Застосування матеріалів з ​​ефектом пам'яті форми

Втулка, вперше розроблена і впроваджена фірмою «Рейх Корпорейшен», США, для з'єднання труб гідравлічної системи військових літаків. У винищувачі більше 300 000 таких сполук, але, ні разу не надійшло повідомлень про їх поломки.

Зовнішній вигляд сполучної втулки зображений на рис. 1.4. Її функціональними елементами є внутрішні виступи.

Застосування таких втулок полягає в наступному (рис. 1.5):

Рисунок 1.4 – З'єднувальні втулки з нікеліда титану

Рисунок 1.5 – З'єднання втулкою кінців труб

1. Втулка в початковому стані при температурі 20˚ C.

2. Втулка поміщається в кріостат, де при температурі –196 ˚C плунжером розвальцьовуються внутрішні виступи.

3. Холодна втулка стає зсередини гладкою.

4. Спеціальними клішнями втулку виймають з кріостата і надягають на кінці з'єднуваних труб.

5. Кімнатна температура є температурою нагріву для даного складу сплаву. Далі все відбувається «автоматично». Внутрішні виступи «згадують» свою вихідну форму, випрямляються і врізаються в зовнішню поверхню труб, що з'єднуються.

Виходить міцне вакуумнощільне з'єднання, що витримує тиск до 800 атм.

По суті справи цей тип з'єднання замінює зварювання. І запобігає таким недолікам зварного шва, як неминуча втрата міцності металу і накопичення дефектів в перехідній зоні між металом і зварним швом.

Крім того, цей метод з'єднання хороший для фінального з'єднання при збірці конструкції, коли зварювання через переплетення вузлів і трубопроводів стає важко доступним.

Ці втулки використовуються в авіаційній, космічній та автомобільної техніці.

Цей метод також використовується для з'єднання і ремонту труб підводних кабелів.

У медицині:

• Рукавички, які застосовуються в процесі реабілітації і призначені для реактивації груп активних м'язів з функціональною недостатністю. Можуть бути використані в межзап'ястних, ліктьових, плечових, гомілковостопних і колінних суглобах.

• Протизаплідні спіральки, які після введення набувають функціональну форму під впливом температури тіла.

• Фільтри для введення в судини кровоносної системи. Вводяться у вигляді прямого дроту за допомогою катетора, після чого вони набувають форму фільтрів, які мають задану локацію.

• Затискачі для защемлення слабких вен.

• Штучні м'язи, які приводяться в дію електричним струмом.

• Кріпильні штифти, призначені для фіксації протезів на кістках.

• Штучний подовжуючий пристрій для так званих зростаючих протезів у дітей.

• Заміщення хрящів голівки стегнової кістки. Замінюючий матеріал стає самозажимним під дією сферичної форми (голівки стегнової кістки).

• Стрижні для корекції хребта при скаліозі.

• Тимчасові затискні фіксуючі елементи при імплантації штучного кришталика.

• Оправа для окулярів. У нижній частині, де скло кріпиться дротом. Пластикові лінзи не вислизають при охолодженні. Оправа не розтягується при протиранні лінз і тривалому використанні. Використовується ефект надпружності.

• Ортопедичні імплантатори.

• Дріт для виправлення зубного ряду.

Теплова сигналізація:

• Пожежна сигналізація.

• Протипожежні заслінки.

• Сигнальні пристрої для ванн.

• Мережевий запобіжник (захист електричних ланцюгів).

• Пристрій автоматичного відкривання-закривання вікон в теплицях.

• Бойлерні баки теплової регенерації.

• Попільничка з автоматичним струшуванням попелу.

• Електронний контактор.

• Система для запобігання вихлопу газів, що містять пари палива (в автомобілях).

• Пристрій для видалення тепла з радіатора.

• Пристрій для включення протитуманних фар.

• Регулятор температури в інкубаторі.

• Ємність для миття теплою водою.

• Регулюючі клапани охолоджуючих і нагрівальних пристроїв, теплових машин.

Інші застосування:

• Фірма «Фокусу Боро», Японія використовує нікелід титану в приводних пристроях самописців. Вхідний сигнал самописця перетвориться в електричний струм, яким нагрівається дріт з нікеліда титану. За рахунок подовження та скорочення дроту приводиться в рух перо самописця. З 1972 року виготовлено кілька мільйонів таких вузлів. Так як механізм приводу дуже простий, поломки трапляються вкрай рідко.

• Електронна кухонна плита конвекційного типу. Для перемикання вентиляції при мікрохвильовому нагріванні і нагріванні циркуляційним гарячим повітрям використовується датчик з нікеліда титану.

• Чутливий клапан кімнатного кондиціонера. Регулює напрямок вітру в продувному отворі кондиціонера, призначеного для охолодження та опалення.

• Кавоварка. Визначення температури кипіння, а також для включення-виключення клапанів і перемикачів.

• Електромагнітний кухонний комбайн. Нагрівання проводиться вихровими струмами, що виникають на дні каструлі під дією магнітних силових полів. Щоб не обпектися, з'являється сигнал, який приводиться в дію елементом у вигляді котушки з нікеліда титану.

• Електронна сушка-сховище. Приводить у рух заслінки при регенерації зневоднюючої речовини.

• На початку 1985 року формозапамятовуючі сплави, які використотували для виготовлення каркасів бюстгальтерів, стали з успіхом завойовувати ринок. Металевий каркас в нижній частині чашок складається з дроту із нікеліда титану. Тут використовується властивість надпружності. При цьому немає відчуття присутності дроту, враження м'якості і гнучкості. При деформації (при пранні) легко відновлює форму. Збут –1 млн штук на рік. Це одне з перших практичних застосувань матеріалів з пам'яттю форми.

• Виготовлення різноманітного затискного інструменту.

• Герметизація корпусів мікросхем.

• Висока ефективність перетворення роботи в тепло при мартенситних перетвореннях (в нікеліді титану) припускає використання матеріалів не тільки високодемпфірующіх, але і в якості робочого тіла холодильників і теплових насосів.

• Властивість надпружності використовується для створення високоефективних пружин і акумуляторів механічної енергії.

• Також використовується "ефект пам'яті" у виготовленні ювелірних виробів. Наприклад, прикраса у вигляді квітки. При одяганні його на шию на ланцюжку, пелюстки квітки, притулившись до тіла розкриваються, оголюючи захований всередині дорогоцінний камінь.

Порядок виконання роботи

1. Вивчити теоретичні відомості.

2. Описати суть явища ефекту пам'яті форми.

3. Привести приклад, який характеризує ефект пам'яті форми.

Зміст звіту

1. Найменування роботи, метf й устаткування.

2. Основні положення теоретичних відомостей.

3. Характеристики ефекту пам'яті форми.

4. Застосування матеріалів з ​​ефектом пам'яті форми.

5. Висновок.

Контрольні питання

1. Суть явища ефекту пам'яті форми.

2. Яке явище відбувається з матеріалом по ефекту пам'яті форми?

3. Описати характеристики ефекту пам'яті форми.

4. Виробництво нікеліда титану.

5. Основні галузі застосування матеріалів з ​​ефектом пам'яті форми.

Література: [5-10].

Практична робота № 2

Тема. Легкоплавкі сплави

Мета: вивчити температурні режими роботи легкоплавких сплавів

Устаткування: зразки сплавів

Короткі теоретичні відомості

До легкоплавких сплавів відносять, зазвичай, сплави з температурою плавлІння нижче 230 ºС (тобто нижче температури плавлІння олова). Компонентами цих сплавів є метали, що мають низьку температуру плавлІння (свинець, олово, вісмут, індій, ртуть). Легкоплавкі компоненти підбирають, як правило, в поєднаннях, що забезпечують утворення багатофазної багатокомпонентної евтектики, що складається з двох, трьох і більше фаз. Деякі легкоплавкі сплави плавляться не при постійній температурі, а в інтервалі температур. Більшість легкоплавких сплавів при затвердінні дають усадку; сплави, що містять більше 55 % Bi, при затвердінні розширюються. Легкоплавкі сплави застосовуються в якості припоїв, плавких запобіжників в електротехнічній і тепловій апаратурі, пресформ і моделей для виготовлення відливок складної форми з металів і пластмас, як металевих замазок і матеріалів для ущільнень.

Основними компонентами, застосовуваними для складання подібних сплавів, є вісмут, свинець, олово і кадмій. Найменшу усадку і найбільшу твердість мають легкоплавкі сплави, що містять близько 50% вісмуту. Температура плавлІння найбільш поширених рецептур обмежена в межах 63 – 115 °С. Всі ці сплави мають сірий колір. Вони являють собою механічні суміші і випускаються у вигляді блоків.

До інших допоміжних сплавів і металів відносяться латунь і бронза, які створюються на основі міді і мають жовтий колір.

Легкоплавкі сплави застосовують, наприклад, для різних запобіжних пробок і вставок, як особливо легкоплавких припоїв, а також в якості матеріалу для анатомічних зліпків.

Маркуються легкоплавкі сплави буквою Л і цифрою, що показує температуру плавлІння сплаву (вона постійна, оскільки легкоплавкі сплави є сплавами евтектичного типу).

Основні марки легкоплавких сплавів вказані у табл. 2.1. До них слід віднести і оловянносвінцеві припої (ПОС-90 і ПОС-61).

Таблиця 2.1 – Хімічний склад легкоплавких сплавів, %

Марка сплава	Sn	Pb	Cd	Bi	Zn, In	Марка сплава	Sn	Pb	Cd	Bi	Zn, In
Л199	91,1	-	-	-	8,9 Zn	Л96	18,8	31,25	-	50	-
Л183	61,9	38,1	-	-	-	Л68	12,5	25	12,5	50	-
Л141	50	30	-	20	-	Л58	12	18	-	60	21,0 In
Л145	49,8	32	18,2		-	Л47	8,3	22,6	5,3	44,7	19,1 In
Л130	52	30	13	5	-

М'які припої з низькою температурою плавлення, що забезпечують лише геометричність спаю; механічні властивості спаю, як правило, дуже низькі (σ_в = 50 – 70 МПа) і спаяну деталь тому не слід піддавати механічним навантаженням.

В якості м'яких припоїв застосовують сплави легкоплавких металів: свинцю, олова, вісмуту, кадмію, найчастіше сплави свинцю й олова. Найбільш легкоплавким сплавом в системі Pb-Sn є евтектичний, що містить 62 % Sn і 38 % Pb (рис. 2.1) (приблизно 2/3 Sn і 1/3 Pb). У виробництві його часто називають третніком. Температура плавлІння сплаву 183 ºС. Стандартне позначення сплаву ПОС-61 (припій олов’яно-свинцовий, 61 % Sn).

Крім олов’яно-свинцових припоїв, застосовують і олов’яно-цинкові, що містять 90, 70, 60 і 40 % Sn, решта цинк (марки припоїв ПОЦ-90, ПОЦ-70, ПОЦ-60 і ПОЦ-40). Найкращим з цієї серії сплавів є припой ПОЦ-90, за складом відповідає евтектиці, тобто має найнижчу температуру початку кристалізації по діаграмі стану 198 ºС). Фактично ж у зв'язку з коливаннями в хімічному складі трохи вище, але не вище 202 ºС. олов’яно-цинкові припої, в порівнянні з олов’яно-свінцовими, мають більш високу міцність, меншу пластичність.

Сплав системи Sn-Pb-Cd-Bi, який утворює четверту евтектику, тобто найбільш легкоплавкий сплав в цій системі, широко відомий під назвою сплаву Вуда (по імені Р. Вуда, американського археолога і винахідника XVII ст.). (Температура плавлІння сплаву 68 ºС). Сплав Вуда – легкоплавкий сплав на основі вісмуту. Сплав Вуда складається з 50 % Bi, 25 % Pb, 12,5 % Sn і 12,5 % Cd. Температура плавлІння сплаву Вуда 68 °С. Він має високі ливарні властивості, легко заповнює найдрібніші деталі форми. Межа міцності сплаву Вуда 0,5 Мн/м² і відносне подовження 25 %. Сплав Вуда застосовується для виготовлення моделей, заливки металографічних шліфів.

В п'ятерній системі Sn-Pb-Cd-Bi-In евтектичних сплавів Л47 має температуру плавлІння 47 ºС.

Нарешті, сплави з добавкою ртуті (називаються амальгамами) мають температуру плавлІння нижче 100 ºС) (сплави системи Sn-Pb-Bi-Hg). Чиста ртуть і сплави системи Tl-Hg мають температуру плавлІння нижче 0 ºС. найбільш легкоплавкий металевий сплав з відомих в природі (сплав з 8,5 % Tl і 91,5 % Hg плавиться при – 59 ºС (рис. 2.3).