Материалы с эффектом памяти формы

Введение
Интерес к материалам с эффектом памяти формы за последние 50 лет изменялся от взлета к падению и снова к взлету. Первый пик пришелся на 70–80-е годы прошлого столетия после открытия эффекта памяти формы (shape memory effect) в никелиде титана в 1962 г. Этот всплеск интереса был обусловлен теми невероятными возможностями, которые сулило обнаруженное явление. Практически все изобретения получили патенты, но только несколько десятков из них могли быть реально использованы. В процессе долгих и кропотливых исследований, чередовании удач и неудач научились в определенной степени управлять структурой и свойствами этих материалов и обеспечивать большинство требований. Большинство людей привыкли видеть металлы как наиболее прочные материалы, способные выдерживать большие нагрузки без изменения формы. Также для многих людей свойственно мнение, что однажды деформированный металл уже не вернет себе прежнюю форму. Однако существует ряд металлических материалов, способных возвращать себе исходную форму после предварительной деформации.Эффект памяти формы (ЭПФ) – явление возврата к первоначальной форме при нагреве, которое наблюдается у некоторых материалов после предварительной деформации. Целью данной работы являлось изучение различных материалов с эффектом памяти формы.1 Проявление ЭПФСплавы с ЭПФ часто относят к так называемым интеллектуальным материалам, позволяющим создавать принципиально новые конструкции и технологии в различных отраслях.Рассмотрим на простом примере проявление эффекта памяти формы. Если взять обычную металлическую проволоку и пластически изогнуть ее, то вернуть проволоку в первоначальное состояние можно, только деформировав ее (рис. 1).Рисунок 1 – Проявление ЭПФ на примере проволокиСущностью процесса восстановления формы является обратное движение обратимых «носителей» деформации: межфазных, межкристальных и междвойниковых границ. Поэтому для понимания структурных механизмов восстановления формы и температурных условий их реализации необходимо знать структурные механизмы предшествующей (наводящей ЭПФ) деформации и температурные условия их реализации.2 Механизм реализации эффекта памяти формыВ исходном состоянии в материале существует определенная структура. На рис. 2 она обозначена правильными квадратами.Рисунок 2 – Проявление ЭПФПри деформации (в данном случае изгибе) внешние слои материала вытягиваются, а внутренние сжимаются (средние остаются без изменения). Эти вытянутые структуры – мартенситные пластины, что не является необычным для металлических сплавов. Необычным является то, что в материалах с памятью формы мартенсит термоупругий.При нагреве начинает проявляться термоупругость мартенситных пластин, то есть в них возникают внутренние напряжения, которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние, то есть сжать вытянутые пластины и растянуть сплюснутые.Поскольку внешние вытянутые пластины сжимаются, а внутренние сплюснутые растягиваются, материал в целом проводит автодеформацию в обратную сторону и восстанавливает свою исходную структуру, а вместе с ней и форму.Причинами уникального механического поведения материалов с ЭПФ являются происходящие в них при изменении температуры или напряжения термоупругие фазовые превращения. Они представляют собой полиморфный переход из аустенитного состояния (высокотемпературное с повышенной прочностью и жесткостью) в мартенситное состояние (низкотемпературное, с малой жесткостью) и обратно.Превращение из аустенитного состояния в мартенситное называют прямым переходом, а из мартенситного состояния в аустенитное – обратным переходом. Поскольку кристаллы фаз имеют различную форму, то в ходе перекристаллизации тело изменяет внутреннюю структуру, при этом некоторые полиморфные сплавы изменяют и внешнюю форму.3 Особенности ЭПФ3.1 Свойства эффекта памяти формы1 Эффект памяти формы зависит от марки сплава со строго выдержанным химическим составом. От этого зависит температура мартенситных превращений.2 Эффект памяти формы проявляется только при термоупругих мартенситных превращениях.3 Эффект памяти формы может проявляться несколько миллионов циклов.3.2 Явления, связанные с ЭПФCверхпластичность – состояние материала, имеющего кристаллическую структуру, которое допускает деформации, на порядок превышающие максимально возможные для этого материала в обычном состоянии.Сверхупругость – свойство материала, подвергнутого нагружению до напряжения, значительно превышающего предел текучести, полностью восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки.Сверхупругость наблюдается в области температур между началом прямого мартенситного превращения и концом обратного.На участке АВ (рис. 3) пластическая деформация обусловлена протеканиемреакции «аустенит ↔мартенсит», инициируемой механическим нагружением. Наведенный в данных условиях мартенсит термодинамически неустойчив и при снятии нагрузки превращается в аустенит, что сопровождается исчезновением пластической деформации (участок ВС).Рисунок 3 – Сверхупругое механическое поведение на основе сплава Ti‐NiЗначение сверхупругой деформации может составлять для разных сплавов от 2 до 8 %, что позволяет изготавливать из сплавов с ЭПФ упругие элементы с существенно более высокими деформационными способностями ((например, суперпружины).У многих материалов в процессе термоциклирования в ненагруженном состоянии через интервалы прямого и обратного мартенситных превращений при охлаждении деформация накапливается (1), а при нагреве (2) восставнавливается.Это свойство называют обратимой (двусторонней) памятью формы (ОПФ), которое имеет способность не исчезать практически после любого числа теплосмен. Данный эффект может быть получен только за счет деформационного воздействия на металл.Эффект обратимой памяти формы резко расширяет возможности применения сплавов с ЭПФ в приборах и конструкциях многократного циклического действия.4 Материалы с эффектом памяти формыОсновными характеристиками ИМ на основе материалов с ЭПФ являются:- чувствительность – способность реагировать на изменения в температурном поле;- переключаемость – при достижении температуры фазового превращения осуществлять переключающие операции;- активация – способны создавать большие смещения (обратимая пластичность или псевдоупругость) и значительные активные/реактивные напряжения;- адаптивность – основана на фазовых превращениях (мартенситного типа), проявляется в различного рода уникальных свойствах (самоорганизация, самозалечивание, самоконтроль и т.п.);- память и восстановление – форма и внутренняя структура могут запоминаться и многократно восстанавливаться;- энергоемкость и преобразование энергии – может запасаться значительное количество энергии и затем преобразовываться в механическую энергию деформации;- демпфирование – большинство сплавов с ЭПФ имеют высокие демпфирующие свойства, обусловленные особенностями микроструктуры и фазовыми превращениями.Среди интеллектуальных материалов сплавы с ЭПФ выделяются большой величиной энергии активации, а проявляемый ими эффект более чем на порядок превышает эффекты других ИМ.Несмотря на широкие возможности сплавов с ЭПФ, они имеют существенные недостатки, которые не позволяют им получить широкое внедрение в промышленность. На сегодняшний день их применение ограничивается решением следующих задач: получения и обработки высококачественных и недорогих материалов; точного прогнозирования и моделирования их поведения; оптимального проектирования; управления микроструктурой и температурами фазовых превращений; четкого понимания эффектов гистерезиса, фазовой нестабильности, старения, деградации и усталости этих сплавов. Для компенсации этих недостатков необходимо создание новых экономичных технологий обработки поверхности и нанесения покрытий из сплавов с ЭПФ. Кроме того, синергетический эффект при использовании покрытий дает возможность объединять свойства двух и более материалов (материала основы и покрытия из сплавов с ЭПФ) с получением композитов, обладающих характеристиками, которые не могут быть получены при использовании одного материала.4.1 Никелид титанаЛидером среди материалов с памятью формы по применению и по изученности является никелид титана.Никелид титана – это интерметаллид эквиатомного состава с 55 мас. % Ni. Температура плавления 1240–1310˚C, плотность 6,45 г/см3. Исходная структура никелида титана стабильная объемно‐центрированная кубическая решетка типа CsCl при деформации претерпевает термоупругое мартенситное превращение.Нитинол свое название получил путем сложения названий материалов (Ni – никель и Ti – титан) и лаборатории, где он был впервые получен (nol – Naval Ordnance Laboratory) в 1959 году.Достоинствами сплава нитинол являются высокая прочность и пластичность, высокая коррозионная и кавитационная стойкость, высокая демпфирующая способность (хорошо поглощает шум и вибрацию) (табл. 1).Из-за своих свойств нитинол плохо обрабатывается в холодном состоянии. Высокое значение упругости увеличивает силу трения и вызывает повышенный износ при контакте сплава с валами прокатных станов или штампов. Таблица 1 – Физико-механические свойства сплава нитиноо (Ni-Ni)При обработке резанием требуются высокотвердые материалы. Низкая теплопроводность препятствует отводу тепла от заготовки.Сплав нитинол хорошо поддается обработке абразивными материалами – шлифованием, а также электроэрозионной и термической обработке. Резка из листового материала производится абразивным или лазерным способом.4.2 Другие сплавыВ 70-х годах прошлого столетия к исследованию нитинола присоединился Советский Союз. Во Всесоюзном институте легких сплавов было налажено опытно-промышленное производство полуфабрикатов (слитков, прутков, листов) из материала, который у нас был назван сплавом на основе никелида титана. Этот сплав получил обозначение ТН1 и по химическому составу практически полностью соответствовал нитинолу (табл. 2). Таблица 2 – Химический состав сплавов нитинол, ТН1, ТН1 К, ТНМЗСплавНормативныйдокументСодержание элементов, % по массеТіNiОCNHFeСuНитинолASTMF2063-2012Оcнова54,5-57,5<0,05вместеc N<0,07-<0,005<0,05<0,01TH1ТУ I 809394-84Оcнова53,5-56,5<0,2<0,1<0,05<0,013<0,3-TH1KТУ I 809394-84Оcнова50,0-53,5<0,2<0,1<0,05<0,0132,0-4,5-ТНМЗТУ I 809394-84Оcнова48,0-52,5<0,2<0,1<0,05<0,013<0,33,0-6,0Кроме того, производились сплавы, дополнительно легированные железом (ТН1К) и медью (ТНМЗ).В настоящее время известно большое количество двойных и более сложных сплавов с обратимым мартенситным превращением, обладающих в разной степени свойствами памяти формы: Ni–А1, Ni–Со, Ni–Ti, Ti–Nb, Fe– Ni, Cu–Al, Cu–Al–Ni и др. Сравнительная характеристика сплавов с ЭПФ представлена в табл. 3.Таблица 3 – Сравнительная характеристика сплавов с ЭПФПолное восстановление формы наблюдается для сплавов с термоупругим мартенситом: Cu-Al-(Fe, Ni, Co, Mn), Ni-Al, нитинол Ti-Ni, Ti-Au, Ti-Pd, Ti-Pt, Au-Cd, Ag-Cd, Cu-Zn-Al. 5 Области применения сплавов с ЭПФВпервые сплав с памятью формы был применен в самолете F‐14 в 1971 году, это был сплав Ni‐Ti‐Fe (рис. 4). Использование Ni‐Ti‐ Nb сплава стало большим достижением. Также применяются и сплавы Fe‐Mn‐Si, несмотря на их более низкое восстанавливаемое напряжение.Рисунок 4 – Самолет F13Сплавы с памятью формы используются для разработки адаптирующегося крыла самолета, которое может изгибаться и менять форму во время полета.Из сплава никелида титана изготавливают втулки для соединения труб гидравлической системы военных самолетов. Втулка для соединения труб гидравлической системы военных самолетов.Многообразие новых свойств материалов с ЭПФ позволяет использовать их как в комплексе, так и отдельные их составляющие для достижения наилучшего эффекта. Так, для самолета Ту-204 разработаны термомеханические муфтовые соединения трубопроводов из сплава NiTi, использующие собственно эффект памяти формы. Обоснована эффективность использования для управления деформациями замкнутых силовых контуров конструкции существенного (в 2 – 3 раза) изменения модуля упругости как при ориентированном, так и при изотропном мартенситном преобразованиях. Реактивные силы используются, например, для разрушения монтажных хомутов при сборочных работах в космосе. Сплавы с памятью формы применяются в медицине, например, в качестве фиксирующих устройств для остеотомий в ортопедической хирургии, в качестве привода в хирургических инструментах; активные управляемые хирургические иглы для хирургических процедур, в зубных брекетах.Также материалы с эффектом памяти формы применяетсяв отделениях челюстно‐лицевой хирургии (рис. 5). Рисунок 5 – Конструкции из никелида титана, применяемые в челюстно‐лицевой хирургииВ конце 1980-х годов началось коммерческое внедрение нитинола в качестве технологии, позволяющей использовать его в ряде медицинских применений. В среднем 50% всех стентов периферических сосудов в настоящее время на мировом рынке выпускаются сплавы с нитинолом.В медицине используется новый класс композиционных материалов ”биокерамика–никелид титана”. В таких композитах одна составляющая (никелид титана) обладает сверхэластичностью и памятью формы, а другая – сохраняет свойства биокерамики.Оправы для очков, изготовленные из титансодержащих SMAS, продаются под торговыми марками Flexon и Титанфлекс. Эти рамы обычно изготавливаются из сплавов с памятью формы, температура перехода которых ниже ожидаемой комнатной температуры. Это позволяет рамам подвергаться большой деформации под напряжением, но восстанавливать свою предполагаемую форму после того, как металл снова разгружается. Очень большие, по-видимому, упругие деформации обусловлены вызванным напряжением мартенситным эффектом, когда кристаллическая структура может трансформироваться под нагрузкой, что позволяет временно изменять форму под нагрузкой. Это означает, что очки, изготовленные из сплавов с памятью формы, более устойчивы к случайному повреждению.Экспериментальные твердотельные тепловые двигатели, работающие при относительно небольшой разнице температур в резервуарах с холодной и горячей водой, разрабатывались с 1970-х годов, включая двигатель Бэнкса, разработанный Риджуэем Бэнксом.Немецкие ученые из Саарского университета создали прототип машины, которая передает тепло с помощью проволоки из сплава никель-титан ("нитинол"), обернутой вокруг вращающегося цилиндра. При вращении цилиндра тепло поглощается с одной стороны и высвобождается с другой, так как проволока переходит из своего "сверхупругого" состояния в ненагруженное. Согласно статье 2019 года, опубликованной Саарским университетом, эффективность передачи тепла, по-видимому, выше, чем у обычного теплового насоса или кондиционера.Почти все кондиционеры и тепловые насосы, используемые сегодня, используют сжатие пара хладагентов. Со временем некоторые хладагенты, используемые в этих системах, просачиваются в атмосферу и способствуют глобальному потеплению. Если новая технология, в которой не используются хладагенты, окажется экономичной и практичной, она может стать значительным прорывом в усилиях по сокращению изменения климатаСплавы с памятью формы также оказываются полезными для автомобилей, хотя это больше касается комфорта и простоты использования, чем эксплуатационных характеристик. Например, в некоторых легковых автомобилях имеется клапан из сплава с памятью формы для пневматических камер в сиденьях. При нажатии с определенным усилием элемент поддержки поясницы принимает форму, соответствующую спине водителя или пассажира.Сплавы с памятью формы используются и для конструирования приводов, с помощью которых становится проще закрывать багажник автомобиля, а также клапанов ограничения шума, вибрации и жесткости (NVH) для контроля шума и вибрации двигателей (что является важным показателем в автомобилестроении).Проектирование зданий – еще одна область применения сплавов с памятью формы. Например, стержни из сплавов с памятью формы в бетонных балках обеспечивают предварительное напряжение моста или здания. Изделия меньших размеров из материалов с памятью формы могут использоваться в качестве надежной арматуры трубопроводной сети.Некоторое время назад материалы с памятью формы начали применяться в области бытовой электроники. Например, компоненты автофокусировки в камерах смартфонов и некоторые мобильные антенны могут быть сделаны из сплавов с памятью формы.

Заключение

Эффект памяти формы (ЭПФ) в металлах, открытие которого по праву рассматривается как одно из самых значительных достижений материаловедения за последние годы, в настоящее время интенсивно исследуется и в ряде случаев успешно применяется в технике.Научный интерес к этому явлению определяется стремлением познать физическую природу и механизм ЭПФ, что расширяет фундаментальные представления о неупругом поведении твердых тел. С практической точки зрения эти исследования стимулируются тем, что ЭПФ в металлах уже сейчас открывает широкие перспективы применения в технике, позволяя создавать элементы и устройства с принципиально новыми функциональными свойствами.

Список использованных источников

1. Новые материалы. Колл, авторов. Под научной редакцией Ю. С. Карабасова. – М: «МИСИС*. – 2002 – 736 с.2. Бойко В. С., Гарбер Р. И., Косевич А. М. Обратимая пластичность кристаллов. – М.: Наука, 1991. – 280 с.3. Хунджуа А. Г. Мартенситные превращения в сплавах с эффектами памяти формы. – М.: Физический факультет МГУ, 2010. – 44 с.4. Ильин А.А., Колачёв Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства – М.: ВИЛС-МАТИ, 2009. – 520 с.5. Лихачев В.А., Кузьмин С.Л., Каменцева З.П. Эффект памяти формы. – Л. 1987. – 216 с.6. Тихонов А. С., Герасимов А. П., Прохорова И. И. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении. – М.: Машиностроение, 1981. – 81 с.7. Ооцука К., Симидзу К., Судзуки Ю. Сплавы с эффектом памяти формы: Пер. с яп. / Под ред. Х. Фунакубо. М.: Металлургия, 1990. – 224 с.8. Васильев А. Н., Бучельников В. Д., Такаги Т., Ховайло В. В., Эстрин Э. И. Ферромагнетики с памятью формы // Успехи физических наук, 2003, т. 173, № 6, c. 577–608.9. Бучельников В. Д., Васильев А. Н., Коледов В. В., Таскаев С. В., Ховайло В. В., Шавров В. Г. Магнитные сплавы с памятью формы: фазовые переходы и функциональные свойства // Успехи физических наук, 2006, т. 176, № 8, c. 900–906.10. Ильин А.А. Сплавы с эффектом запоминания формы (обзор) // Итоги науки и техники. Металловедение и термическая обработка. – М.: ВИНИТИ, 1991. - Т. 25. - С. 3-59.11. Хачин В.Н., Пушин В.Г., Кондратьев В.В. Никелид титана: структура и свойства. – М.: Наука, 1992. – 160 с.