МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский государственный технический университет»
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ
Учебное пособие
Воронеж 2019
УДК 539.1:544.652:629.7(075.8)
ББК 22.36:31.234:39.62я7 Ф947
Рецензенты:
кафедра естественных дисциплин Воронежского государственного университета инженерных технологий
(зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. Г. В. Калашников); д-р физ.-мат. наук, проф. Б. М. Даринский
Авторский коллектив:
В. В. Ожерельев, А. В. Костюченко, В. А. Небольсин, В. А. Юрьев, Е. Н. Федорова
Функциональные материалы в аэрокосмической тех-
нике: учебное пособие [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые и граф. данные (3,7 Мб) / В. В. Ожерельев [и др.] – Ф947 Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2019. – 1 электрон. опт. диск (CDROM): цв. – Систем. требования: ПК 500 и выше; 256 Мб ОЗУ; Windows XP; SVGA с разрешением 1024x768; Adobe Acrobat;
CD-ROM дисковод; мышь. – Загл. с экрана.
ISBN 978-5-7731-0760-6
Рассматриваются физика и технология функциональных материалов, применяемых в аэрокосмической технике.
Издание соответствует требованиям ФГОС ВО по направлению 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов» (профиль «Физическое материаловедение»), дисциплине «Функциональные материалы» для студентов очной формы обучения.
Ил. 78. Табл. 1. Библиогр.: 24 назв.
УДК 539.1:544.652:629.7(075.8) ББК 22.36:31.234:39.62я7
Издается по решению учебно-методического совета Воронежского государственного технического университета
ISBN 978-5-7731-0760-6 |
© ФГБОУ ВО «Воронежский |
|
государственный технический |
|
университет», 2019 |
По своему назначению материалы можно условно разделить на следующие группы [1-3]:
-конструкционные, обеспечивающие целостность, несущую способность конструкций и изделий (основными характеристиками, в зависимости от условий эксплуатации, являются: предел прочности, предел текучести, предел длительной прочности (ползучести), предел выносливости и др.);
-жаропрочные – конструкционные материалы, изделия из которых могут эксплуатироваться при повышенных температурах (повышенные требования к сопротивлению ползучести, длительной прочности);
-инструментальные, предназначенные для изготовления различного обрабатывающего инструмента (основные требования – высокая твердость, прочность и износостойкость, теплостойкость, т.е. сохранение высокой твердости при нагреве, возникающем в процессе резания);
-специальные – разновидности сплавов указанных выше групп, к которым предъявляются повышенные требования по определенным механическим, физическим или химическим свойствам (электротехнические, магнитные сплавы и др.).
Также по своему назначению все материалы можно разделить на две большие группы – конструкционные, упомянутые выше, и функциональные материалы.
К функциональным относят материалы, для которых характерно наличие ярко выраженного физического свойства, которое используется при конструировании различных устройств
иизделий [2].
Среди функциональных материалов, номенклатура которых постоянно растет, можно выделить [2]:
- материалы с особыми физическими свойствами, в частности, электрическими (проводники, полупроводники, изолято-
3
ры, сверхпроводники), магнитными (магнитомягкие и магнитотвердые ферромагнетики), тепловыми (термоэлектрические материалы, материалы с аномальными температурными зависимостями термического расширения), ядерными (ядерное топливо, поглотители нейтронов, поглотители ядерного излучения), оптическими и др.;
-материалы с особыми физико-химическими свойствами (аккумуляторы энергии, катализаторы);
-«материалы с интеллектом» (smart material), включают различные сенсорные материалы, преобразующие внешнее воздействие в изменение свойств или размеров (пьезоэлектрики, термоэлектрические, электрохимические, газочувствительные, сцинтилляционные, термочувтсвительные и др. материалы), к данным материалам относятся сплавы с эффектами памяти формы (способностью восстанавливать деформацию до исходной формы при нагреве) и псевдоупругости (сверхупругости).
В настоящем учебном пособии рассматриваются следующие виды функциональных материалов:
1) металлические сплавы с эффектами памяти формы и псевдоупругости;
2) нитевидные кристаллы;
3) термоэлектрические материалы.
4
1. СПЛАВЫ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ
Суть эффекта памяти формы (ЭПФ) состоит в следующем [1-4]. Из сплава с ЭПФ изготавливают путем литья или горячей обработки изделие некоторой формы, эта форма сохраняется после охлаждения. Для данного материала существует некоторая критическая температура, ниже которой материал легко деформируется. Если провести неупругую деформацию ниже этой температуры, а затем деформированное изделие нагреть, оно полностью или частично восстанавливает исходную форму
(рис. 1.1).
Еще одним проявлением памяти является обратимый эффект памяти формы: после соответствующего «обучения» сплавы с памятью могут принимать одну форму при нагреве, а другую – при охлаждении. В определенном температурном интервале сплавы с памятью проявляют «резиноподобную» способность претерпевать обратимые деформации, значительно (на 1-2 порядка) превышающие их предел текучести. Данный эф-
фект получил названиепсевдоупругости (ПУ) или свехупругости.
ЭПФ был обнаружен в 1951 г. Л. Чангом и Д. Ридом в сплаве Au-Cd в 1951 г., на его основе был изготовлен тепловой двигатель. Серьезный всплеск интереса к данному эффекту был вызван открытием в 1962 г. У. Бюгером и Ф. Вангом ЭПФ в сплаве Ti-Ni эквиатомного состава (50 ат. % Ti – 50 ат. % Ni). Данный материал получил название «нитинол» («нол» – от названия лаборатории).
В дальнейшем было установлено, что в основе эффекта памяти лежат особенности т.н. термоупругого мартенситного превращения, открытого в 1948 г. в СССР Г. В. Курдюмовым и Л. Г. Хандросом в сплаве Cu-Al и представляющего собой эффект обратимого перемещения межфазной границы мартенсит-
5