan bentuk makroskopik. Pada pemanasan, transformasi dimulai pada As dan selesai pada Af (biasanya 2 sampai 20 ° C atau lebih panas, tergantung pada paduan atau kondisi beban). As ditentukan oleh jenis paduan dan komposisi dan dapat bervariasi antara -150 ° C dan 200 ° C.

Gambar 6. Diagram termo-mekanik dan one way memory effect

Gambar 7. Proses one way memory effect

Prinsip dari one-way memory effect berdasarkan gambar 7 yaitu :

(a) : Terdapat proses pendinginan tanpa adanya perlakuan paksa dari temperatur temperature Ti diatas Ms dan temperatur Tf di bawah Mf. Sebagai konsekuensinya, terbentuk struktur martensit tetapi tidak terjadi perubahan benkokan. (b) : Diberi perlakuan paksa pada temperatur konstan dan tidak terdapat perubahan fase, dan terdapat kembali berorientasi pada bentuk varasi martensit selama proses pendinginan. (c) : Pada proses ini adalah proses pemanasan hingga Ti di bawah perlakuan paksa nol. Lalu paduan ini akan menemukan kembali bentuk awalnya.

Shape memory effect dua arah (Two way memory effect)

Bentuk memori efek dua arah adalah efek yang material mengingat dua bentuk yang berbeda: satu pada temperatur rendah, dan satu pada bentuk suhu tinggi. Sebuah materi yang menunjukkan efek shape memory selama pemanasan dan pendinginan baik disebut shape memory dua arah. Ini juga dapat diperoleh tanpa penerapan kekuatan eksternal (intrinsik efek dua arah). Alasan materi berperilaku begitu berbeda dalam situasi ini yaitu terletak dalam pelatihan. Pelatihan menyiratkan bahwa shape memory dapat "belajar" untuk berperilaku dengan cara tertentu. Dalam keadaan normal, shape memory alloys "mengingat" bentuknya pada suhu tinggi, tapi setelah pemanasan dilakukan untuk memulihkan bentuk suhu tinggi, dan segera "lupa" terhadap bentuk suhu rendah. Namun, bisa "dilatih" untuk "mengingat" untuk meninggalkan beberapa pengingat kondisi suhu rendah terdeformasi dalam fase suhu tinggi.

Pada two-way memory effect, paduan ini dapat melakukan perubahan bentuk baik karena proses pemanasan maupun proses pendinginan. Dapat ditentukan bentuk steady : Untuk temperatur tinggi yaitu austenite dan  temperatur rendah yaitu martensit. Prinsip dari two way memory effect berdasarkan gambar 9 yaitu : Setelah beberapa pelatihan, paduan ini memiliki dua bentuk stabil.

Gambar 8. Diagram termo-mekanik pada two way memory effect

Gambar 9. Proses two way memory effect

7. Jenis-jenis shape memory alloy

            Shape memory alloy terdiri dari tiga jenis paduan, yaitu nikel-titanium tembaga, dan ferrous (besi).

a. Paduan TiNi

Pada  komposisi  tertentu,  merupakan  salah satu kelompok paduan  yang digunakan  sebagai  bahan  paduan  shape memory, karena  paduan  ini  memiliki  sifat  pemulihan  tegangan dan  regangan pada perubahan temperatur tertentu.  Sifat  pemulihan  regangan dan  tegangan  ini dikenal  sebagai fenomena shape memory effect  (SME)  dan paduan shape memory termasuk dalam kategori material cerdas  (smart material)  sedangkan paduan  TiNi  ditemukan  pertama  kali  oleh  ahli  dari  Naval  Ordinance Laboratory  (NOL)  pada  tahun 1963 di Amerika  Serikat dan  sejak itu paduan TiNi  yang bersifat shape memory dikenal dengan istilah NITINOL  (NIckle-TItanium Naval Ordinance Laboratory). Paduan  nitinol  memiliki  beberapa  kelebihan  dibandingkan  dengan paduan  shape memory lainnya (misalnya: AgCd, CuZn, NiAI,  FePd, FeMNSi dan lain-lain).  Kelebihan  tersebut diantaranya;  ulet,  ketahanan korosi yang lebih baik,  sifat mekanik yang lebih baik,  tahan  listrik  yang relatif tinggi serta memiliki  stabilitas  sifat  ingat bentuk yang  lebih baik,  sehingga paduan ini  lebih  banyak  dikembangkan  dalam  aplikasinya,  untuk  digunakan /dioperasikan  pada temperatur  yang  lebih  tinggi  tanpa  menimbulkan degradasi  terhadap  sifat shape memory-nya. Salah  satu  sifat  nitinol,  yaitu  temperatur  transformasi  martensitik, dapat  dimodifikasi  dengan mengubah komposisi  paduan,  pengerjaan dan perlakuan panas, sehingga dapat digunakan dalam berbagai aplikasi  sesuai batasan  pemanfaatannya.

b. Paduan Tembaga

Untuk paduan tembaga yang berbeda, menurut komposisi mereka, tipis kabel (dari 100 mm sampai 2 mm diameter) dapat diperoleh. Hal ini juga mungkin untuk mendapatkan lembaran tipis (dari 15 mm sampai 300 mm), yang digunakan, misalnya, dalam domain mikro-mekanik. Berikut adalah paduan berbeda dengan tembaga:

• Cu-Zn-Al (tembaga-seng-aluminium): mudah digunakan dan harga moderat. Ada masalah selama penggunaan pada suhu tinggi yaitu sebuah stabilisasi martensit. Menambahkan penyulingan seperti kobalt, zirkonium, atau titanium, adalah mungkin untuk mencapai ukuran butir 50 mm sampai 100 mm.
• Cu-Al-Ni (Tembaga-aluminium-nikel): lebih sulit untuk digunakan, tetapi kurang reaktif terhadap kestabilisasian atau penuaan. Paduan ini memiliki sifat yang sangat baik dalam domain suhu yang besar (Dari 50 ° C sampai 180 ° C).
• Cu-Al-Be (Tembaga-aluminium-berilium): Memiliki stabilitas termal yang baik. Karena ada sejumlah lemah berilium, itu memungkinkan suhu transformasi disesuaikan dari -200 ° C sampai 150 ° C.

Tabel 1. Perbandingan Paduan yang Berbeda

8. Aplikasi Shape Memory Alloys
           Aplikasi dari shape memory alloys dapat dimanfaatkan dalam bidang medis, bidang kedirgantaraan, robot mikro, pneumatic valve, dll.

a. Bidang Kedirgantaraan

Mekanisme peluncuran Frangibolt TiNi Aerospace, Inc. didesain untuk pesawat luar angkasa untuk memberikan rasa aman dan dapat mengontrol penyebaran dari satelit pesawat luar angkasa. Memanfaatkan peluasan silinder SMA dengan elemen pemanas terintegrasi, peralatan tersebut dapat memutuskan baut penghubung beban ke pesawat luar angkasa. Peluncuran tersebut oleh karena itu mungkin tanpa peledakan. Beberapa model berbeda untuk baut yang berbeda dan berat satelit (mencapai 5000lbf / 2300kg) yang dibuat. Peralatan-peralatan tersebut dapat digunakan kembali setelah penekanan dari eemen SMA dengan alat eksternal.

Gambar 10. Peralatan peluncuran Frangibolt non-explosive

Pinpullers, juga dibuat  oleh TiNi Aerospace, Inc. adalah peralatan kabel penggerak yang didesain untuk keamanan dan pelepasan dari payload pada pesawat luar angkasa. Seperti frangibolt, pinpuller lebih berukuran kecil, dapat digunakan kembali, kemampuan bertahan lebih baik, lebih aman dan efisien.

b. Proportional pneumatic microvalve

TiNi Alloy Company memproduksi sebuah pneumatic microvalve menggunakan TiNi ketebalan film. Valve ini dapat mengontrol aliran udara secara proporsional, mengganti valve solenoid konvensional. Meskipun dalam sebuah fase prototype, distribusi komersial dari peralatan ini telah dimulai.

Gambar 11. Sebuah susunan dari empat microvalve, di mana ukuran dari susunan tersebut adalah 12,5mm x 15mm

c. Peralatan Medis

Ada banyak aplikasi di dalam bidang medis. Sebagai contoh : kawat gigi pada perawatan gigi, peralatan-peralatan microsurgical, microgrippers, stents, pipa ke dalam saluran tubuh, kabel-kabel penunjuk untuk pipa ke dalam saluran tubuh, dan implantasi.

Gambar 12. Peralatan Surgical, microgripper dan stents

       Stent - Sebuah perangkat yang digunakan untuk mengobati penyakit koroner. Ini akan dimasukkan dalam bentuk yang terdeformasi dan akan meluas mencapai suhu tubuh tertentu untuk membuka arteri dan meningkatkan aliran darah.

     Vena-Cava Filter - Sebuah perangkat yang digunakan untuk perangkap pembekuan darah. Disisipkan sebagai sebuah silinder kecil, beralih berbentuk filter untuk pembekuan darah dengan perangkap kecil dan mencegah mereka dari berpencar ke bagian tubuh mana yang mungkin memiliki efek yang merugikan.

    Gigi dan Ortodonti Archwires - ini bekerja mirip dengan mata air. Mereka menerapkan kekuatan terus menerus dan dengan lembut mengoreksi gigi agar rata, yang bertentangan dengan pengetatan periodik dan tidak nyaman sehingga dibutuhkan baja tahan karat.

           Gambar 13. Proses pemasangan gigi menggunakan shape memory alloys

DAFTAR PUSTAKA

Pandjaitan, Elman, Sulistioso G. S, Sumaryo. 2008. Temperatur Transformasi Fasa Shape Memory Alloy - TiNi Hasil Pemaduan Teknik Arc-Melting. ISSN 0852-4777  Urania Vol. 14 No. 2,  April 2008 : 49 – 105.

Pandjaitan, Elman, Sulistioso G. S, Giat Sukardjo. Pengaruh Waktu Penuaan Terhadap Sifat Superelastisitas Paduan Shape  Memory Ti-50.85%  At.Ni. Bidang  Bahan lndustri  -Pusat  Penelitian dan Pengembangan IImu  Pengetahuan  Teknologi  Bahan-BATAN.

Triyana, Kuwat. 2007. Penelitian dan Pengembangan Smart Material dan Aplikasinya. Kemajuan Terkini Riset Universitas Gadjah Mada.

Anonim. 2007. Eploring Shape Memory Alloys Smart Materiala. Georgia Institute of Technology.

http://www.answers.com/topic/shape-memory diakses pada tanggal 1 Desember 2010 pada pukul 18.00 WIB

http://webdocs.cs.ualberta.ca/~database/MEMS/sma_mems/sma.html diakses pada tanggal 1 Desember 2010 pada pukul 18.00 WIB

http://www.stanford.edu/~richlin1/sma/sma.html diakses pada tanggal 1 Desember 2010 pada pukul 18.00 WIB

http://depts.washington.edu/matseed/mse_resources/Webpage/Memory%20metals/how_shape_memory_alloys_work.htm diakses pada tanggal 1 Desember 2010 pada pukul 18.00 WIB

http://matsci.fisika.ui.ac.id/abstrak/abstrak/sunyoto.htm diakses pada tanggal 1 Desember 2010 pada pukul 18.00 WIB

http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=134&lang=id diakses pada tanggal 5 Desember 2010 pada pukul 14.00 WIB

http://www.azonano.com/news.aspx?newsID=11633&lang=id diakses pada tanggal 5 Desember 2010 pada pukul 14.00 WIB

http://ardizaenusyifa.blogspot.com/2010/06/nonferrous-metals-and-alloys-production.html diakses pada tanggal 5 Desember 2010 pada pukul 14.00 WIB