ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПРИВОДНОЙ ЭЛЕМЕНТ
THERMOSENSITIVE DRIVE ELEMENT

Изобретение относится к области приборостроения, микромеханики и техники исполнительных элементов на основе функциональных материалов, в частности к технике устройств на основе материалов с эффектом памяти формы, и может найти применение в робототехнике, в управляющих устройствах, оптических затворах, в измерительных приборах, машиностроении, медицине, космической технике.
Известен аналог предлагаемого изобретения - термобиметаллический привод (биметаллическая пластина) [Биметаллические соединения. К.Е. Чарухина, С.А. Голованенко, В.А. Мастеров, Н.Ф. Казаков. Изд-во «Металлургия», 1970, 280 с.], включающий термочувствительный элемент в форме пластины, выполненной из двух слоев упругих металлов с различными коэффициентами теплового расширения, прочно соединенных друг с другом. При нагреве биметаллической пластины различие в коэффициентах расширения двух слоев приводит к ее изгибу. Эффект изгиба используют для совершения полезной работы и индикации: замыкания и размыкания электрических контактов, отслеживание изменения температуры, термореле, перекрытия крана жидкости, газа или светового потока и т.д.
Недостатками аналога являются особенности технологии изготовления биметаллических пластин, которые не позволяют выполнять их достаточно малого размера с хорошей адгезией между слоями, а также низкая эффективность, обусловленная малыми изгибными деформациями и, соответственно, малым максимальным изгибом биметаллической пластины. Изгибные деформации реализуются линейно с увеличением температуры, т.о. для получения достаточно больших изгибных деформаций требуется обеспечивать значительный перепад температур от начального и конечного состояния (порядка сотен градусов). Данное обстоятельство не позволяет создавать быстродействующие элементы для ряда устройств.
Кроме того, это приводит к невозможности выполнить термобиметаллический привод достаточно малого размера с заданным необходимом изгибом при нагреве.
Известен также аналог предлагаемого изобретения - термомеханический привод, выполненный в виде пластины из двух прочно соединенных слоев, из которых один изготовлен в виде сплава с эффектом памяти формы, а другой - упругий (из кремния) [Yongqing Fu, Weimin Huang, Hejun Du Characterization of TiNi shape-memory alloy thin films for MEMS applications //Surface Coatings and Technology 145, 2001, pp.107-112]. Данный термомеханический привод изготавливается из пластины Si, из которой по технологии многоступенчатого фотолитографического структурирования вытравливается кантелевер (закрепленная с одного конца пленка Si), на верхнюю часть которого методом магнетронного напыления наносится пленка TiNi, которая затем кристаллизуется при температуре около 650°С в течение 1 часа. Получившееся устройство, термомеханический привод NiTi/Si, приводится в действие нагревом всей конструкции до температуры 70+90°С, в результате термомеханический привод NiTi/Si изгибается в сторону слоя NiTi за счет термоупругого мартенситного превращения, происходящего в слое сплава NiTi. Слой из материала Si играет роль упругого слоя, который при охлаждении, возвращает термомеханический привод NiTi/Si в исходное прямолинейное состояние.
Недостатком аналога является нестабильность работы подобных структур, вызванная хрупкостью кремния, который в процессе работы разрушается из-за напряжений, возникающих на границе контакта NiTi-Si слоев, в результате чего слои NiTi-Si могут терять прочный контакт. Кроме того, для подобных структур характерна сложность изготовления, малая величина деформации и высокая стоимость.
Известен также аналог предлагаемого изобретения - термомеханический привод из сплава с эффектом памяти формы с обратимой памятью [А.Г. Хунджуа. Введение в структурную физику сплавов с эффектом памяти формы. - М.: Изд-во МГУ, 1991. - 77 с.; Журавлев В.Н., Пушин В.Г. Сплавы с термомеханической памятью и их применение в медицине. - Екатеринбург: УрО РАН, 2000. - 151 с. ], в котором обратимое формоизменение вызвано термоупругим мартенситным превращением и текстурированными полями внутренних напряжений в материале пластины, имеющий предпочтительно двумерную форму, например, в виде пластины, ленты или пленки. Способ его изготовления заключается в том, что сплав с эффектом памяти формы проходит специальную термомеханическую обработку, заключающуюся в «тренировке» материала с механической нагрузкой в процессе термоциклирования через температурный интервал термоупругого мартенситного превращения до достижения возвратимой деформации (например, изгибной), обусловленной эффектами памяти формы. В результате такой термомеханической обработки в материале возникают текстурированные поля внутренних напряжений, которые придают образцу материала (например, пластине) обратимую память формы.
Недостатком аналога является низкая технологичность, обусловленная тем, что для обратимой деформации необходима термомеханическая обработка, то есть операция деформирования элемента в мартенситном состоянии или при охлаждении через переход аустенит - мартенсит, что существенно затрудняет процесс создания микроразмерных элементов и устройств. Кроме того, эффект двухсторонней памяти формы, обусловленный созданием в материале текстурированных полей внутренних напряжений, приводит к сравнительно малой деформации, а метод термомеханической обработки является нетехнологичным и повышает общую стоимость термомеханического привода.
Прототипом предлагаемого изобретения является термочувствительный приводной элемент (актюатор), раскрытый в патенте РФ №2305874, опубл. 10.09.2007, Бюл. №25. Термочувствительный приводной элемент согласно прототипу выполнен в виде плоской пластины из двух соединенных слоев из различных материалов: первый слой из сплава с эффектом памяти формы, а второй слой из упругого материала. Слой материала с эффектом памяти формы прочно механически соединен с плоской стороной упругого слоя, причем слой из материала с эффектом памяти формы до соединения имеет одностороннюю деформацию растяжения или сжатия. Изготовление данного устройства включает операции изготовления упругого элемента, операцию изготовления элемента с эффектом памяти формы и операцию механически прочного соединения элементов между собой плоскими сторонами. Перед операцией механически прочного соединения элементов с плоскими сторонами элемент с памятью формы подвергают односторонней деформации растяжения или сжатия, а операцию механически прочного соединения элементов проводят при значениях внешних параметров и внешнего поля, отвечающих мартенситному состоянию элемента с памятью формы. В итоге при термоциклировании в интервале мартенситного превращения известный актюатор испытывает обратимые изгибные деформации.
Недостатками прототипа являются:
- неустойчивость к циклическим нагрузкам из-за наличия механического соединения между слоями, разрушающегося в процессе термоциклирования и действии изгибных деформаций;
- технологическая трудность получения достаточно миниатюрных объектов с двумя механически соединенными слоями, которое ограничивает использование данного устройства в микромеханических системах и ограничивает быстродействие приводного элемента из-за размерного фактора;
- низкая технологичность, которая выражается в многоэтапном изготовлении рассматриваемого прототипа.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков и получение нового термочувствительного приводного элемента.
Технический результат состоит в увеличении устойчивости термочувствительного приводного элемента к циклическим нагрузкам.
Для решения технической задачи и достижения технического результата предложен термочувствительный приводной элемент, изготовленный в виде пластины из слоистого композиционного материала. Слоистый композиционный материал представляет собой обладающий эффектом обратимой памяти формы материал, выполненный из кристаллического и аморфного слоев быстрозакаленного сплава с эффектом памяти формы.
Термочувствительный приводной элемент может быть выполнен в виде прямоугольной или П-образной пластины.
Толщина ленты или пластины не превышает 100 мкм, предпочтительно составляет 30÷50 мкм.
Толщина кристаллического слоя составляет от 2 до 12 мкм.
Сплав с эффектом памяти формы представляет собой квазибинарную систему TiNi-TiCu.
Сплав с эффектом памяти формы квазибинарной системы TiNi-TiCu содержит 25 ат.% меди.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
Фиг. 1 - показана схема формоизменения пластины из слоистого композита под воздействием тепла.
Фиг.2 - показан термочувствительный приводной элемент в виде прямоугольной пластины.
Фиг. 3 - показан термочувствительный приводной элемент в виде П-образной пластины.
Фиг. 4 - показан термочувствительный приводной элемент в виде прямоугольной пластины в составе термодатчика.
Фиг. 5 - показан термочувствительный приводной элемент в виде П-образной пластины в составе светозащитного затвора (модулятора оптического излучения).
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что термочувствительный приводной элемент 1 выполнен в виде пластины из слоистого композиционного материала, полученного в одном технологическом процессе сверхбыстрой закалки из расплава, при котором формируются аморфный 2 и кристаллический слои 3 с соединением структурных фаз на их границе без нарушения сплошности, что гарантирует устойчивость к циклическим нагрузкам и стабильность работы предлагаемого устройства.
к
В результате процесса сверхбыстрой закалки из расплава кристаллический слой в мартенситном состоянии (при температуре ниже температуры конца мартенситного превращения М) оказывается растянутым.
Если такой слоистый композиционный материал нагреть выше температуры начала аустенитного превращения в материале кристаллического слоя, то за счет реализации эффекта памяти формы в интервале мартенситного превращения кристаллический слой будет стремиться к сжатию, что приведет к изгибу композита, подобно биметаллической пластине. При охлаждении в процессе протекания прямого мартенситного превращения в кристаллическом слое слоистый композиционный материал возвращается в исходное состояние за счет упругости аморфного слоя.
Таким образом, слоистый композиционный материал обладает обратимой памятью формы на изгиб, обусловленной протеканием термоупругих мартенситных превращений в кристаллическом слое и противодействующей силы от упругого аморфного слоя, причем такой материал не требует какой-либо дополнительной обработки.
Предлагаемое изобретение поясняется следующими примерами.
50
26,2
23
0,8
50
26,2
23
0,8
50
26,2
23
0,8
Пример 1. Термочувствительный приводной элемент в виде прямоугольной пластины (Фиг. 2) изготовлен из слоистого аморфно-кристаллического композита из сплава с эффектом памяти формы, например, сплава TiNiCuAl, полученного методом сверхбыстрой закалки расплава (спиннингования расплава) при скорости охлаждения расплава около 3,8⋅105°К/с с толщинами аморфного и кристаллического слоев 35 мкм и 12 мкм, соответственно. В исходном мартенситном состоянии термочувствительный приводной элемент имеет прямолинейную форму (Фиг. 1). При нагреве, например, солнечным излучением, выше температуры начала аустенитного превращения (34,5°С) в кристаллическом слое происходит обратное мартенситное превращение, в результате чего образец начинает изгибаться, принимая форму, близкую к кольцу при температуре выше температуры конца аустенитного превращения (46°С). Охлаждение образца до температуры ниже конца мартенситного превращения (32°С) приводит к его возврату в исходное прямолинейное состояние. Таким образом, в быстрозакаленных аморфно-кристаллических лентах или пластинах из сплава TiNiCuAl реализуется эффект обратимой памяти формы без каких-либо дополнительных термообработок. Минимальная величина радиуса изгиба образца достигает 9 мм. Циклические исследования быстрозакаленного аморфно-кристаллического термочувствительного приводного элемента из сплава TiNiCuAl на изгиб показали высокую циклическую стойкость, более 100000 циклов без заметного ухудшения величины обратимой изгибной деформации. Подобный термочувствительный элемент может быть использован в составе устройств типа пороговых датчиков температуры, модуляторов излучения, коммутаторов, замыкателя-размыкателя контактов или термоприводов широкого класса.
50
25
24
1
50
25
24
1
50
25
24
1
5
Пример 2. Термочувствительный приводной элемент в виде прямоугольной пластины (Фиг. 2) изготовлен из слоистого аморфно-кристаллического композита из сплава с эффектом памяти формы, например, сплава TiNiCuFe, полученного методом сверхбыстрой закалки расплава (спиннингования расплава) при скорости охлаждения расплава около 4⋅10°К/с с толщинами аморфного и кристаллического слоев 35 мкм и 11 мкм, соответственно. В исходном мартенситном состоянии термочувствительный приводной элемент имеет прямолинейную форму (Фиг. 1). При нагреве, например, инфракрасным излучением, выше температуры начала аустенитного превращения (15°С) в кристаллическом слое происходит обратное мартенситное превращение, в результате чего образец начинает изгибаться, принимая форму, близкую к кольцу при температуре выше температуры конца аустенитного превращения (23°С). Охлаждение образца до температуры ниже конца мартенситного превращения (12°С) приводит к его возврату в исходное прямолинейное состояние. Таким образом, в быстрозакаленных аморфно-кристаллических лентах или пластинах из сплава TiNiCuFe реализуется эффект обратимой памяти формы без каких-либо дополнительных термообработок. Минимальная величина радиуса изгиба образца достигает 9 мм. Циклические исследования быстрозакаленного аморфно-кристаллического термочувствительного приводного элемента из сплава TiNiCuFe на изгиб показали высокую циклическую стойкость, более 100000 циклов без заметного ухудшения величины обратимой изгибной деформации.
50
28
22
50
28
22
50
28
22
Пример 3. Термочувствительный приводной элемент в виде прямоугольной пластины (Фиг. 2) изготовлен из слоистого аморфно-кристаллического композита на основе сплава с эффектом памяти формы квазибинарной системы TiNi-TiCu, например, сплава TiNiCu, полученного методом сверхбыстрой закалки расплава (спиннингования расплава) при скорости охлаждения расплава около 7,7-105°К/с с толщинами аморфного и кристаллического слоев 28 мкм и 6 мкм, соответственно. В исходном мартенситном состоянии термочувствительный приводной элемент имеет прямолинейную форму (Фиг. 1). При нагреве, например, лазерным излучением, выше температуры начала аустенитного превращения (43°С) в кристаллическом слое происходит обратное мартенситное превращение, в результате чего образец начинает изгибаться, принимая форму, близкую к кольцу при температуре выше температуры конца аустенитного превращения (53°С). Охлаждение образца до температуры ниже конца мартенситного превращения (37°С) приводит к его возврату в исходное прямолинейное состояние. Таким образом, в быстрозакаленных аморфно-кристаллических пластинах или лентах из сплава TiNiCu реализуется эффект обратимой памяти формы без каких-либо дополнительных термообработок. Минимальная величина радиуса изгиба образца достигает 7 мм. Циклические исследования быстрозакаленного аморфно-кристаллического термочувствительного приводного элемента из сплава TiNiCu на изгиб показали высокую циклическую стойкость, более 100000 циклов без заметного ухудшения величины обратимой изгибной деформации.
50
50
25
50
50
25
50
25
25
5
Пример 4. Термочувствительный приводной элемент в виде прямоугольной пластины (Фиг. 2) изготовлен из слоистого аморфно-кристаллического композита на основе сплава с эффектом памяти формы квазибинарной системы TiNi-TiCu, например, сплава TiMCu, полученного методом сверхбыстрой закалки расплава (спиннингования расплава) при скорости охлаждения расплава около 4,5⋅10°К/с с толщинами аморфного и кристаллического слоев 30 мкм и 10 мкм, соответственно. В исходном мартенситном состоянии термочувствительный приводной элемент имеет прямолинейную форму (Фиг. 1). При нагреве, например, солнечным излучением, выше температуры начала аустенитного превращения (33°С) в кристаллическом слое происходит обратное мартенситное превращение, в результате чего образец начинает изгибаться, принимая форму, близкую к кольцу при температуре выше температуры конца аустенитного превращения (43,5°С). Охлаждение образца до температуры ниже конца мартенситного превращения (29,5°С) приводит к его возврату в исходное прямолинейное состояние. Таким образом, в быстрозакаленных аморфно-кристаллических пластинах или лентах из сплава TiNiCu реализуется эффект обратимой памяти формы без каких-либо дополнительных термообработок. Минимальная величина радиуса изгиба образца достигает 6 мм. Циклические исследования быстрозакаленного аморфно-кристаллического термочувствительного приводного элемента из сплава TiNiCu на изгиб показали высокую циклическую стойкость, более 100000 циклов без заметного ухудшения величины обратимой изгибной деформации.
50
25
25
Пример 5. Быстрозакаленный термочувствительный приводной элемент выполнен в виде П-образной пластины (Фиг. 3), например, из того же материала, что и в примере 4. Пластина П-образной формы получена путем вырезания части материала из прямоугольной пластины при помощи механической вырубки, лазера, электроэрозионной резки и т.д. При этом к двум одинаковым частям (лапкам) П-образной пластины прикладывают напряжение от внешнего источника, вследствие чего при протекании электрического тока они нагреваются до температуры срабатывания термочувствительного приводного элемента. В результате этого нагрева лапки изгибаются, а при последующем охлаждении возвращаются в исходное прямолинейное состояние. Циклические исследования быстрозакаленного аморфно-кристаллического термочувствительного приводного элемента из сплава TiNiCu на изгиб показали высокую циклическую стойкость, более 20000 циклов без заметного ухудшения рабочих параметров. Минимальное время срабатывания термочувствительного приводного элемента под управлением импульсов электрического тока может составлять 10 миллисекунд и менее. Такой термочувствительный приводной элемент является активным элементом, формоизменением которого можно управлять посредством импульсов электрического тока, что может быть использовано в широком классе устройств.
Пример 6. Термочувствительный приводной элемент 1 в виде прямоугольной пластины может быть использован в конструкции термодатчика (Фиг. 4). При этом приводной элемент 1 одним концом жестко закреплен на площадке первого контакта 4, а другим концом прижимается к площадке второго контакта 5, обеспечивая их коммутацию (электрический контакт). В исходном положении (в мартенситном состоянии) приводной элемент 1 имеет прямолинейную форму. При нагреве до температуры срабатывания термочувствительный приводной элемент 1 изгибается (на фигуре показано пунктиром), тем самым размыкая электрический контакт. При охлаждении термочувствительный приводной элемент возвращается в исходное прямолинейное состояние, вновь осуществляя коммутацию контактов.
Пример 7. Термочувствительный приводной элемент 6 в виде П-образной пластины может быть использован в конструкции светозащитного затвора (модулятора оптического излучения) (Фиг. 5). При этом лапки 6 П-образной пластины жестко закреплены на площадке электрических контактов 7, располагающихся на поверхности корпуса 8, а свободная часть П-образной пластины является местом для крепления заслонки или самой заслонкой 9 и располагается так, чтобы перекрывать выходное отверстие для оптического излучения, например, лазера 10. При прикладывании напряжения на контакты 7 лапки нагреваются из-за протекания по ним электрического тока до температуры срабатывания термочувствительного приводного элемента. В результате этого нагрева лапки изгибаются (на фигуре показано пунктиром) и отклоняют заслонку, тем самым открывая вывод оптического излучения. Возврат заслонки в начальное положение осуществляется самопроизвольно при охлаждении термочувствительного приводного элемента. Подобное поведение полностью повторяется при последующих циклах охлаждение-нагрев в интервале мартенситного превращения.
Размеры термочувствительного приводного элемента могут быть уменьшены до десятых долей миллиметра без потери свойства обратимой памяти формы, что позволяет использовать его в микросистемах (микромеханические приводные элементы многократного действия, устройства модуляции оптического излучения (активные и пассивные), реле и термодатчики для малых и сверхмалых космических аппаратов, в которых вес и размеры имеют первостепенное значение).