Обзор по материалам с памятью формы.

Каждый металл и сплав имеет свою кристаллическую решетку, архитектура и размеры ко-
торой строго заданы. У многих металлов с изменением температуры, давления решетка не
остается одной и той же и наступает момент, когда происходит ее перестройка. Такая смена
типа кристаллической решетки — полиморфное превращение — может осуществляется двумя
способами:
1) при высокой температуре за счет диффузии при высокой подвижности атомов;
2) при низкой температуре за счет коллективного, согласованного перемещения атомов, что
приводит к изменению формы объема сплава (бездиффузионное сдвиговое термоупругое мар-
тенситовое превращение с образованием новой кристаллической решетки — мартенсита).
При высокой температуре в аустенитном состоянии сплав имеет кубическую решетку.
При охлаждении сплав переходит в мартенситную фазу, в которой ячейки решетки становят-
ся скошенными параллепипедами. При нагреве аустенитная фаза восстановливается, а с ней
восстановливается и первоначальная форма изделия из сплава с «памятью» формы.
Мартенситное превращение — один из фундаментальных способов перестройки кристал-
лической решетки в отсутствии диффузии, характерный для сталей, чистых металлов, цветных
сплавов, полупроводников, полимеров.
Эффект «памяти» — восстановление первоначальной формы и размеров кристаллов после
их изменения при деформировании в результате термоупругого мартенситового превращения
при термообработке по определенному режиму.
Изменение формы — главная особенность мартенситного превращения, с которой связан эф-
фект «памяти» сплавов, условие необходимое, но недостаточное для проявления «памяти».
Свободная энергия кристаллов мартенсита меньше, чем исходной фазы, что стимулирует
развитие мартенситного перехода. Переход тормозится из-за возникновения границы раздела
старой и новой фаз и повышения свободной энергии. Растущие кристаллы мартенситной фазы
деформируют окружающий объем, который сопротивляется этому. Возникает упругая энергия,
препятствующая дальнейшему росту кристаллов. Когда эта энергия превышает предел упру-
гости, происходит интенсивная деформация материала в окрестности границы раздела фаз и
рост кристаллов прекращается. В сталях процесс проходит практически мгновенно (отдельные
кристаллы мартенсита вырастают до конечных размеров).
Обратный переход мартенсита в аустенит (высокотемпературная фаза, бездиффузионная
сдвиговая перестройка решетки затруднена), идет при высоких температурах, когда в мартен-
сите растут кристаллы аустенита без перехода к исходной форме (атомы не попадают на свои
прежние места).
В сплавах с «памятью» при охлаждении мартенситные кристаллы растут медленно, при
нагреве исчезают постепенно, что обеспечивает динамическое равновесие границы раздела
между ними и исходной фазы. Граница между фазами ведет себя аналогично, если охлаж-
дение и нагрев заменить соответственно приложением и снятием нагрузки — термоупругое
равновесие фаз в твердом теле.
Термоупругое мартенситное превращение сопровождается обратимым изменением формы
кристаллов аустенита, что, в основном, обеспечивает «память» металлов.
56 Интеллектуальные полимерные материалы (ИПМ)
Прямым следствием термоупругого мартенситового превращения является обратимое
изменение формы твердого тела в результате периодического охлаждения и нагрева (тепловой
двигатель). Металлы с «памятью» (например, нитинол), «вспоминают» свою первоначальную
форму при нагреве после предварительного деформирования образца [45, 51].
К концу 1960-х гг. сформировалась область физических исследований и технических
применений эффекта «памяти» формы в сплавах.
Существуют сотни сплавов с мартенситным превращением, но число сплавов, где эффект
«памяти» формы имеет практическое значение, незначительно. Коллективное перемещение
атомов в определенном направлении, сопровождающееся самопроизвольной (мартенсит-
ной) деформацией материала (перестройка решетки), при которой соседство и межатомные
связи атомов не нарушаются (сохраняется возможность вернуться на прежние позиции,
к исходной форме), проходит только при определенных условиях. «Память» отдельного
кристалла — это еще не память всего объема сплава, который обычно имеет поликристал-
лическое строение.
Отдельные кристаллиты (зерна) отличаются ориентацией кристаллических решеток.
Сдвиг атомов при мартенситном превращении происходит в решетке по определенным плос-
костям и направлениям. Из-за различной ориентации зерен сдвиги в каждом зерне проходят
в различных направлениях и, несмотря на значительную деформацию отдельных кристаллов,
образец в целом не испытывает заметного изменения формы. Оно происходит в том случае,
если кристаллы ориентированы в одном направлении. Управляющей силой, которая при мар-
тенситном превращении организует преимущественную организацию кристаллов, является
внешняя нагрузка.
При мартенситном превращении атомы перемещаются в направлении действия внешней
нагрузки (образец в целом испытывает деформацию). Процесс развивается до тех пор, пока
весь материал не продеформируется в направлении действия силы без разрыва межатомных
связей и нарушения соседства атомов. При нагреве они возвращаются на исходные позиции,
восстанавливая первоначальную форму всего объема материала.
Эффект «памяти» основан на термоупругом равновесии фаз и управляющем действии
нагрузки. Специальная термомеханическая обработка сплавов создает в материале микро-
напряжения, действия которых при мартенситных переходах аналогично действию внешней
нагрузки. При охлаждении сплав самопроизвольно принимает одну форму, при нагреве
возвращается к исходной (пластина сворачивается в кольцо при охлаждении, при нагреве —
разворачивается или наоборот).
Материалы с памятью формы могут проявлять сверхпластичность (значительные де-
формации, когда мартенситное превращение вызывается приложением внешней нагрузки, а
не охлаждением, что используется при создании пружинных амортизаторов, аккумуляторов
механической энергии), имеют высокую циклическую прочность (не происходит накопление
дефектов структуры) и высокую способность рассеивать механическую энергию (при мартен-
ситных превращениях перестройка кристаллической решетки сопровождается выделением
или поглощением тепла, если внешняя нагрузка вызывает мартенситное превращение, то
механическая энергия переходит в тепловую; при эффектах памяти наблюдается и процесс
превращения тепла в работу).
Изменение формы(при периодическом изменении температуры) металлов с памятью со-
провождается проявлением мощных межатомных сил. Давление при расширении материалов
такого типа достигает 7 т/см2. В зависимости от вида материала изделия различного размера
и конфигурации сгибаются, расширяются, извиваются (форму можно программировать).
К металлам с памятью формы относятся сплавы нитинол, нитинол-55 (с железом), никелид
титана ВТН-27, сплавы титана ВТ-16, ВТ23 (термообработка по специальному режиму, в 2–3
раза дешевле и в 1,5 раза легче никелида титана), сплав на основе титана с 28–34% марганца и
5–7% кремния, терфенол (магнитострикционный сплав, гасит колебания при низкочастотных
вибрациях).
Интеллектуальные полимерные материалы (ИПМ) 57
Сплавы на основе марганца имеют температурный интервал максимальной термочувс-
твительности при 20–40 °С и восстанавливают заданную форму в интервале температур от
–100 до 180 °С
Методом порошковой металлургии получены (Fukuda Metal Co.) сплавы системы Cu-Zn-
Al с эффектом памяти формы спеканием (700 МПа, 900 °С, 0,1 %масс. фторида алюминия
порошков сплавов Cu-Zn (70:30), Cu-Al (50:50) и меди (размер зерен 20–100 мкм). Сплав
восстанавливает форму после растяжения на 10%.
При охлаждении сплав переходит в мартенситную фазу, в которой благодаря изменившим-
ся геометрическим параметрам ячеек кристаллической решетки становится пластичным и при
механическом воздействии изделию из сплава с «памятью» (нитинола и др.) можно придать
практически любую конфигурацию, которая будет сохраняться до тех пор, пока температура не
превысит критическую, при которой мартенситная фаза становится энергетически невыгодной,
сплав переходит в аустенитную фазу с восстановлением исходной формы изделия. Однако,
деформации не должны превышать 7–8%, иначе форма не восстановливается полностью.
Разработаны нитиноловые сплавы, которые «помнят» одновременно форму изделий,
соответствующих высоким и низким температурам. Эффект памяти в нитиноловых сплавах
четко выражен, причем диапозон температур можно точно регулировать в интервале от не-
скольких градусов до десятков градусов, вводя в сплавы модифицирующие элементы, однако
запас цикличности, количество управляемых деформаций (итераций) не превышает 2000,
после чего сплавы утрачивают свои свойства.
Токопроводящие волокна, сформированные из филаментов диаметром 50 мкм сплавов
с наночастицами титана и никеля, изменяют длину на 12–13% в течение 5 млн итераций и
используются в искусственных мышцах. Наномускул (Nano Muscle Actuator, фирма Nano

Еще записи на эту же тему:



Страницы: 1 2

Оставить комментарий (Зарегистрируйтесь и пишите коментарии без CAPTCHи !)

 
© 2008-2018 EnergyFuture.RU Профессионально об энергетике. All rights reserved. Перепечатка материалов разрешается при условии установки активной гиперссылки на EnergyFuture.RU.