Сплавы с памятью и применение для обеспечения экологической безопасности

Во многих случаях проблема экологической безопасности может быть решена применением новых материалов с функционально обусловленными свойствами.

Особый интерес представляют материалы с термомеханической памятью (ТМП), иначе называемые как материалы с «эффектом памяти формы». В этом случае механизм, в котором звено (звенья) выполнены из материала с ТМП располагается внутри герметизированного пространства.

Он при температуре Тд (выше температуры начала прямого мартенситного превращения Мн) с целью придания ему определенной формы, например, прямого стержня (прутка). Такая форма может быть получена методами ковки, протяжки и др.

Затем полученная деталь для обеспечения полного мартенситного превращения охлаждается до температуры То (ниже температуры конца мартенситного превращения Мк).

В этой температурной области материал с ТМП обладает высокой пластичностью, поэтому при относительно небольших нагрузках деталь можно подвергнуть некоторой промежуточной деформации, например, согнуть прямой стержень в кольцо.

Данная деформация является исходной для последующего процесса восстановления. Если после этого деталь нагреть до температуры Ан начала обратного фазового превращения, то форма (запоминаемая деформация), которая была придана детали при Тд, начинает восстанавливаться – стержень, согнутый в кольцо, выпрямляется.

Процесс восстановления заканчивается при температуре Ак, соответствующей окончанию обратного фазового превращения. При этом стержень восстановит прямолинейную форму. Если далее деталь снова охладить и подвергнуть такой же или какой – либо другой деформации, то при повторном нагреве процесс восстановления повторится и стержень вновь приобретет прямолинейную форму.

Такому циклу нагрева охлаждения деталь можно подвергнуть многократно.

Эффект ТМП реализуется при всех видах деформаций (продольной, изгибной, кручения, а так же их комбинаций). Это позволяет при необходимости придавать детали для запоминания самые разнообразные формы.

Диапазон температур структурных превращений материалов с ТМП довольно широк. При этом значения температур зависят от состава сплава и процентного содержания его компонентов. Например, сплав Fe – Ni в зависимости от содержания Ni имеет диапозон температур мартенситного превращения от 525…427 (9,5% Ni) до 95…196°С (30% Ni).

Следовательно, в зависимости от заданных температур может быть выбран материал с требуемыми физико-механическими свойствами.

Для рационального использования сплавов с ТМП необходимо правильно учитывать их свойства и, в первую очередь, развиваемое рабочее напряжение, полезную деформацию, температуры структурных превращений.

В процессе нагрева элемента из материала с ТМП происходит частичное преобразование тепловой энергии, подводимой к элементу, в механическую. Это открывает широкие возможности для использования таких материалов при проектировании активных элементов приводных устройств различного назначения, которые, по существу, являются термомеханическими двигателями (ТМД) и могут развивать достаточно большие усилия.

Так как величина деформации восстановления является функцией температуры, то управление ТМД можно осуществлять путем изменения интенсивности нагрева, добиваясь при этом достаточно высокой точности перемещения. При необходимости могут быть получены очень малые скорости перемещения, аналогичные, например, скоростям электромеханических приводов с редукторами с большим передаточным числом.

Термомеханические двигатели.

Наиболее эффективно использование материалов с ТМП в тех случаях, когда при ограниченных массогабаритных характеристиках механизма требуется получить малые перемещения или скорости исполнительного органа.

Движение исполнительных органов различных механизмов обеспечивается элементами, которые в зависимости от функционального назначения перемещаются поступательно, вращательно или
имеют сложную траекторию движения.

При этом элемент, обеспечивающий каждый вид движения, характеризуется величиной и скоростью перемещения, развиваемым усилием, а так же возникающими динамическими и тепловыми характеристиками. Исполнительные органы или механизмы могут перемещаться непрерывно, циклически или совершать одноразовое перемещение.

Описанные выше свойства материалов с ТМП так же могут быть использованы для изменения положения конечного звена (узла, детали или механизма), т.е. для создания термомеханических двигателей (ТМД), аналогичных по выполняемым функциям традиционным двигателям.

Если исполнительный орган должен совершать одноразовое линейное перемещение, то схема построения ТМД может быть реализована на основе элементов, изготовленных из материалов с ТМП, которые могут изменять свое состояние за счет продольной деформации, деформации изгиба, кручения или их комбинаций (сложное деформированное состояние). Продольная деформация элемента простой геометрической формы (стержня) обеспечивается его равномерным нагревом по сечению.

Деформация изгиба преобразуется в линейное перемещение элемента таким образом, что его конечная точка перемещается поступательно.

При этом происходит равномерный нагрев по сечению, и траектория перемещения сечений задается при формировании памяти. Деформация кручения осуществляется путем придания элементу формы цилиндрической витой пружины. Если перемещение превысит длину пружины висходном состоянии, то будет иметь место сложное деформированное состояние.

Движение элементов ТМД из материалов с ТМП обеспечивается любыми способами нагрева, реализация которых зависит от вида и геометрических параметров механизма, вида оборудования, способа закрепления в герметизируемом пространстве условий сопряжения с соседними элементами и т.д.

Наиболее просто осуществляется нагрев путем пропускания электрического тока непосредственно через разделительную стенку на элемент, с помощью жидкости или газа с заданной температурой, с помощью специального нагревательного элемента и т.п.

Таким образом, простота, доступность и надежность способов нагрева обеспечивают широкие возможности для проектирования и создания ТМД. Ниже рассмотрено несколько конструкций с использованием ТМД.

Особый интерес представляют ТМД, состоящий из двух активных элементов из материалов с ТМП, включенных навстречу друг другу. Работа ТМД осуществляется за счет поочередного нагрева и охлаждения активных элементов. В этом случае прямой и обратный ходы являются рабочими.

Такой двигатель разработан, например, в качестве привода манипулятора для работы в загазованной среде. Нагрев осуществляется электрическим током, пропускаемым через элементы, управление скоростью– путем изменения напряжения. Величины рабочего хода, полезного усилия и КПД циклического ТМД, состоящего из двух активных элементов, больше, чем у других циклических ТМД.

В тех случаях, когда требуется получить очень малые скорости перемещения при ограниченных массах и размерах, удобно использовать ТМД непрерывного действия (например, при проектировании манипуляторов).