Российское судостроение
Выставочная компания Кто есть ктоВсе предприятия судостроения
English Version Home


Минисайты предприятий
Компания ООО «СПБ Марин»

Ярославский CCЗ

"Комплексный технический сервис"

Cеверное ПКБ

ООО "Балтсудосервис"

Журнал "Морская радиоэлектроника"

Продукция компании FireSeal

Новости партнеров

Зачем металлам память

Ксения БОЛОХОВА,
интернет-издание «НАУКА И ТЕХНОЛОГИИ РОССИИ – STRF.ru»
15 декабря 2015 года

Человек по праву может гордиться своим мозгом – удивительное творение природы, содержащее около 100 миллиардов нейронов, каждый из которых включает в себя по 5 тысяч синапсов и кодирует информацию с частотой до 100 Гц в секунду. Но несмотря на то, что такая сверхмощная машина появилась в нашем организме, в нас сохранились и более примитивные механизмы регуляции работы внутренних органов и взаимодействия с внешнем миром. Так, эндокринная система с помощью химических «впрыскиваний» не только управляет жизненно важными процессами в организме, но и влияет на наше эмоциональное состояние. В мире технологий тоже есть место и интеллектуальным системам управления, и «инстинктивным», которые тесно взаимодействуют друг с другом. Например, для того, чтобы сработала противопожарная сигнализация, и включился спасительный «душ», необходима слаженная работа детекторов дыма и температуры с устройством, запускающим воду.

Ярким примером технического аналога гормональной регуляции процессов в организме могут послужить изделия из сплавов с так называемым свойством памяти формы. Металл, обладающий этим свойством, способен восстановиться после деформации: либо при нагреве, тогда это явление называется эффектом памяти формы, либо после исчезновения деформирующей нагрузки, этот эффект известен как сверхупругость.

На страже безопасности

Как же свойство памяти формы реализуется на практике? Один из примеров приводит Сергей Прокошкин, д.ф-м.н, профессор НИТУ «МИСиС» и участник проекта «Разработка методов получения адаптивных композиционных наноматериалов на основе обладающего свойствами памяти формы нитинола медицинского и общетехнического назначения», реализуемого в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям» на 2014-2020 годы.

«Эффект памяти формы, однократный либо обратимый, применяется, когда надо что-то включить или, наоборот, выключить; что-то отодвинуть или, наоборот, приблизить, – пояснил учёный. – По принципу однократного срабатывания действуют, например, пожарные датчики».

Датчики, о которых рассказывает Прокошкин, уже широко применяются. При нагреве пружина из сплава с эффектом памяти формы, встроенная в систему сигнализации, расправляется, замыкает контакт и в прямом смысле бьёт тревогу.

«Мы работаем с нитинолом – сплавом титана и никеля, представляющим собой примерно 50 на 50 атомных процентов с разными вариациями. Это практически единственный представитель сплавов с памятью формы, который нашёл практическое применение благодаря очень удачному сочетанию характеристик: функциональных и обычных механических свойств прочности», –

пояснил Прокошкин.

Например, такой сплав используется в клапане, который может спасти не меньше жизней, чем пожарная сигнализация. Это своеобразная металлическая муфта, которая надевается на трубу, ведущую к газовой плите (типичной в российских квартирах). Её роль – при пожаре заблокировать подачу газа и таким образом предотвратить взрыв. Принцип работы устройства простой: внутри муфты расположен шарик достаточного диаметра, чтобы закупорить трубу, и стержень из нитинолового сплава, который при температуре от 70 до 90°С прогибается и шарик прижимается к отверстию, перекрывая подачу газа.

Зачем металлам память

Схема устройства для предотвращения взрыва бытового газа при пожаре

«Здесь хитрость в том, чтобы механизм сработал в нужном интервале температур. Это пример применения в технике однократного эффекта памяти формы», – подчеркнул учёный.

Зачем металлам память

Устройство муфты

Как правило, после срабатывания клапан заменяют новым, хотя его можно и восстановить. Замен производится для того, чтобы гарантировать работу элемента при нужной температуре. С безопасностью лучше не шутить. Кстати, после интервью я даже уговорила родителей вызвать газовика, чтобы проверить, есть ли у них такой клапан (сама я готовлю на электрической плите).

Золотая середина в никелевом сплаве

Задача учёных – найти идеальный сплав, так как от размеров и конфигурации его структурных элементов зависят конечные свойства. Естественные композитные материалы, к которым можно отнести дисперсионно-упрочняемый нитинол, состоят из основы, упрочненной наноразмерными частицами выделений.

«Оказалось, создавая наноструктуры в сплавах с памятью формы, мы можем резко повысить весь комплекс функциональных свойств. Причём эти свойства, в сущности, друг другу противоположны, как, скажем, прочность и пластичность, –

рассказал Прокошкин. – Обычно чем прочнее материал – тем меньше у него пластичность. Однако создание наноструктуры в нитиноле способствует повышению как способности к формовосстановлению, так и генерации больших усилий в условиях восстановления формы при внешнем противодействии.

Интересно, что если размер структурных элементов (зерен) будет меньше 100 нанометров, то функциональные свойства сплава будут резко повышаться. Но если зерна мельче 40 нанометров, произойдёт резкое ухудшение функциональных свойств.

«Мы достигли уровня величины обратимой деформации, возвращающейся при нагреве, который превышает даже теоретический ресурс решётки сплава», –

добавила ведущий научный сотрудник кафедры обработки металлов давлением НИТУ «МИСиС», к.т.н. Елена Рыклина. Учёные долго пытались найти объяснение такому эффекту. В результате достойную версию предложили их коллеги из Томска. Они рассчитали дополнительный эффект, который получается за счёт использования способов воздействия на материал, предложенных учёными из МИСиС. И эти расчёты совпадают с эмпирическими данными.

Ещё одна проблема, с которой столкнулись учёные – создание объёмных материалов из наносплавов. Для получения таких структур в других материалах, без памяти формы, используется метод равноканального углового прессования. Но данный методе не обеспечивает непрерывность и изотермичность деформации. Эту задачу удалось решить с помощью комплекса «Глибл». Одна такая установка находится в России, другая во Фрайбергской горной академии в Германии, с которой МИСиС ведёт совместную работу. Специальная приставка в немецкой установке позволила провести непрерывную деформацию материала при нужных температурах и получить наноструктуру в объемных образцах нитинола.

Свойство памяти формы на службе у врачей

Зачем металлам память

Клипсы с эффектом памяти формы для пережатия кровеносных сосудов

Материалы с памятью формы применяются и в медицине. Группа ученых МИСиС в рамках реализации ФЦП активно работает над решением сложной задачи: помимо прочности и сверхупругости, такие материалы должны ещё быть совместимыми с тканями человеческого тела.

Наиболее простые и «ходовые» продукты, которые создают учёные – это хирургические скрепки и клипсы. Эти сплавы можно применять и в более сложных устройствах.

После проверки механических свойств проводятся биохимические тесты. «Мы испытывали полностью готовый для скрепки материал в коррозионной среде, – сказала участница проекта, к.т.н. Юлия Жукова. – Погружали скрепку в соляной раствор, принятый в мировой практике как аналог физиологических сред, искусственную слюну или подобные растворы, имитирующие жидкости в организме, и оценивали коррозионную стойкость материала.

Можно заключить, что с любым вариантом структуры эти сплавы достаточно стойкие, и их применение не будет ограничено коррозией.

Параллельно ведётся поиск новых видов термомеханической обработки, которая позволила бы управлять функциональными свойствами, достигать их максимальных значений или требуемого уровня, а затем использовать полученные результаты при разработке конкретных устройств медицинской техники.

Зачем металлам память

Хирургические инструменты, созданные группой учёных, уже применяются на практике

Ряд созданных и проверенных в рамках ФЦП устройств тут же «выходит в люди». Компания – индустриальный партнёр проекта ЗАО «Армгаз-НТ» активно коммерциализирует устройства, многие из них уже применяются на практике.


BackTop