CC BY
61
В.Г. Пушин, А.А. Тулайкова, В.Г. IМавров, 2007
УДК 621.792.3/.4
В.В. Коледов, Г.А. Лебедев, В.Г. Пушин,
А.А. Тулайкова, В.Г. Шавров
НОВЫЙ КОМПОЗИТ НА ОСНОВЕ БЫСТРОЗАКАЛЕННОЙ ЛЕНТЫ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ*
~П последнее время уделяется большое внимание разработке и исследованию новых
-Я-М функциональных материалов. Под функциональными материалами обычно понимают такие материалы, которые изменяют свою форму или размеры в ответ на воздействие внешнего поля: температурного, магнитного, электрического. Такие материалы очень важны для конструирования микроэлектромеханических систем (МЭМС), так как в этой области обычные механические схемы, включающие двигатель, трансмиссию и исполнительный элемент зачастую не приемлемы. Считается, что функциональные материалы, основанные на эффекте памяти формы (ЭПФ) сплавов, способны решить эту проблему.
ЭПФ связан с существованием в некоторых сплавах особого типа структурого фазового перехода, так называемого термоупругого мартенситного перехода. Переход происходит из высокотемпературной высокосимметричной (зачастую кубической) структурной фазы - аустенита в низкотемпературную и низкосимметричную - мартенсит. В мартенситной фазе кристалл разбивается на двойники и кристаллическая решетка испытывает сильные спонтанные деформации (до 10 %). Этот переход проходит бездиффузионным сдвиговым механизмом. Если переход из аустенита в мартенсит не сопровождается внешними силовыми воздействиями, то в образующемся мартенсите двойники ориентированы хаотически, и суммарное изменение формы незначительно. В присутствии внешнего силового воздействия возникает преимущественная ориентация двойников и наблюдается сильное изменение формы в направлении воздействия (псевдопластическая деформация). Если поднять температуру образца выше температуры мартенситного перехода, то двойники исчезнут и образец в аустените примет первоначальную форму. В этом и заключается так называемый односторонний эффект памяти формы.
Уже найдено много приложений для сплавов с ЭПФ в таких областях как, например, электроника, космические технологии и медицина. Однако сплавы с ЭПФ проявляют и присущие им недостатки, в частности, необратимое изменение формы при одностороннем ЭПФ. Многократно термоциклируя образец под нагрузкой можно добиться многократно обратимого изменения формы (т. н. двусторонняя память формы). Однако такая операция тренировки образца, как правило, не технологична, а двусторонняя память формы обеспечивает на порядок меньшие деформации, чем односторонняя.
В ряде работ для достижения обратимой упругой деформации исполнительного элемента (актюатора) в ответ на воздействие нагревом, током или магнитным полем, используются биморфные слоистые структуры из разных материалов [1-3]. Например, в работе [4] были изучены биморфные структуры на основе пленок сплава №Т с ЭПФ, напыленных на Si подложку, и продемонстрированы обратимые изгибные де-формации, контролируемые тепловым воздействием тока, пропускаемого через актюатор. К сожалению, все эти структуры проявляют сравнительно низкий контролируемый изгиб, обусловленный небольшим изменением длины слоев в ответ на внешнее поле (А/// не выше чем 0.1 %).
Цель настоящей работы - предложить и изучить новые функциональные композитные материалы на основе сплавов с ЭПФ, в которых достигаются высокие обратимые деформации, контролируемые внешним термическим или магнитным полями. В частности температурный контроль деформации актюатора может осуществляться за счет пропускания электрического тока. На рис. 1 показана схема предлагаемого композита. Композит включает элемент с ЭФП в форме ленты или пленки (1) и упругий слой из обычного металла (2), соединенные жестко между собой. Перед соединением с упругим элементом, в процессе изготовления композита, слой с ЭПФ подвергается псевдопластической обратимой деформации, например, растяжению. В результате композит приобретает способность к гигантской обратимой изгибной деформации (до
* Работа поддерана грантами РФФИ, проект № 05-08-50341, 05-02-19935, 06-0216266, 06-02-39030, 06-02-16984).
Рис. 1. Схематический чертеж нескольких процентов) в биморфного композита: а - лента с
ответ на воздействие ЭПФ в маРтенситном ^стоянии, б -„ лента с ЭПФ в аустенитном состоянии
внешнего поля. При этом
используется только --------------------------------
«односторонний» ЭПФ.
1. Изготовление композита и методика эксперимента
Для изготовления композита были взяты аморфные ленты сплава №50Л25Си25, полученные методом быстрой закалки из расплава. Отрезки ленты имели толщину 30 мкм, ширину 2-3 мм и длину 30-100 мм. Для получения ЭПФ их отжигали на воздухе в течение 7 минут при 500 0С. После отжига лента приобретала субмикрокристаллическую структуру и в ней возникал термоупругий мартенситный переход при температуре около 50 0С [5]. На первой стадии изготовления композита лента из сплава с ЭФП подвергалась предварительной псевдопластической деформации следующим образом. Лента нагружалась силой 1 - 30 Н. Через нее пропускался ток около 1 А, а затем ток выключали. При этом лента сначала укорачивалась на величину А/, а затем обратимо удлинялась. При выключении тока длина ленты увеличивалась примерно на 1 %, а при включении тока она восстанавливалась до первоначальной. Деформация ленты А/, измерялась с помощью оптического микроскопа. График зависимости относительного изменения длины ленты А/// от тока I показан на рис. 2. Наблюдается типичная для сплавов с ЭПФ гистерезисная зависимость.
Для изготовления композита ленту, удлиненную после выключения тока, при комнатной температуре приклеивали к 30-микронной аморфной упругой стальной ленте. В результате получались образцы биморфного композита длиной 4-6 см и толщиной 60 мкм. Контролируемые электрическим током композиты были получены с помощью наклеивания изолированной 30микронной ннхромовой проволоки на поверхность биморфного композита.
чР
о4-
^ 0,6 0,4
---------1---------'------1-----------’---------1--------'---------Г“
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8
—I-------------------------------■-1-'-----1—
1,0 1,2 1,4
I, А
Рис. 2. Зависимость относительного изменения длины ленты с ЭПФ от тока
В процессе эксперимента изучали зависимость обратимой изгибной деформации композита от температуры. Композиты медленно нагревали и охлаждали в термостате в интервале температур от 50 до 70 0С, т. е. в области мартенситного перехода сплава №50Т^5Си25. Изгибная деформация определялась по формуле е = h/2R, где Ь - толщина композита, R - радиус кривизны композита в точке максимального изгиба (в середине образца).
2. Эксперимент
Результаты эксперимента по обратимой изгибной деформации композита в однородном температурном поле проиллюстрированы на фото рис. 3. Зависимость изгибной деформации композита от температуры представлена на рис. 4. График имеет гистерезисный характер, но отличается от резкого и широкого гистерезиса для ленты с ЭПФ. Скорее всего, это связано с постоянно изменяющимися (при сжатии увеличивающимися, при распрямлении уменьшающимися) напряжениями в области соединения двух слоев композита. В результате
гистерезис получается более размытым. Наблюдается гигантская обратимая изгибная деформация
(8 = 0.65%).
Рис. 3. Эксперимент по обратимой изгибной деформации композита в однородном термическом поле
Результаты измерения деформации композита, контролируемого током, показаны на рис. 5. Зависимость изгибной деформации от тока имеет гистерезисный характер. Контролирующий ток сильно снижается при увеличении начальной температуры термостата.
Выводы
В представленной работе были предложены и предварительно исследованы в модельных экспериментах образцы но вых функциональных материалов.
Т, °с
Рис. 4. Зависимость изгибной деформации композита от температуры
I, mA
Рис. 5. Зависимости изгибной деформация композита от тока при различных температурах Была продемонстрирована обратимая изгибная деформация композита (до 0.65%), использующая «одностороннюю» память формы сплава NiTiCu, под действием однородного температурного поля и управляемая током. Для создания биморфных композитов, включающих упругие слои и слои с ЭПФ могут быть применены различные технологии, включая вакуумное напыление и гальваническое осаждение. Полученные композиты могут применяться в различных областях, таких как медицина, радиоэлектроника, робототехника, в качестве микроманипуляторов, микроинструментов, актюаторов, датчиков и т.д. Минимальные характерные размеры актюатора на основе композита определяет размер кристаллита сплава с ЭПФ, который может быть порядка десятков нанометров в пленочных наноструктурах. Ферромагнитные сплавы с ЭПФ могут быть использованы для изготовления микроактюаторов, изменяющих свою форму и совершающих механическую работу при постоянной температуре и контролируемых магнитным полем [6-7].
--------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Yoo J.H., Hong J.I. and Ciao W. Sensors and Actuators, A79, 8 (2000).
2. A. Cozma Lapadatu, D.De Bruyker, Jakobsen H. andPuers R. Sensors and Actuators, A82, 69 (2000).
3. Sehr H., Evans A.G.R., Brunnschweiler A., Ensel G.J. and Niblock T.E.G. J. Micromech. Microeng., 11, 306 (2001).
4. Composeo A., Puccini N., Fuso F., AllegriniM., Arimondo E. and Tuissi A. Appl. Surf. Sc., 208-209, 518 (2003).
5. Pushin V.G., Kourov N.I., Kuntsevich Т.Е., Kuranova N.N., Matveeva N.M., and Yurchenko L.I. Physics of Metals and Metallography, 94, 1, S107 (2002).
6. Cherechukin A.A., Dikstein I.E., Ermakov I.E., et al. Phys. Let, A291, 175 (2001).
7. Kohl M., Brugeer D., Ohtsuka M., and Takagi T. Sensors and Actuators, A114, 445 (2004).
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------
Коледов В.В., Тулайкова А.А., Шавров В.Г. - Институт радиотехники и электроники РАН, 125009, Москва, Россия,
Лебедев Г.А. - Московский институт стали и сплавов, Технологический
университет, 119049, Москва, Россия,
Пушин В.Г. - Институт физики металлов Уральского отделения РАН, 620219, Екатеринбург, Россия.
