Ваши идеи - наше исполнение!

Сверхэластичные Ni-Ti сплавы с эффектом памяти sample формы - в науке, технике и медицине.

Первое сведения о применении сплавов с памятью формы датируется примерно в XV—XIII вв. до н. э: «… Бог спросил, что он держит в руке. Моисей ответил: «Жезл». «Брось его на землю», - сказал Бог, и жезл внезапно превратился в змея, но когда Моисей взял его в руки, он снова стал жезлом…». Это классический пример применения сплава с памятью формы с многообратимой памятью.

Сегодня библейские легенды превращаются в реальность. Современная история сплавов с памятью формы начинается в конце сороковых годов 20 века, когда когда Курдюмов Г.В. и Хандорсон Л.Г. заметили, что исследуемый ими сплав обладает эффектом памяти формы. Позже этот эффект был признан открытием и получил имя Курдюмова. Уникальный эффект памяти формы быстро получил известность по всему миру и к настоящему времени разработано более 120 сплавов, обладающих способностью к самовосстановлению. Это сплавы на основе металлических систем Au-Cd, Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, Fe-Mn-S, Fe-Ni, Cu-Al, Cu-Mn, Co-Ni, ,Ni-Ti, Ni-Al и других.

Эффекты памяти формы, обратимой памяти формы и сверхупругости в вышеназванных сплавах обусловлены макроскопическим отражением микро- и наноструктурных трансформаций кристаллической решетки при полиморфном аустенитно-мартенситном фазовом превращении первого рода и потому эти свойства сохраняются практически на всю жизнь существования конкретного изделия. В жизни реализация физических процессов в металле реализуется примерно следующим образом.

Если приложить небольшое механическое усилие, изделию из такого сплава в охлажденном мартенситном состоянии можно придать любую конфигурацию и даже растянуть на 7-8%, в ряде случаев и до 12%, относительной длины, словно резиновый жгут . Эта конфигурация будет сохраняться до тех пор, пока предмет не нагреют до температуры начала аустенитного превращения, и в процессе нагрева до температуры завершения аустенитного превращения сплав не перейдет в аустенитную фазу, полностью восстанавливая прежнюю форму и реализуя при этом эффект памяти формы.

Если ограничить внешнее воздействие на специальным образом обработанный элемент из сплава с памятью формы лишь нагревом и охлаждением в температурном интервале завершенных аустенитно-мартенситных превращений, то элемент станет самопроизвольно изгибаться, как при нагреве, так и при охлаждении, реализуя эффект обратимой памяти формы. При этом, как и оптимально загруженные силовые элементы любых металлических конструкций, этот элемент может иметь форму работающей на растяжение тонкой прямолинейной проволоки, которая способна практически бесконечно самопроизвольно деформироваться при нагреве и охлаждении на 2% относительной длины, генерируя при нагреве в сотни раз большие, чем биметаллические элементы той же массы усилия.

Эффект сверхупругости реализуется в изделии из сплава с памятью формы, находящемся в температурной зоне стабильного аустенитного состояния. Если при этом деформировать изделии из сплава с памятью формы, стимулируя тем самым мартенситное превращение при постоянной температуре путем принудительного силового воздействия, то после устранения этого воздействия элемент, словно пружина, полностью вернет себе исходную форму. С той лишь разницей, что в отличие от лучших пружин он будет иметь практически неисчерпаемый ресурс, и, имея форму прямолинейной струны, может быть сверхупруго деформирован на 7-8% относительной длины, запасая в десятки раз большую, чем традиционная пружина энергию.

Эффект памяти формы в сплавах, например, на основе Ni-Ti настолько четко выражен, что диапазон температур можно с больщой точностью регулировать от нескольких до десятков градусов, вводя в сплав различные дополнительные легирующие элементы. Кроме того, сплавы на основе Ni-Ti , получившие принятое название во всем мире название нитинол, достаточно технологичны в обработке, устойчивы к коррозии и обладают отличными физико-механическими характеристиками: например, предел прочности нитинола колеблется в пределах 770- 1100МПа, что соответствует аналогичным характеристикам большинства сталей, а демпфирующая способность выше чем у чугуна, высокая пластичность и способность вспоминать форму до миллиона раз. Поверхность нитиноловых элементов, как и у элементов из многих титановых сплавов, покрыта диоксидом титана, что предопределяет их высочайшую коррозионную стойкость к воздействию морской воды, рассолов, большинства кислот и щелочей. Полуфабрикаты из нитинола выпускаются в виде прутков, проволоки, труб и листов sample (Рис.1) Единственным недостатком нитнола является его весьма высокая стоимость производства полуфабрикатов , связанная с очень высокой окисляемостью титана, входящего в его состав.

Уникальное сочетание физико-механических свойств позволило использовать сплавы с памятью формы практически во всех областях , где могут использоваться металлические материалы,в том числе, в медицине, космосе, добывающей промышленности, производстве всевозможных температурных датчиков и приводов, робототехнике при создании тепломеханических устройств и отработке уникальных технологий и т.п.

Медицина:

- Перчатки, применяемые в процессе реабилитации, и предназначенные для реактивации групп активных мышц с функциональной недостаточностью (межзапястные, локтевые, плечевые, голеностопные и коленные суставы).

- Противозачаточные спиральки, которые после введения приобретают функциональную форму под воздействием температуры тела.

- Фильтры для введения в сосуды кровеносной системы. Вводятся в виде прямой проволоки с помощью катетера, после чего приобретают форму фильтров, имеющих заданную локацию.

- Зажимы для защемления слабых вен.

- Искусственные мышцы, которые приводятся в действие электрическим током.

- Крепежные штифты и динамические фиксаторы, предназначенные для фиксации протезов на костях (Рис.2). sample

- Искусственное удлинительное приспособление для так называемых растущих протезов у детей.

- Замещение хрящей головки бедренной кости. Заменяющий материал становится самозажимным под действием сферической формы (головки бедренной кости).

- Стержни для коррекции позвоночника при сколиозе.

- Временные зажимные фиксирующие элементы при имплантации искусственного хрусталика.

- Оправа для очков (нижняя часть). Вследствие эффекта сверхупругоси стеклянные и пластиковые линзы не выскальзывают при охлаждении. Оправа не растягивается при протирке линз и длительном использовании.

- Ортопедические имплантаты.

- Проволока для исправления зубного ряда.

- Нити для наложения хирургических швов.

- Пористые конструкции из нитинола для замещений дефектов костей и лечения инфицированных ран.

- Сетки для грыжеотсечения у людей и животных.

- Новый класс композиционных материалов «биокерамика-никелид титана» для ортопедической стоматологии (брикеты). В таких композитах одна составляющая (никелид титана) обладает сверхэластичностью и памятью формы, а другая сохраняет свойства биокерамики, в результате чего деформация является обратимой.

Тепловые датчики и сигнализация:sample

- Пожарная сигнализация (Рис.3), противопожарные заслонки.

- Сигнальные устройства для ванн.

- Сетевой предохранитель (защита электрических цепей).

- Устройство автоматического открывания-закрывания окон в теплицах.

- Бойлерные баки тепловой регенерации.

- Электронный контактор.

- Система для предотвращения выхлопа газов, содержащих пары топлива (в автомобилях).

- Устройство для удаления тепла из радиатора.

- Устройство для включения противотуманных фар.

- Регулятор температуры в инкубаторе.

- Регулирующие клапаны охлаждающих и нагревательных устройств, тепловых машин. Чувствительный клапан комнатного кондиционера (регулирует направление ветра в продувочном отверстии кондиционера).

- Кофеварка. Определение температуры кипения, а также для включения-выключения клапанов и переключателей.

- Электро-магнитный кухонный комбайн. Нагрев производится вихревыми токами, возникающими на дне кастрюли под действием магнитных силовых полей. О нагреве предупреждает сигнал, обусловленный действием термоэлемента из никелида титана.

- Герметизация корпусов микросхем.

- Электронная кухонная плита конвекционного типа. Используется датчик из никелида титана для переключения вентиляции при микроволновом нагреве и нагреве циркуляционным горячим воздухом.

- Изготовление разнообразного зажимного инструмента.

Космос:

- Антенны спутников Земли.

- Соединительные муфты, образующие вакуум-плотные соединения, для работы в открытом космосе. Соединительные муфты используются также в авиационной и автомобильной технике.

Робототехника. Создание роботов с плечевой опорой, локтевым шарниром, запястьем и захватом, имеющих пять степеней свободы. Сгибание запястья, сжимание и разжимание захвата обеспечиваются спиралями из сплава Ti - Ni, а действие шарнира и плечевой опоры - удлинением или сокращением проволоки из того же сплава. Положение руки и скорость действия регулируются прямым пропусканием тока с модулированной ширин ой импульса. Плавность действия робота обусловлена тем, что заданная величина усилия (силы восстановления памяти формы) соответствует величине регулируемого параметра (току). Действия робота приближаются к действию мускульного механизма.

Добывающая промышленность.Изготовление полностью автоматизированной интеллектуальной скважинной системы. На существующихпроизводственных мощностях осваивается выпуск высокотехнологичных и высокопроизводительных внутрискважинных устройств на основе конструкций из нитиноловых наноструктурных устройств и пленок, надежных в экстремальных условиях перепадов давлений и температур, компактных, простых в изготовлении и эксплуатации. Использование данных интеллектуальных скважин сделает рентабельным освоение новых труднодоступных месторождений со сложной геологией, возрождение нефтедобычи на законсервированных скважинах, что в итоге обеспечит снижение эксплуатационных затрат нефтяных компаний, расширение их ресурсной базы и повышение бюджетных доходов.

Другие применения. Нитинол используется в приводных устройствах самописцев. Входной сигнал самописца преобразуется в электрический ток, которым нагревается проволока из нитинола. За счет удлинения и сокращения проволоки приводится в движение перо самописца. Так как механизм привода очень прост, поломки случаются крайне редко. sample

Свойство сверхупругости сплавов с памятью формы используется для создания высокоэффективных пружин и аккумуляторов механической энергии, для создания сверхупругих сферических сегментов, срабатывающих при заданных температурах, антеннах для приемопередающей аппаратуры (Рис.4).

Первое массовое применение проволоки из нитинола было осуществлено в текстильной промышленности (каркасы для бюстгальтеров). К 1986 году таких изделий было произведено более 1,5 млн. штук.

Удивительный, высокотехнологичный, простой в изготовлении и использовании материал с памятью формы постепенно занимает все большее место в нашей жизни. Диапазон применения этих материалов увеличивается изо дня в день и сулит еще много интересного и важного. И можно с уверенностью сказать, что это материал будущего.

Для изготовления всех перечисленных выше устройств, да и не только их, используются прутки, трубки, проволока, листы из нитинола, успешно производимые ООО «НиТиМет Компани» (www.niti-met.ru), единственным на сегодняшний день производителем нитинола в Российской Федерации.

1. Ветхий Завет. Казни египетские. Жезл Моисея и жезл гнева Божия (Кн. Исход, гл. 4–11)

2. Лихачев В.А. и др. Эффект памяти формы. Л., Издательство ЛГУ.1987. 216 с.

3. Тихонов А.С. и др. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении. М., Машиностроение. 1981. 81 с.

4. Хачин В.Н. Память формы. М., Знание.1984. 62 с.

5. Ооцука К., Симидзу К., Судзуки Ю. Сплавы с эффектом памяти формы: Пер. с яп. / Под ред. Х. Фунакубо. М., Металлургия. 1990. 224 с.

6. Шишкин С.В., Махутов Н.А. Расчет и проектирование силовых конструкций на сплавах с эффектом памяти формы. Ижевск: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика». 2007. 412 с.

7. Сплавы с памятью формы в медицине. / В.Э. Гюнтер, В.В. Котенко, М.З. Миргазизов, В.К. Поленичкин, И.А. Витюгов, В.И. Итин, Р.В. Зиганьшин, Ф.Т. Темерханов. Томск: Изд-во Томского университета. 1986. 208 с.

8. Сверхэлластичные сплавы с эффектом памяти формы в науке, технике и медицине. Справочно-библиографические издание./ С.А Муслов, В.А. Андреев, А.Б. Бондарев, П.Ю. Сухочев. М., Издательский дом «Фолиум». 2010. 456 с.

9. Вебсайт ООО «НиТиМет Компани». [Электронный ресурс] NiTiMET COMPANY. URL: http://www.niti-met.ru/index.php (дата обращения: 12.02.2013).

10.

Сплавы с памятью формы [Электронный ресурс]// Векипедия. 2013. URL: http://ru.wikipedia.org/ (дата обращения: 12.02.2013).