Слоны материаловедения: сплавы, которые никогда не забывают свою форму

Brianne Costa 11/05/2018
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

Сплавы с памятью формы — это сплавы, у которых есть «память»: После деформации они могут восстанавливать исходную форму при изменении давления или температуры. Сплавы с памятью формы используются в самых разных областях, в том числе в металлургии, промышленном производстве, биомедицине и даже в детских развивающих игрушках — и это далеко не предел.

Что такое сплав с памятью формы?

Сплав с памятью формы — это материал, претерпевающий фазовое превращение при механическом воздействии или при изменении температуры. Когда условия снова становятся нормальными, сплав «вспоминает» свою исходную форму и возвращается к ней.

 

Просмотрите этот видеоролик, чтобы узнать подробнее о том, как работает память формы.

Сплавы с памятью формы имеют две кристаллические модификации: аустенит и мартенсит. При высоких температурах сплав имеет кристаллическую структуру аустенита, а при низких — мартенсита. Переход от аустенита к мартенситу и обратно является причиной явления «памяти».

Диаграмма процесса фазового превращения для сплавов с памятью формы.
Базовый процесс превращения в сплаве с памятью формы.

Сплавы с памятью формы чаще всего содержат сплавы меди, алюминия и никеля, а также никеля и титана. Последние также известны как нитинол — это название состоит из первых букв соответствующих элементов (ни — никель, ти — титан) в составе сплава и места его открытия (нол — NOL, Naval Ordnance Laboratory [Лаборатория вооружения ВМС США]). Сам процесс открытия мы обсудим ниже в этой статье.

Фотография катушки из сплава с памятью формы.
Катушка из сплава никеля и титана — сплава с памятью формы.
Введя ключевое слово «нитинол» в поисковую строку в различных интернет-магазинах, можно увидеть, насколько просто сейчас найти и купить проволоку из сплавов с памятью формы и другие подобные материалы.

Случайное открытие сплавов с памятью формы

История открытия необычного свойства запоминания формы в сплавах весьма длинна. Ранние исследования сплавов с памятью формы проводились в 1930-х годах, когда ученые изучали необычные свойства различных металлов. Шведский химик Арне Оландер (Arne Ölander) заметил и описал псевдоупругое поведение при наблюдении за сплавом золота и кадмия. Однако термин «сплав с памятью формы» был введен только после одного случая в лаборатории, имевшего место примерно 30 лет спустя.

В конце 50-х — начале 60-х годов Лаборатория вооружения ВМС США проводила исследование в области металлургии, описанное в [1]. Ученый по имени Уильям Дж. Бюлер (William J. Buehler) выплавлял и отливал стержни из никель-титанового сплава. Ожидая, пока остывают стержни, он уронил один из холодных стержней на бетонный пол и услышал глухой стук. Он нашел это странным и бросил на пол другой, еще горячий стержень, который издал более высокий звук, похожий на звон. Забеспокоившись о том, что что-то, возможно, пошло не так во время литья, Бюлер бросился к питьевой колонке и охладил никель-титановый стержень в воде. Бросив остывший стержень на пол, он снова услышал глухой стук.

Иллюстрация открытия явления памяти формы у некоторых сплавов.
Счастливый случай: Падение стержня из нитинола привело к открытию уникального свойства памяти.

Это явление было затем продемонстрировано на собрании Лаборатории вооружения. Помощник Бюлера передал по кругу тонкую полоску из никель-титанового сплава. Ее растягивали, изгибали и складывали в гармошку. Когда предмет достиг доктора Дэвида С. Маззи (David S. Muzzey), он достал свою зажигалку и нагрел его. Сплав быстро развернулся и принял первоначальную форму полоски. После того как были выявлены уникальные свойства и поведение никель-титановых сплавов при разных температурных условиях, материал стал известен как нитинол — сплав с памятью формы.

В последнее время развитие материалов с памятью формы вышло за рамки одних только сплавов, и в будущем эта тенденция только усилится. Полимеры с памятью формы и другие подобные материалы разрабатываются и даже производятся для различных коммерческих целей.

Производство сплавов с памятью формы для различных областей применения

Благодаря уникальному поведению сплавов с памятью формы в производстве продукции и компонентов в самых разных отраслях промышленности часто делается выбор именно в их пользу ([2]).

Аэрокосмическая промышленность

В аэрокосмической промышленности сплавы с памятью формы используются для разработки легких, тихих и эффективных конструкций, а это три важнейших фактора в проектировании летательных аппаратов. Из материалов с памятью формы создаются такие компоненты, как вентиляторные сопла с изменяемым сечением, демпферы колебаний и приводы. Эти устройства являются аустенитными при нормальной для них температуре и превращаются в мартенситные (и принимают требуемую форму) при охлаждении благодаря изменению температуры под действием воздушного потока вокруг летательного аппарата или даже смене температуры окружающей среды во время обычного полета.

Изменение температуры, вызывающее фазовый переход, можно обеспечить разными способами. В устройстве из сплава с памятью формы может присутствовать нагревающий его электронный компонент, или же изменение температуры можно вызвать подачей излишка воздуха из других частей летательного аппарата.

Фотография материала с памятью формы, используемого в исследованиях летальных аппаратов.
Образец материала с памятью формы, используемого в исследованиях и разработках летальных аппаратов. Изображение — Science Museum London/Science and Society Picture Library. Доступно по лицензии CC BY-SA 2.0 на Викискладе.

Более актуальное техническое усовершенствование с использованием материалов с памятью формы для летательных аппаратов — это крыло изменяемой формы. Сплавы с памятью формы используются для разработки адаптирующегося крыла самолета, которое может изгибаться и менять форму во время полета.

Автомобильная промышленность

Сплавы 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).

Здания

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.

Медицина

Применение сплавов с памятью формы в области биомедицины может сократить необходимость хирургического вмешательства. Например, в артерии можно имплантировать специальные стенты, что является наименее инвазивным способом улучшить кровоток у пациентов с заболеваниями сердца. Микроприводы и искусственные мышцы в робототехнических протезах также состоят из материалов с памятью формы, что дает пациентам с ампутированными конечностями больше свободы движения.

Модель биомедицинского стента в COMSOL.
Стенты — наименее инвазивные средства лечения сердечных заболеваний — чаще всего состоят из сплавов с памятью формы. (Примечание. На этом изображении, взятом из учебной модели Plastic Deformation During the Expansion of a Biomedical Stent (Пластическая деформация при расширении биомедицинского стента) не показаны сплавы с памятью формы — оно служит лишь в качестве иллюстрации рассмотренного выше варианта применения.)

Более мелкие изделия из сплавов с памятью формы используются в ортодонтии, например для брекет-систем, и в оптометрии для изготовления очков. Оправы для очков из материала с памятью формы не требуется заменять, если они погнулись. Вместо этого из можно нагреть, и они вернутся в исходную форму.

Другие области применения сплавов с памятью формы

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.

Такие сплавы также используются в ремесленных изделиях и игрушках. Одним из примеров являются гнущиеся браслеты, сделанные из материала с памятью формы, благодаря чему их можно как угодно изгибать и скручивать, после чего без труда вернуть их начальную форму. (К сожалению, всеми любимая в детстве разноцветная пружина «Радуга» (в США — игрушка под названием Slinky®) сделана из обычного пластика, поэтому при сильном растягивании или выкручивании она, к огорчению детей, не принимает исходную форму.)

Недостатки и конструктивные соображения

При разработке конструкции или компонента из сплава с памятью формы необходимо учитывать ряд факторов и рисков. Основным недостатком сплавов с памятью формы является риск усталостного разрушения. Некоторые сплавы с памятью формы можно согнуть или деформировать только определенное количество раз, после чего они не смогут полностью принять исходную форму (или сломаются).

Другой недостаток состоит в длительном периоде фазового изменения для некоторых сплавов. Если поискать в Интернете видеоролики с ключевыми словами «сплавы с памятью формы», можно увидеть, что время для возврата материала в исходную форму может быть долгим и непредсказуемым.

Диаграмма, иллюстрирующая недостатки фазового превращения сплавов с памятью формы.
Такие недостатки, как долгое время возврата к начальной форме и усталость, могут вызвать проблемы в ходе цикла фазового превращения для сплавов с памятью формы.

С точки зрения производства сплавы с памятью формы могут быть дорогостоящими, что ограничивает их доступность для производителей и потребителей. Кроме того, поскольку большинство таких материалов меняет свои свойства в зависимости от температуры, может быть рискованно использовать сплавы с памятью формы для устройств, работающих в неконтролируемых или нестабильных температурных условиях. Так, сплав с памятью формы, используемый в автомобилестроении, должен работать при любых возможных температурах в транспортном средстве.

Моделирование сплавов с памятью формы в COMSOL Multiphysics®

Механические свойства сплавов с памятью формы трудно описать из-за сложности имеющих место фазовых превращений. По этой причине моделирование материалов с памятью формы является весьма непростой задачей.

Начиная с версии 5.3a программного пакета COMSOL®, в модуле Нелинейные конструкционные материалы имеются две наиболее популярные модели материала для сплавов с памятью формы: Лагуда и Соуза—Ауриккьо. С помощью этих моделей материала вы сможете во время моделирования задать свойства аустенита, мартенсита и фазового превращения сплава с памятью формы. Вы также можете с легкостью учесть явления теплопередачи в сплаве с памятью формы с помощью встроенной взаимосвязи между интерфейсами Heat Transfer in Solids (Теплопередача в твердых телах) и Solid Mechanics (Механика твердого тела).

В учебной модели Uniaxial Loading of a Shape Memory Alloy (Одноосное нагружение сплава с памятью формы) показано использование модели материала с памятью формы в программном пакете COMSOL Multiphysics®.

В этой учебной модели цилиндр из нитинола подвергается осевому натяжению, и выполняется три отдельных исследования.

  1. Параметрический анализ, демонстрирующий явление псевдоупругости при различных фиксированных температурах
  2. Анализ установленного смещения, показывающий, что эффект псевдоупругости представляет собой цикл увеличения и уменьшения напряжения
  3. Эффект запоминания формы, продемонстрированный после повышения температуры

В модели указано, что для сплава с памятью формы предусмотрено предельное напряжение, зависящее от температуры. Когда осевое натяжение достигает величины предельного напряжения, структура материала переходит из аустенита в мартенсит, то есть происходит прямое превращение (деформация).

Линейный график напряжения и деформации сплава с памятью формы при различных температурах.
Напряжение и деформация сплава с памятью формы при разных температурах.

При уменьшении осевого напряжения происходит обратное превращение. Оно возникает при более низком уровне напряжения, чем предельное для прямого превращения, при этом материал возвращается к своей исходной форме.

Линейный график, демонстрирующий эффект запоминания формы сплава.
Кривые напряжения и деформации, демонстрирующие явление памяти формы в сплаве.

Дальнейшие шаги

Чтобы узнать подробнее о специальных возможностях и функциях механических расчетов в модуле расширения Механика конструкций в COMSOL Multiphysics, нажмите на кнопку ниже.

Примечание. Модели материала Лагуда и Соуза—Ауриккьо для сплавов с памятью формы реализованы в модуле Нелинейные конструкционные материалы, который является расширением для модуля Механика конструкций.

Литература

  1. G.B. Kauffman and I. Mayo, "Chemistry and History: The Story of Nitinol: The Serendipitous Discovery of the Memory Metal and Its Applications," Chem. Educator, 2(2), 1997.
  2. J.M. Jani et al., "A review of shape memory alloy research, applications and opportunities," Materials and Design, 56, 2014.

Slinky является зарегистрированным товарным знаком компании POOF-SLINKY, LLC.


Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Волновая оптика Модуль Геометрическая оптика Модуль Композитные материалы Модуль Механика конструкций Модуль Миксер Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Полупроводники Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Течение в трубопроводах Модуль Химические реакции Модуль аккумуляторов и топливных элементов Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Технический контент Указания по применению модуле Теплопередача модуль Вычислительная гидродинамика физика спорта