В новый век – с новыми высокими технологиями, способными вывести Украину на новые рубежи
ВИРТУАЛЬНЫЕ ЧУДЕСА "ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ
МАТЕРИАЛОВ"
ВИРТУАЛЬНЫЕ ЧУДЕСА
"ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ"
В новый век – с новыми высокими
технологиями, способными вывести Украину на
новые рубежи
XXI век – это век развития
наукоемких отраслей промышленности, связанных с
использованием высоких технологий. Наукоемкие
отрасли сегодня, как правило, входят в число
наиболее быстро растущих секторов экономики в
большинстве развитых стран мира. Общий объем
мирового рынка продукции наукоемких отраслей
оценивается в настоящее время примерно в 2,5-3
трлн. USD в год, причем производство такой
продукции в мире обеспечивают всего 50
макротехнологий. Сегодня семь наиболее развитых
стран, обладая 46 макротехнологиями, контролируют
80% этого рынка. США ежегодно получают от экспорта
наукоемкой продукции 700 млрд. USD, ФРГ – около 530
млрд., Япония – более 400 млрд. На этом рынке
постоянно ведется жестокая конкурентная борьба,
и США за последние шесть лет потеряла приоритет в
восьми макротехнологиях. Почему бы и Украине не
найти свою нишу в экспорте высоких технологий в
новом тысячелетии?
На современном этапе в
промышленности за рубежом наибольшим динамизмом
отличаются наукоемкие подотрасли
машиностроительного комплекса: производство ЭВМ
(в том числе микропроцессоров, периферийного
оборудования и программного обеспечения),
телекоммуникационного оборудования,
ракетно-космической технологии, промышленных
роботов и средств автоматизации. Именно эти
производства определяют основные направления
НТП не только в машиностроении, но и в
промышленности в целом. В США в 1999 году только за
счет развития информационных технологий была
достигнута пятая часть прироста ВВП страны.
Наукоемкие отрасли не только показывают
наиболее высокие темпы роста, но и стимулируют
динамическое развитие смежных промышленных
отраслей и производств.
Для Украины сегодня крайне
актуальна интеграция в мировой рынок наукоемких
технологий. У нас сейчас почти отсутствует
платежеспособный спрос на часть наукоемкой
продукции, что приводит к застою и старению
наиболее передовой технологической базы. По
данным Центра экономической конъюнктуры при
правительстве РФ, если Россия сможет в XXI веке
завоевать 3-4% мирового рынка наукоемкой
продукции, то это позволит принести в казну 120-180
млрд. USD в год.
В эпоху виртуальных чудес, когда
практически не осталось ничего, что могло бы
вызвать удивление наших современников, вдруг
обнаруживается, что такие области науки, как
металловедение, скрывают в себе тайны и
неизведанные возможности, способные радикально
изменить нашу жизнь даже на бытовом уровне.
Использование так называемых
"интеллектуальных материалов" (по-английски
smart materials) делает сегодня возможным реализовать
на практике фантастические, но от этого не менее
реальные в плане практического воплощения
технические решения. Наиболее амбициозный
проект, использующий необычные свойства
"интеллектуальных материалов", ставит своей
целью создать так называемый "умный дом".
Реальные планы разработчиков намного превзошли
фантазии сказочников о скатерти-самобранке или о
печи, которая "сама пекла калачи". Кроме
возможности включать и выключать бытовые
приборы по сигналу, полученному из-за пределов
дома, "умный дом" должен уметь поддерживать
заданный микроклимат в помещениях и
обеспечивать их вентиляцию, обладать надежной
защитой от непрошеных посетителей, имитировать
присутствие хозяина, управлять работой
сантехники и нагревательных устройств (скажем,
приготовить теплую ванну к приходу хозяина или
нагреть сауну) и многое другое.
Научно-технические достижения,
технологические прорывы последней четверти XX
века были бы невозможны без успехов
фундаментальной науки, которые позволили
вплотную подойти к созданию материалов с
управляемыми функциональными свойствами,
являющихся прототипами "интеллектуальных
материалов" будущего. К ним относятся, прежде
всего, прецизионные сплавы для электроники,
информатики, биотехнологии и микрохирургии.
По определению ряда
специалистов, "интеллектуальным" должен
быть такой объект, который обнаруживает себя
(сенсорная функция), вырабатывает собственные
суждения и делает выводы (процессорная функция),
дает себе инструкции и выполняет их
(исполнительная функция). По отношению к
"интеллектуальным материалам" эти
требования в общем виде могут быть
сформулированы так: внешние факторы должны
вызывать в них определенные и заранее известные
изменения их функциональных свойств, которые
будут служить откликами на эти воздействия. Эти
изменения функциональных свойств могут быть
использованы затем для приведения в действие
различных устройств или для формирования
управляющих сигналов для других приборов.
Развитие "интеллектуальных
материалов" диктовалось потребностями
высокотехнологичных наукоемких отраслей
хозяйства. Они применяются для решения сложных,
принципиально новых задач, которые не могут быть
решены с применением старых, хорошо известных
физических принципов. Например, в области
медицины ведут интенсивный поиск материалов,
обладающих набором функций самоконтроля с целью
их использования для диагностики, в системах
дозированной выдачи лекарств, для создания
искусственных органов, имплантантов, аортальных
клапанов и т.п. Для авиакосмической,
энергетической, машиностроительной и других
отраслей промышленности изыскивается
возможность создания высоконадежных материалов,
эксплуатируемых в жестких и экстремальных
условиях. Причем понимаемая в этом случае
"надежность" отличается от традиционной,
поскольку исследования направлены, прежде всего,
на получение материала, способного к
самодиагностике любого дефекта и его устранению
или уведомлению о вероятном сроке службы детали
с целью предотвращения возможной аварии.
Трудности при этом состоят в
необходимости учета всего многообразия
требований к таким материалам, в получении
принципиально новых служебных свойств, в
обеспечении их достаточного уровня для решения
новой задачи. Кроме того, необходимо установить
закономерности изменения новых служебных
характеристик под воздействием различных
факторов. Положение осложняется большим
разнообразием конкретных, нередко
противоречивых требований к свойствам даже по
качественным показателям. Часто создаваемый
объект должен демонстрировать в условиях
эксплуатации прямо противоположную реакцию на
сходные внешние воздействия, например, быть то
упругим, то пластичным в зависимости от этапа
функционирования. Поэтому знания о диапазоне
возможных значений соответствующих
характеристик материала и умение управлять ими с
целью получения оптимальных вариантов поведения
на каждом этапе службы являются важнейшими
компонентами при конструировании
"интеллектуальных материалов".
Среди материалов с уникальным
сочетанием физико-механических свойств, не
имеющих аналогов среди всех других известных
веществ, особое место занимают сплавы с эффектом
памяти формы (ЭПФ), которые, по мнению
специалистов, являются наиболее
представительным прототипом
"интеллектуальных материалов" будущего.
Внешним проявлением ЭПФ является способность
изделий, изготовленных из некоторых материалов,
при нагревании частично или полностью устранять
приобретенную в определенных условиях
деформацию. Структурное состояние этих сплавов,
а, следовательно, и их свойства, можно
многократно изменять под действием таких
внешних факторов, как температура, давление,
магнитное и электрическое поле, а также за счет
взаимодействия со средой, например, с водородом в
гидридообразующих металлах. Все эти внешние
воздействия можно задействовать в любом
сочетании и в любой последовательности.
Под воздействием перечисленных
факторов сплавы с ЭПФ удается переводить из
аустенитной в мартенситную или смешанную
аустенитно-мартенситную структуру, можно
переориентировать спины электронов, изменять
направление поляризации, цвет поверхности,
демпфирующие и физико-механические свойства
этих материалов. Если учесть, что, помимо
изменения свойств, такие сплавы способны
адаптироваться к внешним условиям путем
изменения геометрических размеров, например,
формы конкретного изделия, то легко увидеть
перспективу создания различных приводов из
сплавов с ЭПФ, в которых они будут выполнять
сенсорную, процессорную и исполнительную
функции одновременно. Такие приводы получили
название актуаторов с ЭПФ.
Наиболее типичными
представителями сплавов с ЭПФ являются никелид
титана, алюминиевые латуни и бронзы специальных
составов, а также некоторые сплавы на основе
железа.
Удельная работоспособность
лучших сплавов с ЭПФ за один ход привода может
составлять до 10 МДж/см3. Прямыми экспериментами
установлено, что обратимые деформации
мартенситных кристаллов можно инициировать
сколь угодно медленно, а при необходимости и
очень быстро – за время всего лишь в несколько
микросекунд. Выделяемая удельная мощность в
рекордных случаях будет составлять до 103-104
кВт/см3. Такой показатель практически недостижим
в любом из известных технических устройств
многократного действия. В стесненных условиях,
когда возврат деформации запрещен, сплавы
генерируют реактивные напряжения до 800 МПа, а в
отдельных случаях и больше.
Это дает возможность получения
больших усилий. Например, стержень диаметром 1 см
позволяет создать силу в приводе в несколько
тонн. Относительные деформации, характеризующие
эффект памяти формы, составляют обычно 3-8%. Эти
деформации могут быть какого угодно характера: в
виде кручения, растяжения, изгиба и т.д.
Внутреннее трение в двухфазном состоянии в
никелиде титана оказывается в 2-4 раза выше, чем в
мартенситном и на порядок больше, нежели в
аустенитном состоянии.
Латунь и бронзы с памятью формы
удается в узком диапазоне изменения температуры,
не превышающем 40оС, обратимо переводить из
хрупкого в пластичное состояние, а из
нормального упругого в резиноподобное с
изменением при этом цвета с оттенка, присущего
чистой меди, до золотисто-желтого, как у латуни.
Здесь один внешний фактор управляет тремя
характеристиками.
В ферритном сплаве Fe-Cr-Al
изменение температуры в диапазоне от 0 до 40°C
сопровождается обратимым переходом металла из
хрупкого состояния в пластичное (ударная
вязкость колеблется от 3 до более чем 360 Дж/см2), а
воздействие магнитного поля – из
высокодемпфирующего в низкодемпфирующее. В
данном случае каждый внешний фактор оказывает
влияние на свою характеристику независимо друг
от друга.
Отрадным является еще тот факт,
что некоторые сплавы с ЭПФ хорошо сопротивляются
действию агрессивных сред, обладают повышенной
износостойкостью, активно противостоят
кавитации, легко переносят удары, имеют
биологическую совместимость с человеческим
организмом.
Перечисленные свойства далеко
не исчерпывают потенциальные возможности
сплавов с ЭПФ. Однако сказанного достаточно,
чтобы выделить основные особенности применения
этих материалов в изделиях новой техники.
Приводные устройства из сплавов
с ЭПФ отличаются простотой конструкции,
допускают реализацию в одном исполнительном
органе практически любых пространственных
траекторий движения выходного звена. Они не
нуждаются в смазке и в состоянии работать в
условиях вакуума, невесомости, жидкой и
агрессивной среды. Эти свойства сплавов с ЭПФ
были использованы для развертывания на орбите
двух кольцевых каркасов диаметром 20 метров
каждый, которые были установлены на внешней
поверхности грузового корабля "Прогресс-40"
в марте 1989 года. В принципе, управляемое
раскрытие конструкций возможно и с помощью
электродвигателей. Но тогда в условиях космоса
возникают проблемы обеспечения надежности
работы электродвигателей в широком интервале
температур и в вакууме. Использование сплавов с
ЭПФ решает проблему развертывания
крупногабаритных конструкций элегантно и
надежно.
Приводы из сплавов с ЭПФ в
состоянии нормально работать при необходимости
получения очень медленных законов движения.
Такие медленные перемещения часто необходимы в
медицине, например, при применении стержня
Харинтона, изготовленного из никелида титана для
коррекции позвоночника при его искривлении. По
сравнению с обычным, стержень из сплава с ЭПФ
может создавать корректирующее усилие таким
образом, что отпадает необходимость в повторной
операции.
Делаются попытки применить
сплавы с ЭПФ для искусственных мышц
искусственного сердца. Нагрев проволоки из Ni-Ti
осуществляется прямым пропусканием импульсного
тока. Проволока из этого материала используется
также в качестве приводного элемента в
миниатюрных насосах для подачи жидких
лекарственных препаратов для искусственных
органов человека. Обычной медицинской практикой
в последние годы стало применение фильтров из
сплавов с ЭПФ для улавливания сгустков крови в
кровеносных сосудах, а также извлечение
конкрементов из желче- и мочевыводящих путей при
помощи ловушек из никелида титана. В этих случаях
проволоке первоначально придают такую форму, что
она может служить ловушкой, и в таком состоянии
проводят обработку на запоминание формы. При
охлаждении проволоку прямолинейно вытягивают и
вводят в вену или в другие полые органы с помощью
катетера. Введенная в тело человека проволока
нагревается его теплом и принимает сложную форму
ловушки. Преимуществом этого метода является то,
что операция осуществляется под местной
анестезией. Она проста, осуществляется быстро и
безопасно.
Кроме того, что приводы из
сплавов с ЭПФ не имеют конкурентов по
массо-габаритным характеристикам,
робототехнические системы из этих материалов
способны выполнять свои функции при аварийных
отключениях источников энергоснабжения за счет
энергии окружающей среды или энергии,
аккумулированной в специальных накопителях. Это
открывает хорошие перспективы для применения
сплавов с ЭПФ в системах аварийной защиты
ядерных реакторов и в других устройствах в
энергетике.
Как уже отмечалось, главной
отличительной особенностью роботов с элементами
с ЭПФ являются их малые размеры. Однако не менее
важна и плавность их действия. Это связано с тем,
что заданная величина силы исполнительного
элемента (силы восстановления формы)
соответствует регулируемой величине тока, при
помощи которого происходит его нагрев. Поэтому
действия робота приближаются к действиям
биологического мускульного механизма.
Большие возможности
"интеллектуальные сплавы" с ЭПФ открывают
для авиации.
В последние годы активно
ведутся работы по созданию неразрезных
адаптивных крыльев летательных аппаратов для
обеспечения уникальных летно-технических
характеристик. Неразрезные адаптивные крылья
представляют собой конструкцию, выполненную из
композиционных материалов в виде панелей,
армированных волокнами или лентой из сплава с
ЭПФ. Под действием нагрева и охлаждения верхней и
нижней панелей крыла происходит управление
кривизной профиля крыла. Данное техническое
решение в сравнении с аналогами (активными
разрезными крыльями, например у самолетов Су-27,
F-111) позволит снизить аэродинамическое
сопротивление, уменьшить массу конструкции
крыла и органов управления, расположенных на
крыле, обеспечит полет на максимальных значениях
аэродинамического качества. Прогнозируется, что
использование на самолетах неразрезных
адаптивных крыльев с применением
"интеллектуальных материалов" с ЭПФ даст
возможность увеличить массу целевой нагрузки на
каждом рейсе дальнемагистрального самолета от 20
до 50%.
Можно было бы и дальше
перечислять примеры узкоспециального
применения сплавов с ЭПФ в различных отраслях
техники. Главный вопрос сегодняшнего дня состоит
в востребованности этих новых материалов
промышленностью Украины, в сохранении и
преумножении накопленного в нашей стране
научно-технического потенциала в этой области на
должном уровне. От того, насколько удастся решить
эту сложную задачу, будет зависеть место нашей
страны в мировом сообществе в предстоящем XXI
веке.