X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

В настоящее время одной из ключевых задач науки о материалах является создание новых конструкционных и функциональных материалов и технологий их получения, необходимых для обеспечения конкурентоспособности высокотехнологичных секторов экономики. В соответствии с государственной программой РФ «Развитие науки и технологий» на 2013-2020 годы и Федеральной космической программой России на 2006-2015 годы, приоритетным направлением стала разработка интеллектуальных, в том числе с эффектом памяти формы, интерметаллидных, нано-кристаллических и слоистых материалов, с повышенными эксплуатационными свойствами.

Исследования последних лет убедительно показали широкие возможности поверхностного модифицирования материалами с элементами «интеллектуальности», материалами с обратимой фазовой структурой, к числу которых относятся материалы с эффектом памяти формы (ЭПФ). Формирование поверхностных наноструктурированных слоев из материалов с ЭПФ, обладающих, помимо высоких механических свойств, высокой демпфирующей способностью и особыми функциональными возможностями могут быть эффективным способом повышения эксплуатационных свойств и ресурса изделий, в том числе машиностроительного назначения.

Исследования

Долгое время неупругую деформацию считали полностью необратимой. В начале 60-х годов XX века был открыт обширный класс металлических материалов, у которых элементарный акт неупругой деформации осуществляется за счет структурного превращения. Такие материалы обладают обратимостью неупругой деформации. Явление самопроизвольного восстановления формы – эффект памяти формы (ЭПФ) – может наблюдаться как в изотермических условиях, так и при температурных изменениях. При теплосменах такие металлические материалы могут многократно обратимо деформироваться.

Способность к восстановлению деформации не может быть подавлена даже при высоком силовом воздействии. Уровень реактивных напряжений некоторых материалов с ЭПФ может составлять до 1000-1300 МПа. Почему так происходит? Суть ЭПФ представлена на рисунке 1.

Рис. 1

В исходном состоянии в материале существует определенная структура. На рисунке она обозначена правильными квадратами. При 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.

Из большого числа сплавов с ЭПФ наиболее перспективными для практического применения являются сплавы Ti–Ni эквиатомного состава (примерно 50:50% (ат.)), обычно называемые никелидом титана или нитинолом. Реже используют более дешевые сплавы на основе меди Cu–А1–Ni и Cu–Al–Zn.

Основными характеристиками интеллектуальных материалов 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.

Инженерные аспекты использования сплавов с ЭПФ в машиностроении

Несмотря на повышенные показатели функционально-механических свойств, применение соединений из сплавов на основе Ti-Ni в связи с высокой стоимостью сплава ограничивалось, главным образом, наиболее ответственными деталями с минимизацией расхода материала, либо использованием лишь в дорогостоящем оборудовании. Одним из возможных решений была разработка более дешевых СПФ, которые могли бы составить замену сплавам на основе Ti-Ni. Для этих целей использовали добавки третьих элементов (Ti-Ni-Fe(Cu) и др.), но, как известно, для сохранения всех свойств они не должны были превышать 3,4 (ат.)%, что существенно не снижало стоимость. Применяли более дешевые СПФ системы Cu-Zn-(Al, Ni, Al-Mn-Ni) и сплавы с ЭПФ на основе Fe, нержавеющие стали с памятью формы типа Fe-Mn-Si-Cr-Ni , но недостаток этих сплавов заключался в гораздо меньших величинах проявляемых эффектов (восстанавливаемая деформация ε_r достигает 2-3%,). Тем не менее, в последние годы разработаны новые методы, в частности, соединения труб на основе сплава Fe-Mn-Si, (ε_r=1-2%). Но существует ряд недостатков, связанных с особенностями специальной подготовки труб, деформирования материала труб, их размерами и т.д. С этой точки зрения уникальность никелида титана неоспорима. Поэтому, в качестве альтернативного решения проблемы, экономичности и ресурсосбережения TiNi, возможно перспективное направление, связанное с использованием технологий инженерии поверхности. Конечной целью в этом случае является замена объемного сплава с ЭПФ – эффективным покрытием, либо слоем, выполняющим те же функции, что и массивный материал.

Тонкие пленки TiNi

С того времени, как было установлено, что тонкие пленки из сплавов с ЭПФ могут восстанавливать большие деформации и генерировать значительные восстанавливающие усилия, они привлекли интерес, особенно в области применений в виде активных элементов микроприводных и микроэлектромеханических систем (МЭМС). Применительно к МЭМС-технологиям TiNi имеет уникальные характеристики, в том числе, обладает свойством выдерживать большие ударные и силовые воздействия. Объемный сплав отличается низким уровнем отклика и реагирования, в то время как тонкие пленки СПФ обеспечивают большую плотность энергии. Тонкие пленки из сплавов с ЭПФ (TiNi) в настоящее время встраиваются в структуры микроуровня, профилируются стандартными литографическими технологиями и изготавливаются партиями. Наиболее популярными способами нанесения тонких пленок из сплавов с ЭПФ являются физическое и химическое осаждение из паровой фазы (PVD и CVD), а также напыление, процессы ионного облучения и имплантации. Процессы осуществляются в условиях вакуума в среде технологического газа.

TiNi-адаптивные композиты

В последнее время СПФ-композиты или «интеллектуальные композиты» (smartcomposites) привлекают огромное внимание. Во-первых, это связано с экономией дорогостоящего сырья. Во-вторых, получаемый материал является активным и адаптивным и позволяет эффективно управлять формой разнообразных тонкостенных конструкций – от панелей и использующих их адаптивных неразрезных крыльев летательных аппаратов до сейсмочувствительных датчиков. Разработанные методы построения композитов с памятью формы базируются на формировании одно- и многослойных конструкций с использованием тонких фольг и пленок из СПФ, либо армировании холоднокатанной тонкой проволокой, волокнами, лентами из СПФ. В результате мартенситного превращения (А→М-перехода) происходит значительное изменение линейных размеров материала при создании реактивных усилий (до 200 МПа), возможно залечивание повреждений и трещин композитов. Для создания адаптивных композиционных материалов с памятью формы чаще всего используют сплавы никелида титана. Наличие высоких демпфирующих характеристик и свойство сверхупругости СПФ используется для повышения сопротивления ударному разрушению композитов, поскольку псевдоупругий материал способен поглощать большую энергию деформации, чем, например, графитовые волокна. Это создает определенные предпосылки использования СПФ в композиции «сталь–TiNi».

Заключение

В настоящее время с полной уверенностью можно говорить о создании индустрии материалов с памятью формы и ее ускоренном росте, связанном как с разработкой новых технологий получения, так и использованием материалов с памятью в различных областях техники. Это обусловлено широким спектром физико-механических свойств и связанным с ними функционально-механическим поведением, в основе которого лежат такие свойства как чувствительность, переключаемость, активация, адаптивность, память и восстановление, энергоемкость, демпфирование, преобразование энергии.

Уникальные возможности материалов с ЭПФ, связанные с проявлением эффектов памяти, уже успешно реализованы при создании ряда устройств и техники нового поколения аэрокосмического и автомобильного комплекса, в приборо- и машиностроении, электронике, медицине, биотехнологиях и т.д. Несмотря на то, что использование материалов с ЭПФ в машиностроении имеет большие перспективы, экономически нецелесообразно из-за высокой стоимости самого материала использовать сплав TiNi как конструкционный материал. Значительное снижение стоимости при одновременном обеспечении заданного уровня прочностных характеристик и функционально-механичесих свойств может быть достигнуто за счет использования поверхностных слоев из сплавов с ЭПФ или малогабаритных конструктивных элементов (пластин, колец, пружин и т.д.). Создание на этой основе комбинированных деталей и конструкций с качественно новыми характеристиками является перспективным направлением.

Информационные источники

1.https://revolution.allbest.ru/manufacture/00238748_0.html (Дата обращения 30.01.18)

2.http://doc.knigi-x.ru/22tehnicheskie/492479-1-zhm-blednova-stepanenko-nauchno-obrazovatelniy-kurs-rol-splavov-effektom-pamyati-formi-sovremennom-mashinostroenii.php (Дата обращения 30.01.18)

3.https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/366021 (Дата обращения 30.01.18)

4. https://goo.gl/KznpXo (Дата обращения 30.01.18)

Код для цитирования: Скопировать