Дорогая экзотика или недорогой «perpetuum mobile»? Страница 1 из 3

Сплавы с эффектом памяти формы

Советские металлурги Г.В.Курдюмов и Л.Г.Хандорсон в 1948 г. предложили сплав, наделенный способностью после значительных пластических деформаций восстанавливать первоначальную форму при нагреве до определенной температуры. В 1980 г. это изобретение было признано открытием и стало известно как эффект Курдюмова (эффект восстановления заданной конфигурации или эффект памяти формы).

Описываемый эффект практически воспроизводится следующим образом. Предварительно заготовке из такого сплава, например, проволоке, придают требуемую форму. Затем ее нагревают и охлаждают. После чего ее выпрямляют. При последующем нагреве проволока обязательно примет свою первоначальную конфигурацию.

Механизм этого явления до конца не ясен. Мартенситные реакции обратимы. При нагреве образца они идут в одну сторону, при охлаждении в обратную. Происходящее при мартенситных превращениях физические процессы столь сложны, что специалисты говорят о «генетических свойствах кристаллов». Несмотря на неполную ясность физического механизма этого явления, оно входит в нашу практическую жизнь.

В 1958 г. впервые был получен сплав с эффектом памяти формы — нитинол. Нитинол — это сплав никеля и титана. Он достаточно сложен в производстве. Для достижения требуемой переходной температуры соотношение никеля и титана в сплаве должно выдерживаться с высокой точностью. У этого сплава фазовые переходы идут выше комнатной температуры, но ниже точки кипения воды. Если же никелид титана легировать железом, то диапазон температур простирается в интервале от комнатной до температуры кипения жидкого азота. Необходимая чистота производства обеспечивается за счет применения вакуумных печей и сложного вспомогательного оборудования. Поэтому широкое применение нитинола лимитируется его высокой стоимостью, а иногда и инертностью нашего мышления. Но поиски путей снижения стоимости производства нитинола продолжаются. И некоторые фирмы, например «Спешл металс корпорейшн» (США), намерены приступить к промышленному производству нитинола с приемлемой коммерческой стоимостью...

Наиболее распространенные области применения нитинола сегодня

Кроме движителя, построенного в конце XX века американцем Бэнксом, других, реально воплощенных в металле «промышленных движителей» на основе нитинолового привода в мировой прессе не отмечено. Специалистам известно достаточно ссылок (более 1000 по разным источникам) о патентовании различных моделей нитиноловых актуаторов и движителей, но данные изобретения не двинулись дальше патентных заявок.

Робототехника шагнула чуть дальше, используя микронные нитиноловые нити в качестве электронных мускулов. Чаще всего, как всегда, удивляют японцы. При пропускании через нитиноловую нить слабых токов, «мускулы» развивают усилия, в сотни раз превышающие человеческие.

В качестве вспомогательных приложений нитинол используются в целом ряде устройств, конструкции которых предполагают перемещения, вызываемые теплом. Так, например, нитинол используется в устройствах противопожарной защиты, применяется для герметизации стыков летательных аппаратов, подводных лодок и предотвращения утечки радиации на атомных электростанциях. Соединения труб, изготовленных из сплавов с эффектом памяти формы, с соответствующими размерами стенок и муфтой с толщиной тела лишь 2 мм могут выдерживать высокое давление (в пределах сотни атмосфер).

Не отстает от процесса и космическая промышленность. Здесь разработаны «самораскрывающиеся» компактные антенны, изначально, на земле, плотно упакованные для удобства транспортировки в открытый космос.

Широкое применение нитинол получил и в медицинской промышленности. Сегодня во всем мире стали хорошо известны бреккет-системы, применяемые для выравнивания измененного прикуса в стоматологии. Разработаны уникальные стенты для сосудистой хирургии, способные выдерживать от 10 до 20 миллионов циклов «сжатия-расширения» согласно утвержденному регламенту американской FDA и различные ортопедические приспособления, с дозированной корригирующей нагрузкой на область пораженной костной ткани.

Потенциальные сферы применения нитинола 

 




Электромеханический регулятор клиренса автомобиля

Проблема экстренной регулировки клиренса автомобиля распространена в мире повсеместно, в случаях, когда необходимо преодолеть «трудные» участки дорожного пути в несколько километров (пригородное шоссе, размытое дождем, к примеру) и вернуть высоту дорожного просвета «на прежнее место». Варианты решения пневматических подъемников есть, но и жалоб на их эксплуатационную хрупкость так же предостаточно. В альтернативу пневматике, различные фирмы предлагают стойки амортизаторов с механическим способом подъема (резьба — гайка), но тут появляется масса НО, включая одинаковый уровень подъема при неравномерной изнашиваемости амортизаторов спереди и сзади, необходимость обеспечить доступ к гайке, путем снятия колеса… и маникюр, наконец.

Решение с пружиной из нитинола может быть доступно любому автомеханику-сварщику. Учитывая эпизодичность эксплуатации данного привода, конструкция прослужит столько, сколько прослужат и амортизаторы до их замены. Управление в данном случае происходит кнопкой из салона, а время срабатывания — не более 1 мин.

 




Дизайн бытовых светильников

Данный патент базируется на международном поиске, который не нашел аналогов применения технологии «двойной памяти никель-титановых сплавов» применительно к системам бытового освещения.

Попытки создания плафонов, использующих энергию нагрева лампы для деформации декоративных элементов (лепестков) не получили серьезного внимания со стороны заказчиков — компаний-производителей в силу некоторой ограниченности эффектов (лампа греет только в непосредственной близости). В этом патенте использован иной принцип нагрева, специальными тэнами и экономичными тепловыми кабелями. Такой подход к дизайну светильников создает возможность для широкого производства источников направленного света скрытого монтажа. Источники света будут «появляться» только при необходимости (варианты применения — медицинское освещение, автомобили, интерьерный минимализм в дизайне, ванные комнаты, аварийное освещение и т.д.). Учитывая частоту использования данных приспособлений (не более 1–3 раз в сутки), можно обеспечить длительную эксплуатацию нитиноловых труб, работающих на пределе допустимых норм мартенситных превращений, без существенного ущерба работоспособности конструкции (10 000 циклов за 10 лет).

Эффективность «нитиноловых приводов»

Высокая эффективность различных актуаторов из никель-титановых сплавов убедительно доказана рядом крупнейших исследовательских институтов, изучающих процессы мартенситных превращений в различных модификациях данных сплавов уже на протяжении 30 лет. Так, например, по выводам японских ученых из компании «Фурукава», добавление в сплав незначительного количества меди (6%) позволяет увеличить «полезный рабочий ход актуатора» до 30 и более процентов. Эта особенность никель-титан-медного сплава сейчас активно внедряется в робототехнику. Насколько при таком режиме обратимы деформации — покажет время.

Большинство специалистов из разных стран едины во мнении, что пластины из титан-никелевых сплавов площадью 6 см2 способны развивать усилие при мартенситно-аустенитных превращениях до 27 тонн или, по данным некоторых российских источников, до 55 тонн на каждый квадратный дюйм сечения детали.

 

Нитинол и получение электроэнергии

Эта работа российских изобретателей, на мой взгляд, заслуживает пристального внимания потому, что наглядно иллюстрирует доступный для осмысления процесс и наталкивает на размышления о очевидности использования нитинола в качестве высокоэффективного электромеханического привода для генерации электроэнергии. Почему именно для электроэнергии? Потому что энергия, затраченная на нагрев металлического изделия, умещающегося на ладони, и потенциальная работа, произведенная этим изделием после нагрева несопоставимы, даже в том случае когда пруток нагревается электрическим источником мощностью 5 кВт. Более того, по заверению уважаемой государственной организации FDA (Food and Drug Administration, контролирует в США качество пищи и медицинских средств), процесс нагрев-охлаждение без существенных остаточных деформаций может продолжаться в течении нескольких миллионов циклов.

Попробуем, для начала, оценить усилие в 26,5 тонн с точки зрения стандартных величин, используемых для расчетов различных «вращательных» конструкций.

Из справки:
Килограмм-сила (кгс, kgf) — равна силе, сообщающей телу массой один килограмм, ускорение 9,80665 м/с2 (нормальное ускорение свободного падения).
1 кгс = 9,80665 ньютонов (точно) ~ 10 Н
1 тс (тонна-сила) = 103 кгс = 9806,65 Н

Следовательно, в мм2 Нитинола при деформации, согласно работе авторов-разработчиков ножниц развивается усилие в 600 Ньютонов!

Пруток-актуатор изобретенных ножниц, при заявленных 26.5 тоннах генерируемого усилия, развивает уже чуть более 260 000 Ньютонов.

Много это или мало?

Рассмотрим низкооборотный ветрогенератор. Предположим, что именно его мы хотели бы разместить в подвале собственного дома, в качестве автономного «производителя» электроэнергии. Низкооборотный означает, что без потери в эффективности выработки электроэнергии, данный генератор может использовать скорость вращения вала ротора от 100 до 600 об/мин, вместо 1 500 и 3 000 об/мин как у обычных жидкотопливных генераторов. Меньше скорость — меньше сил, затраченных на развитие этой скорости. По убеждению разработчиков, конструкции на постоянных магнитах работают до 20 и более лет без замены деталей.


  • 90
  • 02/01/2017


Поделись



Подпишись



Смотрите также