Современные системы автоматизации, защиты и регулирования невозможно представить без материалов, способных реагировать на изменение температуры. Одним из ключевых классов таких материалов являются термобиметаллы — композитные металлические элементы, деформирующиеся при нагреве и возвращающиеся в исходное состояние при охлаждении. Их уникальная особенность заключается в способности превращать тепловую энергию в механическое движение без использования электроники и внешнего управления.
Первые эксперименты с разнородными металлическими пластинами, реагирующими на тепло, были проведены в XIX веке. Одним из первых, кто описал явление деформации соединённых металлов при нагреве, был шотландский физик Чарльз Уитерстон (Charles Wheatstone). Однако практическое применение термобиметаллов началось лишь в XX веке, с развитием электротехники и автоматических систем.
Наибольшее распространение они получили в тепловых реле и автоматах защиты электросетей — устройствах, которым требуется простая, надёжная и пассивная система реагирования на перегрев. Благодаря своей конструкции термобиметаллы не нуждаются в источнике питания и продолжают работать даже в самых суровых условиях.
Термобиметаллические материалы представляют собой многослойные металлические конструкции, в которых соединены два или более слоя различных металлов либо металлических сплавов. Главной особенностью таких материалов является существенное различие в температурных коэффициентах линейного расширения (ТКЛР) компонентов, что позволяет использовать возникающие упругие напряжения для деформации конструкции при температурных изменениях.
В подобных материалах компонент с более высоким значением ТКЛР называют активным – именно он обеспечивает основную деформацию при нагреве. Напротив, материал с меньшим ТКЛР выполняет пассивную функцию. Между ними может присутствовать третий – промежуточный – слой, служащий для оптимизации распределения напряжений или регулирования степени изгиба. Все слои надежно объединяются, как правило, посредством сварки по всей площади соприкосновения, в результате чего формируется цельная, монолитная структура.
Функционирование термобиметаллических элементов базируется на том, что при колебаниях температуры в них возникают внутренние напряжения, обусловленные различиями в ТКЛР между слоями. Это приводит к изгибу элемента. В исходном состоянии – при нормальной температуре – форма элемента (лента, диск, пластина и т.д.) остаётся плоской.
По мере нагревания происходит изгиб: активный слой, с более высоким коэффициентом расширения, оказывается с внешней – выпуклой стороны, так как он испытывает сжимающие напряжения, а пассивный – с вогнутой, так как он подвергается растяжению. При понижении температуры процесс протекает в обратном направлении: элемент возвращается к первоначальной форме либо изгибается в другую сторону.
Следует подчеркнуть, что термобиметаллы позволяют фиксировать не только температуру среды, но и иные параметры, состояние которых зависит от изменения температуры. Это делает возможным использование термобиметаллических элементов в качестве чувствительных компонентов в защитных, регулирующих, компенсирующих и измерительных устройствах различного назначения.
Ключевым фактором при выборе материалов для слоёв термобиметалла служит функциональное назначение изделия. Необходимо учитывать целый комплекс характеристик: чувствительность к изменению температуры (определяемую удельным изгибом пластины при нагреве), линейную зависимость деформации от температуры, полное отсутствие остаточной деформации после возвращения к исходным условиям (то есть отсутствие механического гистерезиса), а также долгосрочную стабильность механических и геометрических параметров.
Высокую температурную чувствительность удаётся достичь путём сочетания материалов с контрастными значениями ТКЛР. Линейность реакции и отсутствие гистерезиса обеспечиваются использованием сплавов с высокой упругостью, сохраняющейся во всём рабочем диапазоне температур. Такая упругость компонентов обеспечивает не только точность функционирования, но и надёжность и долговечность устройств на основе термобиметаллов.
Наиболее часто для изготовления таких материалов применяются сплавы железа и никеля (система Fe–Ni). Влияние никеля на свойства железа достаточно значительное – он изменяет его электропроводность, теплопроводность и коэффициент термического расширения.
В качестве пассивных компонентов используют сплавы с высоким содержанием никеля (до 50 %), а для активных – с пониженным его содержанием (20–25 %). Стоит отметить, что при добавлении различных легирующих элементов ТКЛР может быть существенно модифицирован, что позволяет точно настраивать свойства материала.
Помимо состава, регулировка характеристик термобиметаллов достигается изменением относительной толщины слоёв, а также возможностью включения промежуточных прослоек, что позволяет достичь нужной термочувствительности в пределах, заданных проектом.
Сегодня термобиметаллические элементы применяются в различных устройствах: это и тепловые реле, и электропредохранители, и защитные автоматы, предназначенные для предотвращения перегрузок в электрических сетях. Центральным элементом таких устройств является термобиметаллическая пластина, которая соединяется с источником тепла. На рис. 1 приведена принципиальная схема этой системы.
Рис. 1. Термобиметаллическая пластина с источником подогрева (а) и способы подогрева пластины (б): 1, 2 – термоактивные материалы; 3 – нагревательный элемент
Возможны различные методы подогрева пластины:
- I – прямой нагрев, осуществляемый путём пропускания электрического тока через пластину;
- II – косвенное тепловое воздействие, обеспечиваемое внешним нагревательным элементом;
- III – комбинированный метод, при котором объединяются оба вышеуказанных подхода.
На рис. 2 схематически представлены несколько модификаций тепловых реле, использующих термобиметаллы в качестве чувствительных элементов.
Рис. 2. Схемы тепловых реле: 1 – биметаллическая пластина; 2, 4 – подвижный и неподвижный контакты; 3 – штифт; 5, 6 – пружины
В конструкции, представленной на рис. 2, а, при нагреве пластина 1 изгибается в направлении усилия Р1, нажимает на штифт 3, который, в свою очередь, перемещает контакт 2. В результате контакт 2 размыкается с неподвижным контактом 4. Как только пластина охлаждается, устройство возвращается в исходное состояние. Недостатком является сравнительно невысокая скорость срабатывания.
Для устранения этого недостатка применяется усовершенствованная схема (рис. 2, б): пластина 1 действует как защёлка, удерживая замкнутое положение контактов 2 и 4. При достижении определённой температуры пластина изгибается и освобождает механизм, после чего контакты размыкаются под действием пружины 5. Возврат к исходному состоянию происходит вручную.
Ещё более оперативно работает конструкция, изображённая на рис. 2, в. В ней пластина при нагреве развивает усилие Р1, которое при превышении усилия Р2 пружины 6 вызывает резкий изгиб, мгновенно размыкающий контакты. После остывания система автоматически возвращается к исходным параметрам.
Аналогичная по принципу, но более динамичная конструкция представлена на рис. 2, г, где деформация пластины сопровождается одновременным резким перемещением контактов. Благодаря наличию самовозврата, такое устройство отличается надёжностью и высокой скоростью отклика.
Интересные факты:
-
Точность изгиба термобиметаллической полосы может достигать долей миллиметра при изменении температуры всего на 1–2 °C.
-
В механизмах часов с боем раньше использовались биметаллические спирали для компенсации температурного расширения.
-
В некоторых аэрокосмических приложениях термобиметаллы используются как механические датчики, не зависящие от электропитания.
-
Современные утюги, чайники и тостеры нередко содержат термобиметаллический механизм, отключающий нагрев при достижении заданной температуры.
-
Несмотря на развитие электроники, механические термобиметаллические системы продолжают использоваться в условиях повышенной радиации или сильных электромагнитных помех — там, где электроника ненадёжна.
Заключение:
Термобиметаллические материалы остаются одним из ярких примеров инженерной элегантности, когда простое физическое явление оборачивается точным и надёжным техническим решением. Способность превращать тепловую энергию в управляемое движение без сложной электроники делает их поистине универсальными. От защитных устройств до термореле и автоматов отключения — эти элементы незаменимы в системах, где важна автономность, надёжность и точность. Несмотря на более чем вековую историю, термобиметаллы продолжают развиваться, открывая новые горизонты в материалах и их применении.
Александр работал над проектами по внедрению комплексных решений для диагностики и оптимизации работы металлорежущих станков. Он регулярно публикует статьи о передовых методах резки, наплавки и покрытий, а также освещает новинки в сфере литейного производства и полимерных композиционных материалов — включая технологии контактного формования и сварку.