Материалы с эффектом памяти формы являются прототипами так называемых «интеллектуальных» материалов будущего. «Интеллектуальные» материалы, помимо обычных, присущих традиционным материалам свойств (например, для металлов — механических свойств), обладают и функциональными свойствами. Одним из таких свойств (из набора функциональных свойств) является свойство датчика (сенсора), которое позволяет материалу реагировать на изменение окружающей среды. К этому набору относятся и свойство процессора, т. е. возможность оценить ситуацию и сделать выводы, и, наконец, исполнительное свойство (актуатор), при котором материал совершает действие или подает сигналы.
Эффект памяти формы (ЭПФ) металлов — это физическое явление, при котором пластически деформированный металл восстанавливает свою первоначальную форму (которая у него была до деформации), как правило, при нагреве.
Так, если стальную проволоку или пластину, изогнутую под прямым углом, пластически деформируя ее, выпрямить, то снова придать этой проволоке или пластине первоначальную форму (т. е. изогнутой под прямым углом конструкции) другим путем (кроме ее деформирования в обратном направлении) невозможно.
Эффект памяти формы задается проволоке (пластине), изготовленной из специального сплава при высокой температуре, т. е. согнутая под углом проволока или пластина нагревается и после ее охлаждения из высокотемпературного состояния, называемого аустенитным, получается охлажденное состояние металла, называемое мартенситным. Для металлических сплавов различие данных состояний заключается в различии кристаллических решеток, при этом оба состояния стабильны при соответствующих температурах. В мартенситном состоянии проволоку (образец) пластически деформируют (выпрямляют). Если проволоку нагреть (перевести в аустенитное состояние), то она «вспомнит» свое первоначальное состояние, которое у нее было при высокой температуре. При этом вся пластическая деформация (следует отметить, что восстанавливаемая пластическая деформация является заданной для каждого материала с ЭПФ) исчезнет и образец может совершить достаточную механическую работу (например, поднять груз или привести в действие выходное звено механического устройства). Такой процесс в материале при термоциклировании, называется прямым (обратным) мартенситным превращением при охлаждении (соответственно нагреве) материала.
Следует отметить, что существует обширный класс материалов, которые обладают эффектом памяти формы. Такой эффект характерен для сплавов Ti–Ni, Ti–Au, Ti–Pd, Ti–Pt, Au–Cd, Cu– Zn и др. Наиболее типичным представителем подобных материалов является сплав Ti–Ni (нитинол).
В связи с резким расширением сферы применения сплавов с ЭПФ и необходимостью обеспечения экономичности их производства практическое применение нашли тройные сплавы на основе меди (Сu–Аl–Ni, Сu–Zn–Аl и Сu–Аl–Мn). Стоимость сплавов на основе меди не превышает 10 % от стоимости сплавов на основе никелида титана. Температурные интервалы проявления ЭПФ в этих сплавах могут варьироваться в широких пределах (от –150 до +100 °С) путем изменения химического состава и регулировкой режимов термообработки.
Сплавы с эффектом памяти формы используются для создания малогабаритных приводов и устройств, способных развивать сравнительно большие усилия и моменты. Для проектирования таких устройств необходимо, в первую очередь, знать параметры сплава с ЭПФ, а именно:
- деформацию или величину перемещения сплава с памятью при мартенситных превращениях;
- генерируемое сплавом напряжение или возможное развиваемое усилие для совершения механической работы;
- характеристические температуры или интервал начала и конца мартенситных превращений;
- скорость протекания мартенситных превращений;
- циклическую прочность или количество циклов срабатывания и т. д.
В настоящее время сплавы с ЭПФ используются:
- в силовом оборудовании и самосооружающихся трансформируемых конструкциях;
- в мартенситных преобразователях энергии (мартенситные приводы и мартенситные двигатели);
- в системах автоматического регулирования расхода тепла и температуры;
- в устройствах защиты (тепловой, электрической и пожарной);
- в элементах робототехники;
- при создании неразъемных соединений;
- в медицине;
- для изготовления самораскрывающихся антенн космических кораблей и т. д.
Производители современной техники постоянно расширяют области применения таких сплавов. Компания «Дженерал моторс» (США) получила 175 патентов на материалы с ЭПФ.
Конструкции из таких материалов работают без внешних приводов, например, дефлектор (рис. 5), шторки которого меняют положение при изменении температуры. Так, при повышении температуры шторки раскрываются (рис. 5, а), а с понижением — закрываются (рис. 5, б).
Рис. 5. Дефлектор в различных рабочих положениях: а — «открыто»; б — «закрыто»
Комплексный подход в использовании традиционных приводов и приводов на основе материалов с ЭПФ позволяет создавать уникальные робототехнические системы, которые обладают миниразмерами. Например, разработан миниробот (рис. 6) имеющий габаритные размеры 80×40×50 мм, весом 80 г, с манипулятором на базе материалов с эффектом памяти формы. Этот робот способен оперировать объектами различной формы весом до 100 г.
Рис. 6. Миниробот с приводом на основе материалов с ЭПФ
Плавность действия робота обусловлена тем, что заданная величина усилия (силы восстановления формы) определяется регулируемой температурой и не зависит от положения элементов, что приближает действие робота к действию мускульного механизма.