Метална памет

Някои сплави имат изненадващо свойство: запомнете формата им. Работата по изучаването и прилагането на такива сплави се извършва в много страни. Пружината беше компресирана и след това освободена, тя веднага се върна в първоначалното си състояние. Същото ще се случи и с извита стоманена владетел, опъната от парче гума. Във всички тези случаи материалът възвръща първоначалния си размер и форма. Изглежда естествено и не изненадва никого. Но това се случва само в границите на еластична деформация. Ако границата на еластичност на материала е надвишена, възниква пластична деформация. Сега, след отстраняване на товара, той няма да приеме първоначалната си форма, за това е необходимо да се деформира материалът в обратна посока. Това бяха общоприетите, познати идеи.

Относително наскоро изследователите откриха сплави, които дори след пластична деформация успяха да „запомнят“ първоначалната си форма. Представете си, че парче тел, направено от такава сплав, е огънато, така че да придобие формата на думата „ПАМЕТ“. След това жицата може да се намачка. Но веднага щом леко се нагрее, той отново самостоятелно ще „напише“ думата „ПАМЕТ“. Естествено, подобни преживявания са изненадващи и се възприемат по-скоро като фокус.

Изследването на феноменалните свойства на металите показа, че механизмът му се определя от много фини процеси, протичащи с кристалната решетка, по-специално явлението, което се нарича "термоеластично фазово равновесие в твърдо вещество". Първо, това беше предсказано теоретично от Г. В. Курдюмов, пълноправен член на Академията на науките на Украинската ССР, а след това той и неговият сътрудник Л. Г. Хандрос установиха експериментално.

Дори популярното представяне на същността на проблемите, свързани с ефекта на паметта на формите в сплавите, предполага наличието на някакво задължително количество информация от областта на металознанието.

Мартензитна трансформация

Всеки метал и сплав има своя собствена кристална решетка, чиято архитектура и размери са строго определени. Но за много метали, с промяна в температурата и налягането, решетката не остава същата: идва момент, когато се случва нейното пренареждане. Такава промяна в типа кристална решетка - полиморфна трансформация - може да се извърши по два начина.

За по-голяма яснота, нека си представим решетка под формата на сграда, направена от детски кубчета. Как сега от едни и същи кубчета (атоми) да се построи сграда с различна архитектура (за „произвеждане“ на полиморфна трансформация)? Отговорът е очевиден: демонтирайте старата сграда и сгънете новата. Разбира се, сега всеки куб може да бъде навсякъде в новата сграда, заобиколен от други съседи. Това е разбираемо, защото по време на преструктурирането пътят на всеки куб е индивидуален - по никакъв начин не е свързан с другите. Съгласно тази схема се случва пренареждането на решетката, ако подвижността на атомите - дифузия - е достатъчно висока, за да осигури тяхното придвижване към нови места. Това е възможно, когато полиморфната трансформация се случва при висока температура.

И как ще се случи пренареждането на решетката в онези случаи, когато температурата на полиморфната трансформация е ниска? От енергийна гледна точка решетката на високотемпературната модификация трябва непременно да бъде пренаредена, но дифузията на атомите практически липсва, тъй като енергията на техните топлинни вибрации е недостатъчна, за да се откъсне от съседите си. Следователно трябва да има друг метод без дифузия?

Новото явление се нарича термоеластично фазово равновесие в твърдо вещество.

Това ясно демонстрира неизвестното преди това свойство на паметта на металите.

Трето събитие. В началото на 60-те години в американска лаборатория в резултат на търсенето на материал, който би бил здрав, относително лек и в същото време би могъл да работи в агресивна среда, е създадена сплав от никел с титан (1: 1).

В процеса на обработка тази сплав неочаквано показа свойство, за съществуването на което изследователите дори не подозираха: предварително деформирана проба при нагряване припомни първоначалната си форма.

Откриването в "обикновената" сплав на уникално свойство (което тогава получи името "ефект на паметта") беше възприето като сензация.

Ефектът беше толкова силен, че буквално ви спря дъха от перспективите за използването му. От друга страна, случайността на направеното откритие не позволява веднага да се даде правилно обяснение на естеството на ефекта и това, естествено, възпрепятства широкото му практическо приложение.

Под влиянието на трите събития до края на шейсетте години се формира цяла област от физически изследвания и технически приложения на ефекта на паметта на формата в сплавите.

Когато всеки кристал е сам по себе си

Но това е само възможност и са необходими специални условия за нейното изпълнение.

Но паметта на отделен кристал все още не е паметта на целия обем сплав. И ето защо.

Ясно е, че забележима промяна във формата на цялата проба ще настъпи само ако се създаде определен ред в подреждането на кристалите. В идеалния случай се уверете, че всички са ориентирани в една и съща посока.

Именно това са успели изследователите, които демонстрират проявата на паметта от сплав в събития 2 и 3.

Второто събитие (както и третото) се различава от първото по това, че трансформацията в сплавта става с участието на външен товар.

В резултат на такова организирано движение на атомите, пробата като цяло претърпява деформация по посока на външната сила. Нека си припомним как в случай № 2 пръчката е била огъната по посока на товара по време на охлаждане. При нагряване, когато атомите са принудени да се върнат в първоначалните си позиции, първоначалната форма се възстановява, дори срещу действието на външна сила (товар), тъй като атомите просто нямат други посоки на движение, с изключение на обратното.

Това са механизмите, чрез които се реализира ефектът на паметта на формата, базиран на термоеластичното фазово равновесие и контролното действие на товара.

Ефектът, описан в събитие № 3, по същество е памет на материала за една високотемпературна форма. В случай № 2, наличието на външна сила (товар) направи възможно постигането на памет за две геометрични фигури: сплавта приемаше нискотемпературна форма при охлаждане и високотемпературна форма при нагряване.

Друга характеристика на паметта сплави: висока циклична якост, тоест способността да издържат на големи редуващи се натоварвания без разрушаване. Използването на такива материали е особено ефективно в случай на значителни деформации. В този случай „трайността“ на продуктите от сплави с памет може да бъде хиляди пъти по-голяма от продуктите от традиционните материали. Нека си припомним например колко бързо всяка тел се срутва, когато претърпи огъване-огъване на едно място. Сплавите на паметта по принцип могат да издържат на произволен брой такива цикли.

Професии от сплав памет

Сред всички известни материали за памет на формата, нитинолът е най-обещаващият за технологията. Именно тя се използва най-често в устройства и устройства за различни цели. Това се улеснява не само от отличната му памет, но и от цяла гама други полезни свойства: висока устойчивост на корозия, значителна якост, технологичност.

Засега съществуват само модели на такива двигатели. Но дори и те показват висока ефективност за превръщане на топлината в работа, използвайки сплави от паметта. В същото време трябва да се подчертае още веднъж, че топлинните машини се използват за работа с топлина, която досега е трудно и скъпо да се превърне в работа с други средства, а често дори и невъзможно. Такава топлина по правило днес „изчезва“ (слънчева енергия, геотермални източници и топлинни отпадъци от електроцентрали и др.).

Естествено, материалите с памет за форма също са ефективни за обратния процес: "изпомпване" на топлина, т.е. като работна течност за хладилници или термопомпи.

Друго приложение на сплавите за памет е уплътняването и свързването на различни части. По-специално, нитиноловите втулки се използват за свързване на тръбопроводи. Изработена е втулка от сплавта, чийто вътрешен диаметър е малко по-малък от външния диаметър на тръбопровода, охлажда се и се разпределя в диаметър, така че да може свободно да се постави върху краищата на тръбопровода. След това втулката се нагрява и тя възстановява (запомня) първоначалния си размер, плътно кримпва тръбопровода и по този начин прави плътна връзка. Високата надеждност на такава връзка се доказва например от следния факт. Повече от 100 хиляди нитинолови втулки са инсталирани на изтребители F-14 (САЩ) - и нито един случай на разрушаване на връзките или повреда по време на експлоатация.

С помощта на нитинол корпусите на радиотехническите устройства също се запечатват без използване на заваряване или запояване. Тук плоският капак е предварително деформиран в полусфера и е свободно инсталиран в корпуса на устройството. При нагряване капакът се връща в първоначалната си плоска форма, докато се врязва в жлебовете на корпуса, като надеждно изолира устройството от външната среда.

Сплавите на паметта също се използват като работни елементи на различни чувствителни към температурата, сигнални и задействащи устройства и механизми.

Устройствата за саморазгръщане, като антени, изработени от нитинол, представляват голям интерес за космическите технологии. Големият продукт се навива (деформира) и се транспортира в такава компактна форма до местоназначението си, където след нагряване възстановява формата си.

Нитинолът се използва и в медицината. Например в чужбина се разработват методи за лечение на сколиоза (гръбначна деформация) с помощта на нитинолова пръчка.

Оригиналната работа се извършва от Сибирския физико-технологичен институт в сътрудничество с Чита и Томския медицински институт, Курганския изследователски институт по експериментална и клинична ортопедия и травматология. Разработени са редица нови хирургични устройства за съединяване и сливане на костни фрагменти, протезиране и запълване на зъби. Също така се изследват възможностите за използване на нитинол за създаване на нови медицински инструменти.

Тези примери, разбира се, не изчерпват всички области на използване на паметта сплави. Рекордите на техните професии несъмнено са по-широки - и непрекъснато се увеличават.

Нека се спрем на още една интересна посока, която е свързана с изучаването на сплави с памет.

В. Хачин, кандидат на физико-математическите науки.