14_actu_termo (Конспект лекций по предмету, преподаватель Ляхова Н.Б.)

Термические приводы.

Термические приводы используют тепловую энергию различного происхождения. Так, термопневматический активатор использует тепловую энергию электрического нагревателя для изменения объема технологической жидкости “Fluorinert”, который влияет на конфигурацию мембраны. При этом изменяется объем камеры между входным и выходным отверстиями. Увеличение тока нагревателя уменьшает поток жидкости или газа. Управляющим параметром является ток или напряжение.

Рис. 3.2.3.8. Термопневматический привод.

Термоупругий привод изготавливается по технологии подвешенной консоли (Т01-13). В месте сочленения с неподвижной частью наносится капля фоторезиста (Hoechst AZ4562 или фоточувствительный полиимид). Фоторезист уменьшает свой объем под действием света и возвращается к прежнему объему в его отсутствие, т.е. проявляет упругость формы. Уменьшение объема фоторезиста заставляет подвижную часть привода подниматься. Этой подвижной частью может служить микрозеркало, микроантенна. Капля фоторезиста скрепляет подвижную и неподвижную части привода. Управляющим параметров является импульс сфокусированного света. Привод работает в бинарном режиме (2 устойчивых состояния).

Рис. 3.2.3.9. Схема работы и изображение термоупругого привода.

Термоэлектрический привод ( heatuator - хитуатор) формируется как U-образная консоль (разрезана вдоль, но не до конца).

Рис. 3.2.3.10. Термоэлектрический привод с разрезной кремниевой консолью.

Материал консоли – кремний – обладает достаточным уровнем проводимости, чтобы сыграть роль сопротивления. К нему можно непосредственно подвести напряжение. Консоль является сопротивлением. Одна половина консоли – узкая и высокоомная, другая – широкая и низкоомная. Разность потенциалов вызывает ток, нагревающий консоль. При этом узкая часть нагревается значительно сильнее, чем широкая с большим поперечным сечением. Как следствие, узкая часть консоль консоли удлиняется больше, чем его широкая часть. Происходит изгиб в сторону широкой части. Для облегчения изгиба в широкой части делаются поперечные надрезы. (S02-02) - функционирование термоэлектрического привода. Термоэлектрический привод может выполнять роль выключателя. (S02-02а) - Функционирование термоэлектрического выключателя.

Для реализации функции захвата (гриппера – gripper) консоль усложняют: разрезают и придают ей дополнительную жесткость. В таком виде захват используется для манипуляций с нанотрубками.

Рис. 3.2.3.11. Термоэлектрический захват.

Рис. 3.2.3.12. Термоэлектрический захват обрезает нанотрубку.

Рис. 3.2.3.13. Термоэлектрический захват снимает нанотрубку с зонда СТМ.

Мощность одиночного привода невелика. Для увеличения мощности формируется каскад термоэлектрических приводов.

Рис.. 3.2.3.14. Каскад термоэлектрических приводов.

Термические приводы используют деформацию плоских пластин консолей при изменении температуры. Они просты по конструкции. Набор из 4-х плоских термоприводов может быть использован для изменения наклона отражательного зеркала в системах связи узким сфокусированным лучом. При одинаковой температуре всех консолей зеркало поднимается или опускается, при разных – изменяет угол наклона. Каждая консоль соединена с зеркалом (mirror) через пару пружин (spring). Изменение наклона на 5º достигается изменением температуры на 60 К за10 мсек. (S02-02b) - Изменение наклона зеркала.

Рис.3.2.3.15. Устройство наклона зеркала с помощью плоских термоприводов и распределение температуры консолей.

Рис. 3.2.3.16. Термопривод зеркала, вид сбоку.

Термический привод с рабочими элементами, изготовленными из сплава с памятью формы (СПФ), упрощает конструкцию исполнительных устройств.

Интеллектуальными материалами (smart materials) или сплавами с памятью формы считают вещества, свойства которых меняются под воздействием внешних факторов и возвращаются к исходным после прекращения воздействия.

Сплавы с памятью формы (СПФ) обладают кристаллической структурой и являются твердыми растворами различных металлов: Ni-Ti, Cu-Al—Ni, Cu-Zn-Al, Fe-Mg-Si. Суть эффекта «памяти» заключается в изменении формы, размеров при, например, повышении температуры и возвращении к прежней форме при охлаждении. Прямое и обратное изменения происходят в два этапа. Вызванное внешними силами напряжение создает в первую очередь упругую деформацию (изменение постоянной (ребра) кристаллической решетки (КР) - длины связи). Затем происходит изменение углов КР, т.е. внутренней структуры и внешней формы материала. (Под давлением атом большего диаметра сжимается сильнее, что и приводит к перестройке структуры.) Деформация выражается не только в виде удлинения – укорочения, но в виде кручения, изгиба и т.п.

После снятия внешнего воздействия сначала происходит снятие упругой деформации связи, а затем углов КР. Из-за различия крутизны изменений каждого из этапов в зависимости σ = f (ε) для СПФ наблюдается гистерезис, характерный полимерам (рис.). Результирующая упругая деформация (и ребер, и углов) СПФ существенно выше, чем у обычных материалов: 5, 8 и даже 30 % по сравнению с десятыми долями %.

Упругие изменения структуры и, следовательно, формы вызывают нагревание механическое воздействие (давление), электрические и магнитные поля и т.п.

Сплав Ni-Ti никелид титана (Nitinol, Flexinol) при комнатной температуре находится в адекватной к «нормальным условиям» мартенситной фазе со «сдвоенной (twinned)» моноклинной КР. Деформированием можно получить «несдвоенную» моноклинную КР. При этом внешняя форма образца станет моноклинной (призматической) – происходит раздвойникование. При нагревании происходит фазовый переход к аустенитной кубической КР. В результате форма образца становится прямоугольной. Нагревание может производиться с помощью электрического тока. При охлаждении форма возвращается к моноклинной структуре. (Видео). СПФ – это «двойникующий» кристалл. Характеристические температуры (фазовых переходов аустенит – мартенсит и мартенсит – аустенит с учетом гистерезиса) для никелида титана 30 ^оС и 80 ^оС. Добавка 3% Fe снижает эти температуры до -170 ^оС и -70 ^оС, а добавка Au, Ag или Pd повышает рабочий интервал до 800 ^оС.

Для нагревания может использоваться горячая вода, солнечная радиация, климатический и суточный перепад температур, тепло живого организма и т.п.

Эффект памяти формы используется

- в качестве активатора - аналогичного мышце проволочного привода поворота (видео) или выдвижения антенны мобильного телефона,

- как термоэлектрический привод (видео) в механико-электрических микросистемах (МЭМС),

- как пружины, изменяющие свой диаметр и число витков (термочувствительность СПФ пружины в 1500 – 2000 раз больше обычной пружины),

- в системах регулирования температуры, расхода теплоносителя, автоматического пожаротушения,

- для управления закрылком крыла самолета (SMA-aer),

- в оперативно управляемых силовых приводах малогабаритных прессов (100 - мм стержень может развивать усилие до 1000 тонн),

- как саморазворачивающиеся (трансформирующиеся) элементы космических антенн, телескопических систем, стержневых несущих конструкций (ферм), выдвигающихся от действия солнечной энергии солнечных батарей,

- как аккумулятор упругой энергии (аналогичной пружине),

- для восстановления кузова автомобиля после аварии (при нагревании),

- для вытяжения костей.

Мембрана (Diaphragm) из сплава «Нитинол» (NiTi) позволяет реализовать насос. Нагревание электрическим током стимулирует фазовый переход «мартенсит – аустенит» (М03-08), в результате которого мембрана сжимается и преодолевает нажим пружины (Bias Spring). В камере под мембраной давление падает, обеспечивая втягивание определенного объема жидкости или газа. При охлаждении материал мембраны совершает обратный переход «аустенит - мартенсит» и под действием пружины опускается, выталкивая часть объема жидкости или газа в другое отверстие. Для нагревания достаточно тока 0,5 А при напряжении 1 В.

Рис.3.2.3.17. Схема работы насоса с мембраной из СПФ (клапаны не показаны).

Микрозеркала применяются в коммутаторах и модуляторах света беспроводных систем связи, в процессе проведения лазерных операций нанотехнологии.

В коммуникационных системах удобно использовать консольный термопривод (S02-02) из сплава с памятью формы (СПФ). Микрозеркало выполняется из материала проводника для нагревания консоли, например, алюминия или серебра (S02-03).

Рис. 3.3.2.1. Микрозеркало, коммутируемое термоприводом из СПФ.