Коллеров М.Ю. Функциональные материалы (пособие)

13 см и толщиной стенки 1,5 см. Такой подход можно применить и при проектировании других типов термосиловых элементов.

6.4.Сверхупругие элементы

Вэтих элементах используется способность МПФ обратимо устранять при разгрузке значительные деформации. Величина таких деформаций (1015%) на порядок выше, чем упругая деформация конструкционных материалов. Примером таких конструкций, получивших широкое распространение, могут служить оправы очков, которые можно как угодно сгибать, и они будут возвращаться к исходной форме, рыболовные поводки для спиннингов (см. рис. 1.1), а также армирующие элементы бюстгальтеров, обеспечивающие поддержание формы, не создавая жесткий каркас.

Перспективным можно считать разработку различных сверхупругих инструментов, например свёрл, которые могут работать в изогнутых каналах и т.п. Главным требованием к таким материалам является высокая сверхупругая деформация, которая максимальна у сплавов на основе никелида титана с большим содержанием никеля в деформированном состоянии.

6.5. Температурные датчики и терморегуляторы

Температурные датчики чаще всего используют как однократно срабатывающие конструкции, свободно восстанавливающие свою форму. Примером могут служить пожарные датчики, которые при достижении определенной температуры включают сигнализацию или систему тушения. Так как температура срабатывания таких датчиков выше 70 С и эксплуатируются они в атмосферных условиях, то в качестве МПФ могут быть использованы высокотемпературные сплавы на основе никелида титана ТН1, ТНМ3

141

(5 120 ) или сплавы т тана ВТ16, ВТ2 2И (150 450 С). На рисунке 6.10 показана принци иальная схема пожарного датчика.

Рисунок. 6.10. Принципиальная схема пожарного датчика.
1 – элемент из МПФ; 2 - подпружи ненный шток датчика.
а)	о взведен ном состоянии; б) пос ле срабат ывания при Т ≥ 70°С;
В данном случае разрезное кольцо из МПФ							предварительно сжимается
так, чтобы уменьшить зазор между концами кольца							в месте разреза. В таком
деформированном виде кольцо заводится					в прорез		подпружиненного штока
датчика и удер живает его во			« взведенном»			положении. При		до тижении
требуемой температуры		кольцо	восстанавливает				свою форму, расстояние
между	концами разрезн го кольца			увел чивается, шток освобождается и
включает систем сигнализации.
В терморегуляторах элементы из МПФ могут выполнять более сложную
задачу	– в зависимости	от температуры окружа ющей среды						многократно
совершать необходимое		действие.		В	таких	конструкциях		может быть
использ ван материал,		бладаю ий обратимым					(двухпутевым) эффектом
памяти	формы, который в	достаточно узком интервале температур ( 5 20 С)

может при нагреве и охла ждении многократно менять свою форму и, например,

замыкать или	размыкать	электр		ческую	цепь, р гулируя,	таким образом,
температуру окружающей		элемент		среды.	В настоящее время для этой цели
использ ют биметаллические			элементы,		состоящие из	двух	или более
металлических	материалов		с	разным и коэ ффициен тами			линейного
142

термического расширения. Но такие элементы характеризую тся очень малым изменением формы от температур ы (рис. 6.11) и могут совершать действие только в одном направлении. И спользов ние МПФ [13] для изготовления терморегуляторов позво яет значительно умень шить габариты и массу констру ций, об спечить более точное срабатывание в тре буемом интервале температур и совершать изменение формы при с ожном пространственном перемещении.

Рисунок	6.11. Сра нение		характеристик		биметалличес ких			элем ентов		и
термочувствительных элементов с эффектом запоминания фо мы:
1 – пластина из материала с братимым эффекто				запомин ния формы; 2 – би					еталл [13,
стр. 151].
Однако использование обратимого эффекта запоминания форм									требует
достаточно	сло	ного т хнологического		процесса		обработки		элемента		и
неэффективного		использования	дорогостоящего			МПФ.	В	большинстве
констру ций	терморегуляторов		получить		необходимый		эффект		можно,

использ я материал с односторонним ЭПФ и противодействующий элемент из обычного конструкционного материала. Примеры таких конструкций показаны на рисунках 6.12 и 6.13 [1 ].

143

Рисунок 6.12. Принцип альная схема действия автоматического сушильного шкафа: 1

– камера ушки; 2 – направление поглощения влаг ; 3 – влагопоглотитель; 4 - выключенный нагреватель; 5 – пружина смещения; 6 – спираль из сплава с памятью ф рмы; 7 – направление удаления влаги; 8 – включен ный нагреватель [13 стр. 180].

Рисунок 6.13. Автомобильный радиационный термостат:

1 – пружина смещения; 2 – спираль из сплава с памятью формы; 3 – клап ан [13, стр. 182].

Рассмотрим	основ ые эта ы проектирования терморегулят	оров на
примере элемента,	состоящего из двух пружин: од а изготовлена из	МПФ, а

другая – пружина сжати из стали (рисунок 6.14). Пружин ы надеваются на шток, в середине которого сделана опорная площадка. Шток с пружинами вводится в отвер тия «П»- образной скобы так, чтобы концы п ружин опирались на скоб . В исх дном состоянии при низ ой температуре стальная пружина через опорную площадку сжимает пружину из МПФ и сдвигает шток влево (рис. 6.14) [13]. При нагреве пружина из МПФ стремиться восстановить свою

форму и развивает усилия, противодействующие ст льной пружине. При этом

144

шток см ещается	вправо. Повторение	цикла охлаждение–нагрев приводит к
повторе нию сме	ения штока влево – вправо. При э ом смещении шток может
приводить в действие различны е		механизмы (например , регулировании
температуры).

Рисунок 6.14. Двунаправленный элемент,	Рисунок 6.15. Принцип	действия
действующий по методу смещения:	двунаправленного элемента с	эффектом
1 – пружина из МП Ф; 2 – стальная пруж ина [13,	памяти формы с использование	пружины
стр. 147].	[13, стр. 14 7].

Предположим, что пружины из стали и МПФ изготовлены так, что имеют рабочий ход ( l) при сжатии 50 мм. Если у тановить эти пружины в скобу так, чтобы расстояние между опорами было меньше их исход ой (в с ободном состояни и) длины на 50 мм, то окажется, что при полн ом сжатии одной пружин , на дру ой не будет нагрузки (рисунок 6.15). Стальная пруж на будет характеризоваться линейной зависимостью усилия сжатия от рабочего хода. Пружина из МПФ изменяет свое механическое поведение в зависимости от

температуры. В охлажденном состоянии при температура х ниже	МН она
значительно мен ше противодействует сжатию со стороны с тальной	ружины,

чем при температурах выше АК. Поэтому в зав симости от температуры равновесное положение пружин (оп орной п ощадки) будет изменяться от точки B (при t<МН) до точки A (t>АК). Если при перемещении шток должен развить некотор е усилие на прив дение в действие механиз а (например, 0,5 Н), то его ход сокращается (точки A и B на рис. 6.15).

145

6.6. Тепловые двигатели

По принципу механического действия тепловые двигатели на основе МПФ можно разделить на три основные группы: 1) двигатели с кривошипношатунным механизмом; 2) турбодвигатели; 3) гравитационные двигатели.

Принцип действия двигателей с кривошипно-шатунным механизмом такой же, как и обычных бензиновых и дизельных двигателей. Элемент из МПФ устанавливается между колесом, имеющим центральный вал, и кривошипным валом, причем оси колеса и вала смещены относительно друг друга. Удлинение и сокращение элемента из МПФ в зависимости от температуры действуют так же, как возвратно-поступательное движение поршня в обычных двигателях и вызывают вращение колеса.

Схема такого двигателя показана на рисунке 6.16 [13]. В качестве силового элемента с ЭПФ применяются спирали или стержни из сплава TiNi. Силовой элемент в деформированном состоянии (спираль – сжата, а стержень – изогнут в форме буквы U) помещен между кривошипным валом, вращающимся вокруг фиксированной оси и приводным шкивом, вращающимся вокруг смещенной относительно кривошипного вала оси. При попадании в резервуар с горячей водой (например, нагретой с помощью солнечной энергии) силовой элемент восстанавливает свою исходную форму, что приводит к повороту шкива. После выхода из резервуара с нагретой водой силовой элемент охлаждается (достаточно разности температур горячей и холодной сред 3-4 ) и под действием избыточной силы вновь деформируется. При дальнейшем повороте шкива силовой элемент снова перемещается в резервуар с горячей водой и опять восстанавливает свою форму. В результате происходит непрерывное вращение. При этом частота вращения может достигать 60-80 об/мин, а мощность более 0,2 Вт.

В турбинных двигателях мощность возникает в результате механического соединения валов, на которых с помощью элементов из МПФ образуются крутящие моменты (рисунок 6.17) [13]. Рабочим элементом спираль из сплава TiNi, которая образует непрерывную петлю и проходит через резервуары с

146

горячей и холодной		водой	и дифференциальный шкив. К рутящий	момент
воздействует на	ифференциальный шкив в результ те сокращения спирали со
стороны резервуара		с горячей водой. У линение спирали в резервуаре с
холодной водой	риводит к вращению шкива. Разность крутящих мом ентов на
дифференциальном		шкиве	обуславливает мощность двигателя.	Частота

вращения таких двигател й может достичь 700 об/ ин, при мощности 0,4-0,5 Вт.

	Рисунок 6.16. Двигатель Гинеля с	исунок 6. 7. Турбинный двигатель
кривошипно-шатунн ым механизмом:		Джонсона: 1 – дифференциа льный шкив;
1	– спираль из МПФ; 2 – горячая вода;	2 – вых дной вал; 3 – непрерывная петля из
3	– подшипник; 4 – фиксированные оси	МПФ; 4 – резерву р с холодн ой водой;
[13, стр. 176].		5 – резервуар с горячей водой [13, стр. 177].

В двигателях гравитационного типа (рисунок 6.18) изменяют п ложение груза с помощью возбуж аемой с илы элемента из МПФ и создают ощность под действием силы тяжести груза [13]. Тепловой к.п.д. таких двигателей не особенно высокий, однако конструкция двигателей проста, поэтому их часто использ ют для демонстрации принципа д йствия тепловых двигателей и для изготовления игрушек.

147

Рисунок	6.1 8. Гравитационный двигател :		1	– спираль из МПФ;			2 – груз;
3 – пруж на смеще ния; 4 – го ячая вода [13, стр. 1 78].
		6.7. Медицинские имплантаты и			инстру мент
Это наибо ее востребованна я в настоящее время об ласть применения
МПФ [35 - 37]. В		первую очередь это относится к с лавам н а основе никелида
титана, оторые		бладают высокой коррозионной стойкостью и биологической
инертностью.	Очень длительный период			времени		были сомнения в
возможности	использования ни келида		титана		в	качестве	материала

имплантатов, так как в нем присутствует более 50% никеля, который является токсичным элементом и вызывает аллергию, как например, при использовании нержавеющей стали, содержащей всего около 8 % никеля. Но многочисленные исследо ания по азали, что нитинол биологически инертен, и сколько-нибудь

значимого выхода ионов никеля не происходит. Дело						в том, что никелид титана
представляет собой интерметаллидное соединение,						де атом ы никеля и титана
прочно связаны между собой, и			их диффузионная				подвижност сильно
огранич на. В нержавеющих сталях никель входит						состав неупорядоченного
твердого	раствора и	достаточно	легко перемещается в кристаллической
решетке и выходит за пределы			имплан ата.		Кр ме		того,	имплантаты	из
никелида	титана самопассивируются			плотной	пленкой		Ti O2 со структурой
анатаза, препятствующей коррози и			и дифф узии через себя ионов никеля.						Но
необходимо по мнить,		что высокая		б осовместимость				характерна	для
однородных по составу сплавов,			не	под ергаемых в			организме износу		от
148

контакта с другими материалами. Поэтому очень важно соблюдение технологии производства сплава и правил проектирования конструкции имплантата и его использования в медицинской практике. К сожалению это не всегда соблюдается, и часто применяются имплантаты из никелида титана, полученные самораспространяющимся высокотемпературным синтезом, в котором очень высока неоднородность химического состава (помимо никелида титана в материале может присутствовать и чистый никель). Контакт имплантата из никелида титана с нержавеющей сталью или кобальтовым сплавом, приводящий к образованию гальванической пары и интенсивной коррозии, также не допустим. В настоящее время производятся работы по снижению этих негативных явлений, например, с помощью защитных покрытий имплантатов и других видов обработки их поверхности.

Важной особенностью применения МПФ в медицине является его сверхупругое поведение при температуре тела человека. В таком состоянии имплантат способен к значительным изменениям своей формы под действием функциональной нагрузки. При этом жесткость имплантата (отношение действующей нагрузки к удлинению или сокращению имплантата) близка к жесткости биологических тканей (кости, хряща, связок), которые имплантат замещает или укрепляет (рисунок 6.19). Это очень важный показатель механической совместимости МПФ и материалов тканей [37, 38], и выгодно их отличает от конструкционных сплавов (сталей, кобальтовых и титановых сплавов).

149

а)		б)

Рисунок 6.1 9. Сравнение механического поведения биологи ческих структур и имплантатов из МПФ (механ ческая совместимость): механические с войства (а) и кривые нагрузки-разгрузки при 37°С (б) биологических ст уктур и фиксаторов различной формы из никелида титана.

Кроме того	сплав на	основе		никелида титана обладают высокой
деформационной циклостойкостью , позволяющей						м эксплуатироваться при
превыш нии упр гой деформации ( до 1,5%) в течение 106 108 циклов.
В настоящее время из никелида				ти тана	из отавливают		сверхупругие
инструменты и имплантаты [39 -			52]. Особенно ш роко они используются в
эндоваскулярной	хирургии.	В	этом	случае	имплантат или		инструмент
помеща ют в катетер малого диаметра и с помощью						эндоскопа через артерию

или другой полый орган доставляют к ме ту хиру гического вмешательства.

Конструкцию из никелид титана выталкивают в п лый орган,									где он за счет
сверхуп угости		стремиться		приоб рести исходную форму.				Пример м таких
констру ций	могут служить				стенты,	имеющие форму ци		линдра, которые
расширяют	область		сосуда		перекрытого		склеротической		бляшкой и
восстанавливают		кровоток		(рис нок		6.2 0а).	Аналогично	функционирует
литоэкстрактор,		помощью которого удаляют камни из мочеточника и почек
(рисунок 6.20в).		ля этого после прохождения катетером камн я из него выводят
ловушку в виде сетки,			в которую при выведении катетера попадает камень и
удаляют из орга низма.			Эффективно испол зуется проволочн ые элементы для
150