Материалы с памятью формы: как они гнутся, восстанавливаются и трансформируются под действием тепла

Сегодня в нашем блоге мы рассмотрим вид материалов, значение которых неуклонно растёт — материалы с памятью формы.

Эти материалы обладают уникальной способностью: после деформации они могут восстановить свою исходную форму под воздействием внешнего стимула (обычно температуры). Как мы упоминали ранее в другой статье, это умные материалы.

В качестве примера: кому не приходилось гнуть вилку или булавку? Представьте, что достаточно положить их на батарею, чтобы они вернули свою первоначальную форму. С такими материалами это становится реальностью, и их преимущества не ограничиваются этим.

Что это такое?

Как уже говорилось, материалы с памятью формы после деформации способны восстановить исходную геометрию. При таком описании их поведение может напоминать эластичные материалы, но на деле они принципиально отличаются. Их уникальность в том, что после прекращения деформирующего воздействия изменённая форма сохраняется, и для возврата в исходное состояние необходимо повысить температуру материала.

Восстановление исходной формы при нагреве обусловлено изменением внутренней структуры материала. При низких температурах эти материалы имеют слоисто-волокнистую структуру, которая легко позволяет деформации, так как отдельные слои могут смещаться относительно друг друга; это состояние называется мартенситным. При нагреве материал переходит в более жёсткую кубическую структуру, которая больше не допускает перемещений и, следовательно, деформаций; это аустенитное состояние. Этот переход от слоистой к кубической структуре происходит с такой силой, что возвращает материал в исходную форму, устраняя все деформации. При повторном охлаждении материал снова приобретает слоистую структуру и может деформироваться вновь. Этот процесс обусловлен атомной структурой материала, поэтому он может повторяться бесчисленное количество раз без ухудшения свойств, что предотвращает, например, механические поломки из-за износа или усталости в датчиках или клапанах.

Для чего нужны материалы с памятью формы в производстве?

Для перевода материала из мартенситной фазы в аустенитную, как уже говорилось, необходимо повысить его температуру. Это можно сделать подачей тепла или, что очень удобно, подачей электричества. Тот факт, что температуру этих материалов можно повышать или понижать с помощью электричества, делает их идеальными кандидатами для использования в качестве актуаторов или датчиков. Восстановление деформаций всегда одинаково при одной и той же температуре, что позволяет использовать их как высокоточные актуаторы и датчики. Кроме того, деформации в таких материалах происходят быстрее, чем в других материалах, традиционно применяемых для этих целей.

Мы обсуждали, что материалы с памятью формы могут восстанавливать свою форму при нагреве, а затем снова деформироваться. Это удобно для некоторых применений, но в других, например в актуаторах, требуется переключение между двумя фиксированными положениями. Возможно ли это? Да, возможно, поскольку существуют материалы с двойной памятью формы при разных температурах. Это позволяет задать геометрию материала при двух разных известных температурах, что очень удобно.

Типы материалов с памятью формы

Наиболее широко используемые материалы с памятью формы — металлические. Среди них так называемый нити놀 (сплав никеля и титана) является одним из самых применяемых благодаря своим отличным свойствам. Существуют и другие металлические сплавы с памятью формы, например сплавы на основе меди, цинка и алюминия (Cu-Zn-Al); меди, алюминия и никеля (Cu-Al-Ni); железа, марганца и кремния (Fe-Mn-Si).

До недавнего времени такие материалы получали только металлическими, но исследования последних лет привели к появлению полимерных материалов с памятью формы. Благодаря своей полимерной природе они очень перспективны, например, в применениях, где требуются более лёгкие детали. Также материалы, меняющие форму или обладающие самоисцелением, имеют свойства, схожие с материалами с памятью формы.

Другие типы материалов с памятью формы, которые всё ещё изучаются и не получили широкого распространения — это керамические материалы с памятью формы и ферромагнитные материалы с памятью формы. Тем не менее, мы уверены, что в будущем все эти типы материалов окажут значительное влияние.

Применение

Ниже приведены примеры применения:

Одним из направлений, которое начинает активно развиваться прямо сейчас, является использование этих материалов для соединения труб без сварки. Принцип прост: берётся материал с памятью формы, помещается внутрь труб, затем на него воздействует тепло, чтобы он восстановил свою исходную форму с большим диаметром, тем самым надёжно зафиксировав трубы. Само давление, оказываемое материалом изнутри труб, обеспечивает их сцепление, и разъединить их очень трудно — в некоторых случаях они удерживают лучше, чем сварные швы.

Тот же принцип используется, например, в медицине для устранения закупорок в организме. Создаются небольшие стенты, которые вводятся в закупоренные вены или артерии, и при контакте с теплом тела расширяются, восстанавливая кровоток.

Это лишь некоторые применения в трубчатых геометриях, но сфера использования и возможных геометрий очень широка. Например, можно применять к кузовам автомобилей или самолётов, чтобы менять их геометрию в движении и тем самым улучшать аэродинамику, снижая расход топлива. Если думать об актуаторах, функция которых — перемещение из одного положения в другое, то великое большинство из них в будущем могут быть сделаны из материалов с памятью формы!

В настоящее время материалы с памятью формы можно найти в медицинском оборудовании и расходниках — от стоматологических имплантов до хирургических инструментов (их легко стерилизовать). Также в бытовых предметах, например, в лифчиках с косточками, которые используют тепло тела для восстановления формы, или в матрасах, восстанавливающих форму после деформаций при сидении. Благодаря лёгкости, прочности и способности работать при высоких температурах, они широко применяются в аэрокосмических компонентах, таких как ракеты и космические зонды.

Учитывая все возможные применения и преимущества, мы считаем, что в ближайшие годы эти материалы будут всё чаще встречаться в самых разных продуктах, часто даже незаметно для потребителя, так как они находятся на подъёме и изучаются всё глубже.

Вам была интересна статья? Хотите узнать больше о материалах с памятью формы? Не стесняйтесь и свяжитесь с нами!