Материал: Функциональные материалы в аэрокосмической технике. Ожерельев В.В., Костюченко А.В

Конструктивно тепловой привод состоит из силового блока, полезная работа которого совершается в процессе восстановления исходной формы предварительно деформированных элементов с эффектом памяти, и возвратного устройства, которое обеспечивает предварительную деформацию силовых элементов при их охлаждении.

На рис. 1.32 представлены схема и фотография устройства для раскалывания горных пород [5]. Термосиловой элемент 1 изготовлен из монокристаллов Cu-Al-Ni. Возвратное устройство 2 может быть реализовано либо за счет упругой деформации стальной винтовой пружины, либо на основе использования псевдоупругих свойств тех же монокристаллов Cu-Al1-′Ni, но находящихся в псевдоупругом аустенитном состоянии - фазы.

Химический состав сплавов и размеры монокристаллов подбирается таким образом, чтобы в исходном состоянии за счет псевдоупругого поведения возвратного элемента 2 силовой элемент 1, обычно имеющий двойниковую структуру мартенсита, был деформирован передвойникованием до монокристаллического состояния. В результате нагрева с помощью печи 3 монокристалл 1 испытывает обратное термоупругое мартенситное превращение, восстанавливается его исходная форма, растет реактивное напряжение по мере повышения температуры. При этом совершается полезная работа по преодолению сопротивления внешних сил, а также работа по сжатию псевдоупругого монокристалла – возвратного элемента 2. В процессе дальнейшего охлаждения происходит прямое мартенситное превращение и монодоменизация сжатием мартенситной фазы за счет возвратного элемента 2. Далее цикл повторяется.

На рис. 1.33 представлена конструкция теплового двигателя Гинеля с кривошипно-шатунным механизмом [6]. Данный двигатель действует при помощи шести спиралей из сплава TiNi и вращается при разности температур холодной и горячей сред 3-4 o C.

46

Тепловые датчики, терморегуляторы. Сплавы с ЭПФ могут служить основой температурных датчиков, срабатывающих при достижении определенной температуры. В качестве материалов с памятью в таких датчиках могут применяться высокотемпературные сплавы на основе никелида титана ТН1, ТНМ3 или титановые сплавы ВТ16, ВТ22И [3].

В терморегуляторах элементы из сплава с ЭПФ в зависимости от температуры окружающей среды многократно совершают необходимое действие, например, размыкают и замыкают электрическую цепь, регулируя таким образом температуру. В подобных могут использоваться материалы с двунаправленным эффектом памяти, однако во многих случаях используется материал с односторонним ЭПФ и противодействующий элемент из конструкционного сплава [3].

Примером терморегулятора может служить термостат, применяемый в системе охлаждения автомобильного двигателя (рис. 1.34) [6]. Переключающий клапан термостата обеспечивает при холодном двигателе циркуляцию охлаждающей жидкости внутри замкнутой системы, а при горячем – через радиатор.

Рис. 1.34. Автомобильный термостат: 1 – пружина смещения, 2 – спираль из сплава с ЭПФ, 3 – клапан

48

Микрозонды. На основе эффекта псевдоупругости были разработаны и внедрены в технологический процесс производства микрозонды для контроля электрических параметров полупроводниковых приборов и интегральных микросхем [5]. Схема использования микрозондов в процессе измерений приведена на рис. 1.35, а. На рис. 1.35, б представлена фотография кондуктора с жесткой топологией зондов, выполненных из псевдоупругих монокристаллов Cu-Al-Ni.

Обычно микрозонды изготавливают из вольфрама или сплавов на основе вольфрама. Их основной недостаток – высокая степень повреждаемости контактных площадок металлизации и высокий уровень контактного переходного сопротивления при малых нагрузках. Микрозонды из монокристаллов Cu-Al-Ni имеют низкое, не зависящее от приложенной к зонду нагрузки, переходное сопротивление 0,1-0,2 Ом, не повреждают металлизацию, в том числе и алюминиевую, обладают сравнимой с традиционными микрозондами износостойкостью, обеспечивают высокую степень воспроизводимости результатов измерений.

Рис. 1.35. Схема измерений с использованием псевдоупругих,

микрозондов (а) и кондуктор с жесткой топологией псевдоупругих контактов (б)

49

Сверхупругие антенны. Антенны представляют собой монолитные конические или цилиндрические штыри из псевдоупругих монокристаллов сплава Cu-Al-Ni диаметром от 1.5 до 5 мм и длиной до 600 мм. Псевдоупругие свойства таких антенн позволяют компактно их укладывать путем изгиба с радиусом кривизны до R=10d, где d – диаметр штыря, и автоматически разворачиваться в рабочее положение. Например, антенна диаметром 2 мм и длиной 600 мм может быть уложена в контейнер диаметром 40 мм и высотой 10 мм. Температурный диапазон применения антенн -500С – +500С. Аналогичные антенны японского производства, выполненные из сплава Ni-Ti, имеют, в о т- личие от монокристаллов Cu-Al-Ni, на порядок величины большее электрическоесопротивление и остаточную деформацию[5].

Антенны из монокристаллов Cu-Al-Ni нашли применение

впереносных радиостанциях на железнодорожном транспорте и

вмобильных средствах связи техники специального назначения. Применение в медицине. Исследования показали, что

сплавы Ti-Ni обладают высокой химической и биологической надежностью (сопротивление разложению, коррозии, биологическая совместимость, отсутствие токсичности, канцерогенности). В никелиде титана, представляющем собой интерметаллическое соединение, атомы титана и никеля прочно связаны и их диффузионная подвижность ограничена, что препятствует выходу ионов металла, способных оказать различное токсическое воздействие на клетки. Важно также, что имплантаты из никелида титана самопассивируются пленкой TiO2 (со структурой анатаза), препятствующей диффузии ионов никеля и коррозии [3].

Помимо требований безопасности имплантирования, используемые сплавы должны отвечать строгим ограничениям режима теплового воздействия: недопустим контакт ткани с сильно переохлажденными либо нагретыми имплантатами. В связи с этим предъявляются очень жесткие требования к температурному интервалу восстановления формы. Могут применяться спла-

50