Более чем за сорок лет освоения космического пространства полеты в космос воспринимаются как нечто обыденное. Только ограниченный круг специалистов знает, что для сборки и разворачивания крупногабаритных космических конструкций используют сплавы, которые обладают эффектом памяти формы.

СПЛАВЫ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ – СОСТОЯНИЕ
ВОПРОСА И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

СПЛАВЫ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ –
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

Григорий ЗАТУЛЬСКИЙ, Геннадий ЗАК,
Национальный технический университет Украины
"Киевский политехнический институт"

Более чем за сорок лет освоения
космического пространства полеты в космос
воспринимаются как нечто обыденное. Только
ограниченный круг специалистов знает, что для
сборки и разворачивания крупногабаритных
космических конструкций используют сплавы,
которые обладают эффектом памяти формы.

Материалы с таким замечательным
эффектом находят и чисто земное применение.
Причем область их использования достаточно
обширна и распространяется от изготовления
оправ очков до систем безопасности атомных
реакторов. Что же представляют собой материалы с
эффектом памяти формы?

Это новый класс материалов, способных при
изменении температуры возвращать значительные
неупругие деформации, проявлять резиноподобную
упругость, осуществлять преобразование тепла в
механическую работу и т.д. Совокупность подобных
явлений обычно объединяют одним термином –
эффект памяти формы (ЭПФ).

Явление термоупругого равновесия фаз при
мартенситном превращении, которое лежит в основе
проявления эффекта памяти формы, было открыто в
1949 году в институте металлофизики АН УССР Г.В.
Курдюмовым и Л.Г. Хандросом.

Мартенситные превращения впервые обнаружены
немецким металловедом А. Мартенсом (1850-1914 гг.) в
метеоритном железе. Теперь мартенситными
принято называть обширный класс бездиффузионных
превращений, для которых типичны: слабая
зависимость температур начала и окончания
превращения от скорости изменения температуры;
чаще всего, обратимый характер превращения;
заметный гистерезис температур прямого и
обратного превращений; существенное влияние на
эти температуры механических напряжений и ряд
других признаков.

Сплавы с ЭПФ обладают следующими основными
свойствами, определяющими их потенциал и
перспективу применения:

· выполнение работ при нагревании в узком
интервале температур;

· развитие больших усилий в процессе
восстановления формы;

· восстановление формы при нагреве после
различных видов предварительной деформации (при
удлинении, сжатии, кручении, изгибе);

· высокая демпфирующая способность (30-40%);

· сверхупругость до 6%, в то время как эта величина
для обычных пружинных сталей не превышает 0,2%.

С развитием этого класса материалов появилась
возможность аккумуляции и трансформации усилий.
Если материал с ЭПФ предварительно
продеформировать некоторым усилием при
температуре ниже окончания прямого
мартенситного превращения, то при нагреве в
условиях жесткого внешнего противодействия
разовьется реактивное усилие в среднем в 5-10 раз
большее, чем усилие деформиро-

вания.

Представляется важным то, что для приведения в
действие устройств из материалов с ЭПФ не
требуются значительные разогревы. Чаще всего
цель достигается посредством солнечной
радиации, климатических либо суточных перепадов
температур, горячей воды, тепла живого организма
и т.п.

Созданию устройств-преобразователей тепловой
энергии в механическую работу на основе
материалов с ЭПФ уделяется большое внимание.
Успешное решение этой проблемы позволит создать
экологически чистые преобразователи энергии,
функционирующие от низкокалорийного топлива.
Источники низкотемпературной тепловой энергии
так широко распространены и доступны, что их
использование даже на доли процента позволило бы
получить существенную прибавку к мировому
энергетическому балансу.

Свойство металла многократно восстанавливать
форму и тем самым производить работу в
устройствах циклического действия применяется в
так называемых мартенситных двигателях, где
рабочим телом как раз и являются материалы с ЭПФ.
В простейшем варианте преобразование тепла в
механическую работу материалами с памятью формы
достигается реализацией двухтактного режима. В
первом такте, который условно можно назвать
подготовительным, сплаву сообщают деформацию,
затрачивая при этом работу. Во втором (рабочем)
такте деформацию возвращают посредством
нагрева. При наиболее типичных режимах
функционирования материала деформация,
сообщенная на первом этапе, полностью
восстанавливается на втором, а напряжения,
требующиеся для предварительного
деформирования, существенно меньше напряжений,
противодействующих возврату. Поэтому
затраченная на первой стадии работа оказывается
меньше работы, производимой в такте нагрева.
Разность работ определяет степень
преобразования тепла в механическую работу.

Совмещая силовые и деформационные свойства
элементов из металла с ЭПФ, удается
проектировать исключительно простые и
эффективные исполнительные устройства роботов,
разнообразные приводы, усилители перемещений и
т.п.

Одним из важных и перспективных направлений
технического использования ЭПФ является
создание различного рода термомеханических
соединений. Таким образом, можно скреплять трубы
и стержни надетыми на них муфтами из материала с
ЭПФ, производить опрессовку деталей, используя
ЭПФ как свойство инструмента, осуществлять
монтаж соединений из различных материалов в
труднодоступных местах или в особых условиях
(под водой, в космическом пространстве и др.).

Применение материалов с ЭПФ позволило создать
принципиально новые технологии сборки и
разворачивания крупногабаритных конструкций
космического назначения, которые были успешно
опробованы на орбитальном комплексе "Мир" в
процессе выполнения экспериментов "Краб",
"Софора" и "Рапана". Большие задачи по
использованию сплавов с ЭПФ поставлены
российской ракетно-космической корпорации
"Энергия" в создаваемой международной
космической станции "Альфа".

Одним из многообещающих направлений
использования сплавов с ЭПФ является применение
их в качестве исполнительных элементов
(актуаторов) в изделиях новой техники вместо
электромеханических, терморезисторных,
электромагнитных, термоэлектрических и других
устройств. Благодаря своей миниатюрной
конструкции актуаторы с ЭПФ применяются в
автомобилестроении, электротехнике и меди-цине.

Использование исполнительных элементов с ЭПФ
позволяет создать принципиально новые системы
безопасности атомных станций, реагирующих на
изменение температуры в зоне реактора. Такие
системы безопасности характеризуются высокими
показателями надежности и способны работать в
автономном режиме.

Хорошо проявили себя на практике устройства из
сплавов с ЭПФ для повышения надежности работы
высоковольтных контактных узлов электрических
сетей. Работа подобных устройств основана на
способности предварительно деформированных
фигурных шайб генерировать значительные усилия
при нагреве электрических контактов до
температур, превышающих допустимые значения,
устраняя тем самым возникающее в ходе
эксплуатации ослабление контактного давления,
следствием которого часто является полное
выгорание контактных соединений.

Среди наиболее успешных в коммерческом
отношении изобретений с использованием сплавов
с ЭПФ можно отметить их применение для
изготовления оправ очков, которым легко вернуть
их первоначальную форму, утраченную вследствие
случайной деформации. Проблема решается простым
окунанием оправы с ЭПФ в теплую воду.

Потрясающие воображение свойства сплавов с ЭПФ
вызвали среди специалистов различных областей
науки и техники настоящую эйфорию, пик которой
пришелся на вторую половину 80-х годов (табл. 1).

При этом не обошлось без курьезов. Недостаточная
осведомленность многих изобретателей о
специальных свойствах сплавов с ЭПФ и об их
технических возможностях привела к тому, что,
например, всерьез поговаривали об использовании
сплавов с ЭПФ для изготовления корпусов
автомобилей. Представлялось, что такие
автомобили можно будет легко ремонтировать
после аварий. При этом не учитывали, что
максимальная величина деформации, которая может
быть восстановлена при нагреве, не превышает 9%
для лучших сплавов с ЭПФ.

Подобная некомпетентность в понимании природы
явления и незнании свойств материалов нанесла
существенный урон самой идеологии применения
сплавов с ЭПФ, потому что из сотен якобы красивых
изобретений работоспособными оказывались лишь
единицы.

Среди причин, которые в настоящее время
препятствуют массовому внедрению сплавов с ЭПФ,
можно выделить следующие. До настоящего времени
отсутствуют стандартизированные методы
определения свойств этих сплавов, связанных с
проявлением ЭПФ. Более того, до сих пор не
выработана единая терминология, позволяющая
описывать свойства этих материалов. Каждая
существующая на просторах СНГ школа
специалистов по вопросам материалов с памятью
использует свою терминологию, часто непонятную
для коллег из других научных центров. Все это
существенно затрудняет обмен информацией между
специалистами, не говоря уже о том, насколько
большие трудности возникают у конструкторов,
которые хотели бы применить сплавы с ЭПФ в своих
разработках. Многочисленные попытки ввести
единую терминологию и определиться с едиными
подходами при испытании свойств, связанных с ЭПФ,
остаются до сих пор безуспешными. Аналогичная
картина наблюдается и в странах Западной Европы
и США. Каждый производитель изделий из сплавов с
ЭПФ использует свои методы испытаний их
термомеханических характеристик и контроля их
качества. При этом таким фирмам очень часто
приходится иметь в своем штате
инженеров-конструкторов – специалистов
широкого профиля, которые хорошо разбираются с
материаловедческой точки зрения в процессах,
происходящих при эксплуатации изделий с ЭПФ, и
могут объективно оценить возможности их
использования в той или иной конструкции. В
задачу этих людей входит, как правило, работа с
потребителями и создание конструкций-прототипов
будущих устройств, использующих элементы с ЭПФ.
При этом конструкторы фирмы-заказчика
оказываются как бы не у дел, так как, кроме
формулирования общих представлений о работе
будущего изделия и роли элемента с ЭПФ в нем, они
не могут принять никакого участия в инженерных
расчетах подобных конструкций. В таких случаях
требуется очень кропотливая работа и хорошее
взаимодействие фирмы-производителя изделий с
ЭПФ с потенциальными потребителями. Все это в
свою очередь сказывается на цене изделий. Уровни
цен на полуфабрикаты (проволока диаметром 1 мм) из
сплавов с ЭПФ, которые сложились на западном
рынке к середине 90-х годов для системы NiTi,
составляли 2400 USD/кг, для систем CuZnAl и CuAlNi – 1300-1600
USD/кг и для системы MnCu – 1100 USD/кг.

Следует отметить, что цены на сплавы с ЭПФ и
полуфабрикаты из них, сложившиеся в странах СНГ,
на порядок ниже вышеуказанных. Среди достаточно
крупных производителей сплавов с ЭПФ на
постсоветском пространстве известен "ВИЛС"
(Москва), который предлагает заказчику широкий
спектр полуфабрикатов, в основном, из сплавов
системы никель-титан.

Среди довольно большой группы сплавов,
обладающих ЭПФ, практический интерес с позиций
их применения представляют в настоящее время
лишь сплавы системы никель-титан и сплавы на
основе меди (табл. 1).

Наилучшим сочетанием свойств обладают сплавы
системы никель-титан. Наряду с высокими
значениями термомеханических характеристик им
присущи такие важные качества, как низкая
плотность, отличная коррозионная стойкость,
высокие пластичность и прочность. К
преимуществам же сплавов с ЭПФ на основе меди без
сомнения можно отнести высокую электро- и
теплопроводность, а также возможность
использования для их получения обычных для
практики металлургического производства
материалов и оборудования, что существенно
упрощает и удешевляет весь технологический
процесс и стоимость самих сплавов. Что касается
процесса получения сплавов системы никель-титан,
то помимо дорогостоящих и дефицитных
компонентов для его осуществления необходимо
применение сложных, уникальных технологий, таких
как плавка в среде инертного газа,
вакуумно-индукционная плавка,
электронно-лучевая плавка. В то же время, сплавы с
ЭПФ на медной основе можно получить в обычной
индукционной печи.

Следует также учитывать, что высокие свойства
никель-титановых сплавов в значительной степени
обусловлены тем, что они достаточно хорошо
изучены и это позволило оптимизировать основные
элементы технологии получения, пластической и
термической обработки изделий из таких сплавов.
Следовательно, приводимые в литературе свойства
никелида титана, по-видимому, близки к предельно
достижимым для этой группы сплавов. Наиболее
близко по специальным свойствам к никелиду
титана располагаются сплавы системы
медь-алюминий-марганец, свойства которых можно
существенно улучшить модифицированием и
рафинированием, а также проведением термической
обработки. Все это делает алюминиевые бронзы,
легированные марганцем, наиболее перспективным
материалом с ЭПФ на медной основе, способным
конкурировать с никелидом титана, особенно в
устройствах, эксплуатация которых не связана с
большим количеством тепловых циклов.

Среди промышленно развитых стран, которые
успешно работают в области сплавов с ЭПФ, по
числу зарегистрированных патентов согласно
западным публикациям лидирует Япония (64%),
намного опережая своих конкурентов. По-видимому,
на приведенных диаграммах не учтены авторские
свидетельства и патенты СССР и СНГ, количество
которых по нашим оценкам приближается к тысяче.
Это составляет примерно 40% от общего числа
изобретений, сделанных в мире.

В отличие от своих коллег, специалисты из Японии
уже имеют стандарты, регламентирующие методы
получения и испытания сплавов с ЭПФ, что во
многом решает проблемы, стоящие на пути широкого
внедрения этих сплавов в странах-конкурентах.

Поэтому их Smart Materials -"умные материалы" (есть
такой новый термин) – на сегодняшний день
выглядят немного "умнее" своих мартенситных
собратьев из других стран.

В Украине накоплен большой объем научных знаний
в области исследования природы и механизмов
мартенситных превращений, а также созданы
технологии получения сплавов на медной основе и
некоторых видов полуфабрикатов из них.

Для восстановления и дальнейшего развития
конкурентоспособного на мировом рынке
производства этих инновационных материалов
необходимы относительно небольшие затраты,
направленные на стандартизацию и регламентацию
сплавов и методов их контроля и испытаний, на
развитие технологического обеспечения
получения изделий из них, а также на
маркетинговые исследования в данной области.
Научный потенциал для этого и многолетний опыт
работы в нашей стране имеется.

Таблица 1. Общее количество патентов
в мире, зарегистрированных в области создания и
использования сплавов с ЭПФ в период с 1985 по 1994
год

Таблица 2. Свойства сплавов с ЭПФ,
получивших промышленное применение