Диссертация (Термобиметаллы с эффектом памяти формы), страница 5

При сравнении приводов по параметру отношения силы, развиваемойприводом, к весу активного элемента привода (force/weight) видно, что устройства сЭПФ явно превосходят все остальные. В действительности, превосходство сплавов спамятью формы также очевидно при сравнении отношений силы, развиваемойприводом, к объему активного элемента. Величины силы и перемещения,обеспечиваемые приводами с памятью формы, существенно выше, чем у двухостальных видов. Вдобавок к возможности создавать меньшие по размеру приводы,способные развивать такие же значения усилий, скорость отклика приводов с ЭПФтакже существенно выше.

Сравнение характеристики “вес/развиваемая сила” длясоленоидов, термостатов, восковых приводов и приводов на основе сплавов с памятьюформы представлена на Рисунке 8. Видно явное превосходство сплавов с эффектомпамяти формы особенно в области, где вес привода не превышает 1 грамма.Преимущество сплавов с памятью формы перед другими видами приводов можнорезюмировать в следующем:- Большая величина соотношения “смещение/масса”- Большое значение величины развиваемых усилий на единицу массы- Гибкость при выборе направления и типа смещения (кручение, растяжение,сжатие или их комбинации)- Высокая скорость срабатывания в заранее заданном интервале температур- Возможность использования в различных условиях окружающей среды- Отсутствие отходов или расходных материалов- Бесшумность срабатывания24Из вышесказанного следует, что приводы на основе сплавов с памятью формыспособны найти себе место в современной технике, предназначенной для работы внепростых и специфических условиях.Существует множество устройств, в которых успешно применяются приводы изсплавов с ЭПФ.

Элементы из сплавов с памятью формы наряду с биметаллическимиэлементамиприменяютсявкачестветемпературныхпереключателейипредохранителей [18]. При нагреве под действием чрезмерно большого тока цепьразмыкается с помощью прерывателя цепи, возврат висходное положение осуществляется вручную (Рисунок 9).Рабочийходтемпературныхпереключателейспамятью формы достаточно велик, поэтому отпадаетнеобходимость использовать храповой механизм, как прииспользованиибиметаллическихэлементов.Преимуществом элемента с ЭПФ является и малый размер.Рисунок 9. Прерыватель Кроме того, так как элементы действуют в зависимости отцепи с использованиемтемпературы, то их характерной особенностью являетсясплава с эффектом памятиформы: 1 – спираль с интегральный эффект относительно пиков токов.памятью формы; 2 –Достаточно быстродействующий двунаправленныйприжимной механизм; 3 –контакт.

[18]элемент из сплава с ЭПФ успешно применяется в качествеприводного механизма перьевого самописца [18]. Элемент с памятью формы состоитиз проволоки из сплава TiNi, нагреваемой пропусканием импульса тока откольцеобразного трансформатора тока. Чтобы предохранить элемент от чрезмерныхвнешних нагрузок, последовательно устанавливается предохранительная пружина.Схема устройства показана на Рисунке 10.

Чтобы предотвратить погрешности,обусловленные колебаниями температуры и гистерезисом, положение пераопределяется магнитным методом и обеспечивается его серворегулирование.25Привод из сплава с памятью формы такжеможет быть использован в качестве защитногоустройства для бытового водяного фильтра.Большинство водяных фильтров приходят внегодность при пропускании через них горячейводы.

Для этих целей был создан привод изсплава с ЭПФ, который защищает фильтр отРисунок 10. Конструктивная схемаперьевого самописца с использованиемсплава с эффектом памяти формы: 1 –проволока из сплава TiNi; 2 –предохранительная пружина; 3 –пружина смещения; 4 – вибратор; 5 –усилитель; 6 – выпрямитель тока; 7 –позиционный датчик; 8 – ограничитель;9 – регулировка нуля; 10 – силовойусилитель. [18]случайного попадания в него горячей воды. НаРисунке 11 показана принципиальная схемаработы термозащитного клапана для защитыфильтра [17]. Когда горячая вода проходит черезклапан, пружина из сплава с ЭПФ нагревается идеформируетупругуюконтрпружину,перекрывая клапан так, чтобы горячая вода немогла течь в фильтр, а проходила через клапан насквозь. Когда через клапан протекаетхолодная вода, упругая контрпружина открывает клапан и вода направляется вочистительное устройство.

В случае, если необходимо отключить подачу холоднойводы в фильтр, контрпружина может быть деактивирована путем поворота ручки (a).Существуетещемножествопримеров применения сплавов с ЭПФвкачестветермочувствительногоэлемента машин и установок [19]. ВсеониотличаютсяпростотойРисунок 11.

Принцип работы термозащитногоклапана. (A) – пропускание горячей воды, (Б) – устройства и производства, чтопропускание холодной воды к очистителю. [17]позволило использовать их и вкосмической технике [20]. Одним изосновных преимуществ таких элементов является нелинейность температурнойзависимости, то есть существует возможность предварительно задавать температуру26их срабатывания, что не представляется возможным осуществить, используябиметаллические элементы [21].271.2.

Технологии соединения разнородных металловКак правило, в термоприводах многократного действия на основе сплавов спамятью формы упругий и функциональный элементы являются различными телами,соединенными друг с другом. В устройствах, приведенных выше в качестве примеров,рабочими элементами приводов являются пружины. Выбор такой формы не случаен,- ведь именно пружины способны обеспечивать большие перемещения привода принезначительной деформации, которую испытывают материалы. Это обеспечиваетциклическую стабильность и, следовательно, долговечность привода. Однако однойиз основных и актуальных задач современной техники является миниатюризация.

Скаждым годом все большее предпочтение отдаетсяминиатюрным устройствам способным по-прежнемувыполнять свои функции без потери показателейосновных характеристик. Эта тенденция не обошластороной и устройства на основе сплавов с памятьюформы. Для того чтобы эти материалы сохранялисвою привлекательность с точки зрения возможностиихинтеграциивустройствамалыхразмеров,исследователи продолжают расширять область своихпредставленийпроисходящихозакономерностяхявлений,в сплавах с памятью формы, ивозможности переноса этих принципов на объектыменьшего масштаба. Примером подобного прогрессаявляется создание миниатюрных водных клапанов изРисунок12.Примерыминиатюризации устройств наоснове сплавов с памятью формы:(а) – водный клапан [22], , (б) –термочувствительная полоса изфункциональноградиентногосплава TiNi [23].сплава с памятью формы [22] (Рисунок 12, а), иминиатюрногоприводаввидеградиентно-функционального материала из сплава TiNi [23–25](Рисунок 12, в). Применительно к термоприводам сЭПФ меньший размер мог бы быть достигнут путем28соединения активного и упругого элементов в один объект с последующимуменьшением его размеров.

Это может быть реализовано в металлическихкомпозитных материалах. Когда речь заходит о возможных методах соединенияметаллов, в первую очередь имеется ввиду сварка. Однако, как показала практика, невсе виды сварки могут быть пригодны для соединения сплавов с ЭПФ между собой ис другими металлами. Это, в первую очередь, связано с явлением локальногоразогрева и плавления свариваемых объектов, что может привести к нарушениюкинетики мартенситных превращений в сплаве с памятью формы, а это, в своюочередь, делает композит непригодным к использованию [26]. Рассмотрим некоторыераспространенные методы сварки металлов:Электродуговая сваркаЭлектродуговая сварка заключается в процессе нагрева сварочного электрода исвариваемых поверхностей с последующим плавлением и перемешиваниемматериалов.

Источником тепловой энергии в данном процессе является электрическаядуга, возникающая между электродом и свариваемым материалом. Наиболеераспространенной схемой является та, в которой роль соединительного материалавыполняет расплавленный материал электрода. Однако существует и альтернативнаясхема, в которой сварка осуществляется с использованием неплавящегося электродасостоящего из графита или вольфрама. При такой схеме удается избежатьвозникновения в сварном шве частиц нежелательных фаз, приводящих к ухудшениюкачества соединения.Существует множество видов дуговой сварки, но не все их них былиисследованы с точки зрения возможности соединения сплавов с ЭПФ.

Это связано содним существенным недостатком, а именно, длительным локальным нагревом,происходящим в области сварки, который может приводить к необратимомунарушению кинетики мартенситных превращений, вызванному образованием частицвторичным фаз (в случае TiNi установлен факт возникновения частиц Ti2Ni, TiNi3 и29Ti3Ni4). Это, в свою очередь, делает материал непригодным к использованию вкачестве функционального элемента и снижает его прочностные свойства[26].Сварка трениемЭтот вид сварки является разновидностью сварки давлением и заключается влокальном разогреве свариваемых поверхностей в результате трения, возникающегопри вращении одной или обеих частей свариваемого изделия относительно другдруга.