Сплавы с памятью формы: Знаете ли вы о них? | MachineMFG

Сплавы с памятью формы: Знаете ли вы их на самом деле?

0
(0)

Развитие энергетики является важной областью применения сплавов с памятью формы. Используя свойство сплавов с памятью формы изменять форму при нагревании и охлаждении, можно напрямую преобразовывать в механическую энергию низкосортную тепловую энергию, такую как отработанное тепло, геотермальную энергию и солнечную энергию.

На основе этого принципа были успешно разработаны различные тепловые двигатели, что ускорило миниатюризацию и портативность тепловых двигателей.

В последние годы исследователи по всему миру разрабатывают материалы с функцией памяти, в первую очередь с памятью формы, температуры и цвета. Среди них наиболее быстрыми темпами развиваются материалы из сплавов с памятью формы.

Сплавы с памятью формы, действительно ли вы их знаете

Благодаря превосходным характеристикам и широким возможностям применения сплавов с памятью формы в таких областях, как автомобилестроение, робототехника, энергетика, медицинское оборудование и бытовая техника, они стали одним из ключевых новые материалы для развития в 21 веке.

Сплавы с памятью формы были первыми материалами, обладающими функцией памяти. В начале 1950-х годов специалисты Иллинойского университета в США в ходе эксперимента случайно обнаружили, что золото-кадмиевые сплавы обладают функцией памяти формы.

Позже было обнаружено, что индий-таллиевые сплавы также обладают подобным эффектом памяти, но из-за их высокой стоимости они не привлекли внимания. И только в 1963 году в Научно-исследовательском институте военно-морского вооружения США во время исследований никель-титановых сплавов было случайно обнаружено, что эти сплавы обладают значительным эффектом памяти формы.

Кроме того, они обладают множеством уникальных преимуществ, которых нет у других металлов, например, превосходной сверхэластичностью, коррозионной стойкостью и виброустойчивостью. Это открытие привлекло внимание исследователей, и началось его изучение.

В последние годы в связи с бурным развитием науки и техники появились сплавы с памятью формы, и было разработано несколько десятков сплавов с функцией памяти формы.

В настоящее время наиболее распространенными сплавами с памятью формы, используемыми на практике, являются сплавы серий никель-титан, медь и железо (или нержавеющая сталь).

I. Разработка сплавов с памятью формы

1. Никель-титановые сплавы с памятью формы

Никель-титановые сплавы являются одними из наиболее качественных и широко используемых материалов в сплавах с памятью формы. Они характеризуются хорошей пластичностью, прочностью с памятью формы, деформацией, коррозионной стойкостью, электрическим сопротивлением и стабильностью, но при этом имеют высокую стоимость.

Эти сплавы обладают как однонаправленной, так и двунаправленной памятью формы, а температурный диапазон, при котором они проявляют эти свойства, может быть расширен или уменьшен за счет усовершенствования сплава.

В последние годы многие страны работают над созданием ряда улучшенных никель-титановых сплавов путем добавления других элементов для дальнейшего улучшения их свойств и снижения стоимости. Например, добавление меди или ванадия, алюминия, хрома, циркония и следовых количеств кальция позволяет значительно повысить их прочность, обрабатываемость и режущую способность.

Кроме того, добавление редкоземельных элементов, а также бора, кремния, фосфора, серы и т.д. в сплавы никель-титан-медь может привести к созданию сплавов с памятью формы со значительно улучшенными характеристиками восстановления.

Японская компания Sumitomo Electric Industries производит эстетически привлекательные проволоки из сплавов с памятью формы, добавляя медь (или алюминий, цирконий, ванадий, кобальт, железо) в никель-титановые сплавы и вытягивая проволоку после обработка поверхностиОтвечает декоративным требованиям.

Японская компания Cantoku разработала проволоку из никель-титанового сплава диаметром в два раза меньше пряди волос, которая обладает хорошей композиционной и ткацкой способностью, эластичностью и термочувствительностью. Эти свойства делают ее широко применимой в таких областях, как автомобильные клапаны, водонагреватели, регуляторы воды, миниатюрные электрические терморегуляторы и бюстгальтеры.

2. Сплавы с памятью формы на основе меди

Сплавы с памятью формы на основе меди дешевле и проще в изготовлении, чем никель-титановые сплавы с памятью формы, поэтому они имеют значительный потенциал развития.

Однако прочность сплавов с памятью формы на основе меди уступает прочности сплавов с памятью формы на основе никеля и титана, а их способность к запоминанию быстро снижается при многократном нагреве.

Чтобы улучшить механические свойства сплавов с памятью на основе меди, небольшое количество титанВ сплав могут быть добавлены марганец, цирконий. Наиболее эффективным и широко используемым сплавом с памятью формы на основе меди является сплав медь-цинк-алюминий.

Этот сплав обладает высокой теплопроводностью и чувствителен к изменениям температуры, что делает его пригодным для изготовления термочувствительных компонентов. В таких странах, как США и Япония, медно-цинково-алюминиевые сплавы используются в автоматических открывателях окон для теплиц и детских садов, чтобы регулировать температуру в помещении.

Однако удельное сопротивление сплавов медь-цинк-алюминий ниже, чем у сплавов никель-титан, что делает их непригодными для использования в условиях электронагрева. Добавление железа или кремния может повысить их коррозионную стойкость.

Компания из Токио (Япония) успешно разработала медно-никель-алюминиевый сплав с эффектом памяти цвета. Этот сплав меняет цвет с красного на золотистый при различных температурах и может широко использоваться в производстве художественных изделий, украшений, игрушек и бытовой техники.

Сплавы с памятью формы, действительно ли вы их знаете

3. Сплавы с памятью формы на основе железа

Сплавы с памятью формы на основе железа недороги и распространены, что делает их более конкурентоспособными. Разработанные сплавы с памятью формы на основе железа включают железо-марганцевые сплавы, железо-платиновые сплавы и сплавы с памятью формы из нержавеющей стали.

При добавлении кремния в марганцевые сплавы можно получить железо-марганцево-кремниевые сплавы с хорошим эффектом памяти формы. Они обладают высокой прочностью, но плохой коррозионной стойкостью.

Добавление хрома позволяет значительно повысить их коррозионную стойкость. Сплавы с памятью формы на основе железа сегодня широко используются для производства трубных соединений, заклепок и других соединительных элементов, а также крепежа. Они не только просты в установке и эксплуатации, но также безопасны и надежны, что делает их перспективными функциональными материалами.

Недавно разработанные в Японии сплавы с памятью формы из нержавеющей стали не только обладают превосходными характеристиками восстановления формы и коррозионной стойкостью, но и демонстрируют хорошую обрабатываемость и устойчивость к высокотемпературному окислению.

Помимо основных компонентов - хрома, марганца, кремния и железа, эти сплавы содержат определенное количество никеля или кобальта, меди и азота.

Эти сплавы с памятью формы из нержавеющей стали можно плавить в традиционных сталеплавильных печах и изготавливать из них готовые изделия обычными методами, что делает их чрезвычайно универсальными.

II. Применение сплавов с памятью формы

Сплавы с памятью формы, благодаря своим превосходным свойствам, широко используются в устройствах автоматического управления, робототехнике, автомобильной промышленности, энергетике, здравоохранении и товарах повседневного спроса.

1. Использование в автомобильной промышленности, робототехнике и энергетике для автоматического управления

Сплавы с памятью формы выполняют функции температурных датчиков и исполнительных элементов, что делает их чрезвычайно чувствительными для автоматического управления. Одно из самых распространенных применений этих сплавов - тормоза.

В настоящее время в автомобильной промышленности используется более ста различных типов тормозов с памятью формы, в основном для управления двигателями, трансмиссиями и подвесками с целью повышения безопасности, надежности и комфорта.

Сплавы с памятью формы также используются в устройствах для предотвращения шума в системах механических коробок передач и в устройствах управления подачей топливного газа в двигатель. Эффект памяти и сверхэластичность этих сплавов могут применяться в датчиках перемещения и тормозах промышленных роботов.

Применение тормозов из сплавов с памятью формы в роботах дало обнадеживающие результаты. С помощью пружин из сплава с памятью формы и проволоки из этого сплава можно собирать небольших роботов. Контролируя сжатие сплава, можно открывать, закрывать и сгибать пальцы робота.

Управление положением, действиями и скоростью робота осуществляется путем прямого ввода импульсного тока переменной частоты в элемент сплава. Сила восстановления формы контролируется размером тока, что позволяет имитировать движения биологических мышц.

Кроме того, еще одной важной областью применения сплавов с памятью формы является развитие энергетики. Используя свойства сплавов с памятью формы, изменяющие форму при нагревании и охлаждении, можно напрямую преобразовывать низкосортную тепловую энергию, такую как отработанное тепло, геотермальную энергию и солнечную энергию, в механическую энергию для использования.

На основе этого принципа были успешно разработаны различные тепловые двигатели, что ускорило процесс миниатюризации и облегчения тепловых двигателей.

2. Использование в медицинских изделиях для лечения стоматологических и сосудистых заболеваний

Сверхэластичность, биосовместимость и нетоксичность сплавов с памятью формы обусловили их успешное применение в медицине.

В стоматологии сплавы с памятью формы могут использоваться для создания искусственных корней зубов, выравнивателей зубов и зубных коронок. Искусственный зуб фиксируется на десне из никель-титанового сплава, а под ним располагаются двухслойные корневые листы из сплава.

В ходе хирургического вмешательства эти корневые листы сжимаются вместе при низких температурах и имплантируются в альвеолярную кость. Под воздействием температуры тела корневые листы разворачиваются и восстанавливают свою первоначальную форму восьмерки, прочно закрепляясь в альвеолярной кости.

Эти искусственные корни зубов устойчивы к коррозии и биосовместимы и широко используются в стоматологии.

Кроме того, сплавы с памятью формы используются в качестве проволоки для выравнивания зубов, которая по своим характеристикам превосходит проволоку из нержавеющей стали. Благодаря сверхэластичности клипсы из сплава с памятью формы могут сохранять свою упругость в течение длительного времени, исключая необходимость замены из-за релаксации упругости.

Такая долговременная эластичность позволяет сократить период лечения. Сплавы с памятью формы также используются для изготовления зубных коронок, которые могут автоматически регулироваться по мере развития зубов ребенка, уменьшая дискомфорт и боль при ношении зубных коронок.

Медицинские устройства для лечения сосудистых заболеваний, изготовленные из никель-титановых сплавов с памятью формы, имеют множество преимуществ.

Например, нож для удаления сосудистых эмболов, изготовленный из сплава с памятью формы, может быть обработан при низкой температуре для придания ему цилиндрической формы.

При введении в кровеносные сосуды пациента и нагревании до температуры тела лезвие ножа автоматически сплющивается благодаря эффекту памяти формы, и, вращая его, можно удалить сосудистые эмболы или отложения.

Медики также успешно провели операции по удалению аневризмы головного мозга с помощью зажима, изготовленного из комбинации проволоки из сплава с памятью формы и серебряной проволоки.

3. Использование в бытовых приборах

Сплавы с памятью формы также широко используются в бытовых приборах, таких как пищевые нагреватели, кондиционеры и рисоварки.

Японская корпорация Sharp использует компоненты из сплава с памятью формы для управления переключением между микроволновым и конвекционным нагревом в подогревателях для пищевых продуктов, что позволяет значительно уменьшить объем и вес подогревателей и снизить затраты на две трети.

Корпорация Panasonic использует сплавы с памятью формы для производства кондиционеров двойного назначения с устройствами для преобразования направления ветра.

Направление ветра чувствительно меняется: при температуре ветра 32-37°C он дует вниз; при снижении температуры ветра до 25-32°C он автоматически переключается на горизонтальный ветер.

Это устройство отличается стабильностью, легкостью, низкой стоимостью и отсутствием шума при открывании ветровой двери, что делает его популярным среди пользователей. Сплавы с памятью формы также широко используются для изготовления термостатов для электрических рисоварок.

При повышении температуры он автоматически размыкает и отключает цепь. Когда температура упадет до определенного уровня, он снова подключит питание и будет автоматически поддерживать температуру.

III. Сплавы с памятью формы продвигаются к коммерциализации

В последние годы на рынке стали появляться изделия с "памятью", изготовленные из различных сплавов с памятью формы, и все большее их количество входит в повседневную жизнь. Применение сплавов с памятью формы все дальше продвигается к коммерциализации.

Бюстгальтер с "памятью", выпущенный японской компанией по производству товаров повседневного спроса, сразу же полюбился женщинам, как только появился на рынке. Этот бюстгальтер изготовлен из тонкой и мягкой проволоки из никель-титанового сплава с памятью формы, которая легче, мягче, эластичнее и удобнее, чем традиционные бюстгальтеры.

Его главное преимущество заключается в том, что он может вернуть свою первоначальную форму благодаря датчику температуры тела, даже если он деформируется после стирки.

Японская компания Furukawa Electric Co., Ltd. производит оправы для очков из сплава с памятью формы, которые могут менять форму при расширении и сжатии линзы, сохраняя плотное соединение с ней. Компания также производит кукол, которые могут менять прически, используя уникальные свойства сплавов с памятью формы.

Волосы куклы сделаны из проволоки из сплава с памятью формы на основе меди, и прическа может меняться при изменении температуры, что делает ее чрезвычайно популярной среди детей.

Японский производитель обуви представил первые в мире кожаные туфли, изготовленные с использованием сплавов с памятью формы, которые не только мягкие и удобные, но и эффективно предотвращают деформацию обуви.

Развитие энергетики является важной областью применения сплавов с памятью формы. Используя свойство сплавов с памятью формы изменять форму при нагревании и охлаждении, можно напрямую преобразовывать в механическую энергию низкосортную тепловую энергию, такую как отработанное тепло, геотермальная энергия и солнечная энергия.

На основе этого принципа были успешно разработаны многочисленные тепловые двигатели, что ускорило процесс миниатюризации и портативности тепловых двигателей.

Насколько публикация полезна?

Нажмите на звезду, чтобы оценить!

Средняя оценка 0 / 5. Количество оценок: 0

Оценок пока нет. Поставьте оценку первым.

Так как вы нашли эту публикацию полезной...

Подписывайтесь на нас в соцсетях!

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Прокрутить вверх