КОМПОЗИТНЫЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ
COMPOSITE FUNCTIONAL MATERIAL

Изобретение относится к технике создания композитных (многокомпонетных), функциональных материалов, т.е., изменяющих свои форму и размеры под воздействием различных физических полей, в частности к технике материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ), и может найти применение в машиностроении, приборостроении, радиоэлектронике, микромеханике, в технологии датчиков для испытания технических систем и др.
Известен аналог предлагаемого технического решения - композитные материалы, включающие прочно соединенные по плоскости слои материалов с различными прочностными свойствами, обеспечивающие улучшенные конструкционные и прочностные свойства композитов, по сравнению с однородными материалами [1]. Однако данные материалы не применяются как функциональные, т. е. не изменяют свою форму и размеры при воздействии внешних полей.
Известен аналог предлагаемого технического решения - биметаллическая пластина [2], включающий функциональный элемент, выполненной из двух слоев упругих металлов с различными коэффициентами теплового расширения, прочно соединенных друг с другом плоской стороной. При подогреве биметаллической пластины (внешним источником тепла или Джоулевым теплом пропускаемого через нее электрического тока) различие в коэффициентах расширения двух слоев пластины приводит к относительному растяжению пластины с одной стороны и сжатию с другой. В результате - пластина изгибается. Эффект изгиба используют для совершения полезной работы: замыкания и размыкания электрических контактов, срабатывания защелки, перекрытия крана магистрали жидкости или газа и т.д.
Недостатком аналога является низкая эффективность, обусловленная малыми термоиндуцированными деформациями упругих слоев и, соответственно, малый максимальный прогиб свободного торца пластинки, малая чувствительность к воздействию внешнего теплового поля и ограниченные функциональные возможности, восновном функцией датчика температуры или электрического тока.
Известен также аналог предлагаемого технического решения - функциональный материал [3], выполненный из сплава с эффектом памяти формы (ЭПФ) например NiTi, в виде, проволоки, пластины, ленты, пленки, фольги или оболочки, управляемый при помощи источника теплового поля, способного вызвать термоупругое мартенситное превращение в сплаве. Первоначально сплав в высокотемпературном, аустенитном состоянии деформируют пластически для придания ему какой-либо необходимой формы, например изогнутой. Затем материалу придают в низкотемпературной мартенситной фазе измененную форму, например прямолинейную. (Эту операцию можно назвать тренировкой на односторонний ЭПФ). Если материал затем нагреть до температуры выше точки перехода мартенсит - аустенит, то сплав переходит в аустенитное состояние и возвращается в первоначальное (до тренировки), например, изогнутое состояние. Такой эффект получил название - односторонний эффект памяти формы.
Недостатком аналога является низкая эффективность и низкая технологичность, обусловленная тем, что при одностороннем ЭПФ необходимо предварительно осуществить деформацию (изгиб) функционального материала в низкотемпературной мартенситной фазе (натренировать на односторонний ЭПФ), а такая операция не технологична, а, в некоторых случаях, например, в микро- и наномеханике практически неосуществима.
Известен также патент [4], в котором описан аналог предлагаемого технического решения. Функциональный материал, описанный в этом патенте, - ферромагнитный сплав с ЭПФ Ni-Mn-Fe-Ga, обладающий тем свойством, что в нем термоупругое мартенситное превращение может быть вызвано изменением внешнего магнитного поля. Функционирование этого материала аналогично аналогу [3], но для изменения формы может использоваться магнитное поле при постоянной температуре.
Ему присущи все указанные для предыдущего аналога недостатки, хотя для его работы используется изменение магнитного поля, а не теплового.
Прототипом данного технического решения является функциональный двухслойный композитный материал [5], в котором слои прочно соединены плоской стороной друг с другом и имеют различные свойства во внешнем поле (тепловом поле), причем один из них является чувствительным к воздействию внешнего поля (пленка сплава NiTiCu/Mo), и его деформация обратимо изменяется под воздействием внешнего поля в пределах рабочего диапазона изменения внешнего поля, а материал второго слоя (кремниевая подложка, ее деформацией во внешнем поле в рабочем диапазоне температур можно пренебречь) является упругим в пределах изменения деформаций, которые достигаются в этом слое, в переделах всего рабочего диапазона изменения внешнего поля. Композитный материал согласно прототипу обеспечивает контролируемые внешним полем обратимые деформации изгиба.
Недостатком данного способа является низкая эффективность, которая выражается в невысокой достигаемой изгибной деформации исполнительно элемента, а также низкая технологичность и ограниченные функциональные возможности, т.к. изгибная деформация композита является обратимой и не может служить основой создания устойчивых конструкций или датчиков максимальных полей.
Цель предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности функционального материала, в частности в усилении изгибной деформации, вызванной воздействием внешнего поля (теплового, магнитного или поля механических напряжений), расширении функциональных возможностей за счет достижения необратимого (устойчивого) изменения формы в результате воздействия внешнего поля, а также в повышении технологичности и упрощении автоматизированного массового производства материала.
Поставленные цели достигаются тем, что в функциональном композитном двухслойном материале, включающем по крайней мере два слоя, причем слои прочно соединены плоской стороной друг с другом и имеют различные свойства во внешнем поле, при этом один из них является чувствительным к внешнему полю, деформация сжатия или растяжения которого изменяется во внешнем поле, а другой выполнен из упругопластического материала, и его порог текучести лежит в пределах изменения деформаций этого слоя, которые достигаются в композитном функциональном материале, в переделах рабочего диапазона изменения внешнего поля.
Поставленные цели достигаются также тем, что чувствительный к внешнему полю слой композитного функционального материала выполнен из материала с эффектом памяти формы, предварительно, до соединения с упругопластическим слоем, псевдопластически растянутого или сжатого, а в качестве поля, воздействующего на материал, использовано температурное поле нагрева выше мартенситного перехода, причем предел текучести упругопластического слоя выбран в интервале деформаций этого слоя, достигающихся при мартенсит-аустенитном переходе в чувствительном слое, происходящем в рабочем интервале температур.
Поставленные цели достигаются также тем, что чувствительный слой композитного функционального материала выполнен из предварительно деформированного на растяжение или сжатие слоя ферромагнитного сплава с эффектом памяти формы, а воздействие внешним полем осуществляется при помощи магнитного поля, причем переход мартенсит-аустенит в чувствительном слое происходит в рабочем диапазоне изменения магнитного поля.
Поставленные цели достигаются также тем, что чувствительный к внешнему полю слой выбран упругим во всем рабочем диапазоне внешнего силового поля, в качестве которого выбрано поле механических напряжений растяжения или сжатия в плоскости слоев, а предел текучести упругопластического слоя выбран в рабочем диапазоне изменения внешнего поля механических напряжений.
Новым в предложенном техническом решении, по сравнению с известным, является то, что слои композитного функционального материала имеют неодинаковый предел текучести, который достигается в одном из слоев, а именно упругопластическом, в пределах рабочего диапазона воздействующего поля и таким образом в композите при снятии поля возникает сильная остаточная необратимая изгибная деформация, которая достигается несмотря на то, что используется только плоская конструкция композита, а воздействие внешнего поля однородно, в частности, механические напряжения растяжения или сжатия прикладываются в плоскости композита.
В дальнейшем предлагаемое техническое решение поясняется в связи с чертежами.
На фиг.1 представлена схема, поясняющая принцип работы композитного функционального материала. 1 - слой, чувствительный к внешнему полю, 2 - упругопластический слой, а - до воздействия поля, б - после воздействия поля.
Фиг.2 представляет схему формирования конструкции, из предлагаемого композитного функционального материала, 1 - слой, чувствительный к внешнему полю, 2 - упругопластический слой, а - до воздействия поля, б - после воздействия поля.
Фиг.3 представляет расчетную эпюру механических напряжений в сечении композитного функционального материала, по п.2 формулы изобретения, а - механические напряжения в упругопластическом слое, б - механические напряжения в чувствительном слое.
Фиг.4 представляет расчетную эпюру механических напряжений в сечении композитного функционального материала, по п.4 формулы изобретения, а - механические напряжения в упругопластическом слое, б - механические напряжения в чувствительном слое.
Сущность предлагаемого технического решения состоит в том, что два слоя композитного (слоистого) функционального материала - чувствительный к внешнему полю 1 и упругопластический 2 (см. фиг.1) прочно соединены плоскими поверхностями, подобно биметаллической пластинке. В результате воздействия поля, которое деформирует слои однородно, упругопластический слой испытывает в пределах рабочего диапазона внешнего поля необратимую пластическую деформацию, а чувствительный - нет. Следовательно, после снятия воздействия поля композитный функциональный материал окажется неоднородно деформированным и приобретет в свободном состоянии изгибную деформацию. Результирующая необратимая деформация изгиба композита может быть использована, например, для измерения воздействия внешнего поля - в частности, при создании максимального термометра или датчика максимальной деформации, а также для формирования конструкции из материала без применения штампа или операции изгиба другим инструментом. В некоторых случаях, например в микро- или биомеханике, такой способ формирования изделия из материала может оказаться единственно возможным и представляет, фактически, «самосборку» конструкции.
«Самосборка» конструкции осуществляется следующим образом (см. фиг.2а, б). Первоначальной конструкция из композитного функционального материала изготовляется в виде трафарета чувствительных слоев 1 на поверхности упругопластического слоя (см. фиг.2а). Затем однородным воздействием внешнего поля (нагрева, растяжения или магнитного поля) чувствительный слой деформируется (на фиг.2б, он сжимается), то есть функциональный материал активируется. Конструкция, предоставленная сама себе во внешнем однородном поле, принимает заранее заданную форму. Такая форма устойчива и сохраняется после снятия поля, так как упругопластический слой в участках максимальной кривизны функционального материала достиг предела текучести, и его деформация стала необратимой.
Рассмотрим физические принципы работы предлагаемого технического решения и сравним достигаемый эффект с известными аналогами. В основе работы предлагаемого технического решения лежит то, что изгибная деформация композитной пластины есть сжатие на внутренней стороне и растяжение на внешней. Предлагаемый композитный функциональный материал состоит из чувствительного к внешнему полю слоя материала 1 и упругопластического слоя 2 (см. фиг.1). Применив математическую модель для расчета биметаллического композита [2], можно определить зависимость радиуса скручивания композита от модулей упругости материалов слоев, их толщин, а также величины деформации чувствительного слоя во внешнем поле. Описываемая зависимость выглядит следующим образом:
Nikel
TiNi
Дальнейшее изучение дает возможность определить напряжения, возникающие в свободной (незакрепленной) биметаллической пластине при ее нагреве. Напряжения, возникающие в упругом слое и слое с ЭПФ, равны σ и σ соответственно:
0
1
2
1
2
В формулах (1) и (2) использованы следующие обозначения: R - радиус изгиба слоя спайки композита (при нагреве), l - первоначальная длина чувствительного слоя с ЭПФ (до предварительного деформирования), h - толщина упругого слоя, h - толщина слоя с ЭПФ, Е - модуль упругости первого рода упругого слоя, Е - модуль упругости первого рода слоя с ЭПФ, Δl - величина предварительного деформирования слоя с ЭПФ, α - угол раствора композита, у - расстояние от слоя спайки (в упругом слое), z - расстояние от слоя спайки (в слое с ЭПФ).
Прежде всего, рассмотрим случай воздействия на композит температурного поля. Рассмотрим, например, композит, состоящий из слоя никелида титана и слоя никеля (такой композит может служить датчиком максимальной температуры). Примем следующие значения констант:
1. Никелид титана:
1
- Модуль упругости первого рода Е=80 ГПа
T
- Предел текучести σ=900 МПа
2. Никель:
2
- Модуль упругости первого рода Е=200 ГПа
T
- Предел текучести σ=80 МПа
0
1
2
1
2
Пусть композит имеет при изготовлении следующие характеристики: l=25 мм, h=20 мкм, h=20 мкм, Е=200 ГПа, Е=80 ГПа, Δl=0,25 мм.
Если в процессе эксплуатации композита рабочая температура превысит температуру обратного мартенситного перехода для никелида титана, то композит изогнется и в нем возникнут напряжения, изображенные на эпюре фиг 3а, б. Из приведенных графиков видно, что напряжения, возникающие в слое с ЭПФ, не превосходят предел текучести для никелида титана по всему сечению, в то время как в упругом слое почти по всему сечению возникают напряжения, заметно превышающие предел текучести никеля. Это приведет к появлению остаточных деформаций в слое никеля и, соответственно, неполному возвращению в прямолинейное состояние после охлаждения. Таким образом, появляется возможность по наличию остаточного радиуса изгиба композита утверждать, что в процессе эксплуатации рабочая температура превысила температуру обратного мартенситного перехода для никелида титана. Зная, что изменение химического состава никелида титана оказывает сильное влияние на температуру мартенситного перехода, можно создать группу датчиков, каждый из которых будет иметь пластическую деформацию только при нагреве выше температуры мартенситного перехода для данного конкретного датчика из всей группы.
Далее рассмотрим случай композитного функционального материала в поле механических напряжений. Например, рассмотрим композит, состоящий из слоев титана и никеля. Он может быть использован при изготовлении датчика максимальной деформации.
Примем следующие константы материалов:
1. Титан (2):
2
- Модуль упругости первого рода E=110 ГПа
Т
- Предел текучести σ=300 МПа
2. Никель (1):
1
- Модуль упругости первого рода E=200 ГПа
Т
- Предел текучести σ=80 МПа
Для измерения деформации необходимо прочно разместить композит на растворимой подложке и приклеить к конструкции, деформацию которой необходимо исследовать. После того как конструкция подвергнется деформированию, при котором напряжения, возникающие в слоях растянутого композита, превысят предел текучести менее прочного материала и освобождения композита от подложки, композит изогнется.
При упругих деформациях в обоих слоях возникают следующие напряжения:
1
OST
1
2
OST
2
1
2
σ=εE - напряжения в слое никеля, σ=εE - напряжения в слое титана, где E и Е - модули упругости первого рода никеля и титана, соответственно
1
Т
2
OST
2
Как только напряжения в слое никеля превысят предел текучести, будет выполняться следующее условие: σ=σ - напряжения в слое никеля (равно пределу текучести), σ=εE - напряжения в слое титана.
После снятия нагрузки (освобождения композита) в слое никеля останется часть деформации (пластическая деформация). Под действием этой деформации композит изогнется по радиусу:
1
2
1
2
OST
В формуле (3) использованы следующие обозначения: R - радиус изгиба композита после снятия нагрузки, h - толщина слоя никеля, h - толщина упругого титана, Е - модуль упругости первого рода слоя никеля, Е - модуль упругости первого рода слоя титана, ε - остаточная деформация в слое никеля.
Измерив радиус изгиба композита, можно вычислить соответствующую остаточную деформацию, затем, прибавив к ней долю упругой деформации, можно определить суммарную деформацию, которой была подвергнута конструкция в данной области.
Расчет по формулам (1)-(3) типично дает значения деформаций, существенно превышающих значения деформаций в известных аналогах - функциональных биметаллических композитах. Это объясняется использованием ЭПФ, которому характерны обратимые деформации величиной до 10%. Кроме того, достигаемые деформации не ограничены пределом текучести упругого слоя, в отличие от аналогов.
Предлагаемые слоистые пленочные структуры композитного функционального материала весьма технологичны, в том числе при массовом производстве, а также обладают большой возможностью выбора применяемых материалов, в качестве которых можно использовать как металлы, так и полимеры, аморфные материалы, наноструктурированные материалы и др.
Рассмотрим конкретные примеры реализации композиционного функционального материала согласно предлагаемому техническому решению.
1
2
1
2
Пример 1. В качестве примера реализации композиционного функционального материала рассмотрим эскиз конструкции, представленной на фиг.2а, б. Конструкция выполнена из композитного материала, состоящего из упругопластического слоя 2, выполненного из алюминия и чувствительного слоя, 1, выполненного из сплава с ЭПФ-никелида титана марки НТ20. Чувствительный слой сформирован в виде трафарета и прочно приклеен к поверхности слоя 1 при комнатной температуре 20°C. Чувствительный слой предварительно в мартенситном состоянии пластически деформирован на растяжение ε=10%. Рабочий интервал температур включает интервал мартенситного перехода, который для сплава НТ20 составляет 40-60°С. При нагревании от комнатной температуры 20°С до 80°С чувствительный слой сжимается, переходя в аустенитное состояние, а в целом, композитный материал необратимо деформируется на изгиб. Т.о. формируется объемная устойчивая конструкция, представленная на фиг.2б. Габариты конструкции определяются размерами листа алюминия, а радиусы закругления - толщинами слоя алюминия (h) и никелида титана (h). При h=0,5 мм и h=0,5 мм R=7 мм по формуле (1). Для приклеивания можно использовать, например, акриловый клей с прочностью на сдвиг 400 МПа.
1
2
Пример 2. Композитный материал сформирован из чувствительного слоя сплава с ЭПФ никелида титана марки НТ20 и упругопластического слоя гальванического никеля. Величина предварительной деформации чувствительного слоя ε=1%, причем гальванический никель наносится при комнатной температуре. Композит размещен на поверхности исследуемого объекта, например радиоприбора. При превышении температуры перехода мартенсит - аустенит (60°С, в данном примере), композит необратимо деформируется. При этом при h=20 мкм, h=20 мкм радиус кривизны композита расчитывается по формуле (2) R=2,8 мм. Таким образом, композит функционирует в качестве максимального термометра. Такой композит может применяться, например, в технологии испытания радиоприборов.
Пример 3. Композитный материал выполнен так же, как в примере 2, но чувствительный слой выполнен из ферромагнитного сплава с эффектом памяти формы Ni-Mn-Fe-Ga. Мартенситное превращение в этом сплаве происходит при температуре 60°С [4]. Диапазон рабочих магнитных полей до 10 Тл. Кривизна композита после воздействия магнитного поля такая же, как в Примере 2.
OST
Пример 4. Композитный материал выполнен из чувствительного слоя - пленки никелида титана марки НТ20 толщиной 20 мкм и упругопластического слоя - гальванического никеля толщиной 20 мкм. Композитный материал приклеивается, например, к поверхности исследуемой конструкции, в которой в процессе испытаний развиваются деформации, создающие в композите однородное силовое поле механического напряжения. Предел текучести упругопластического слоя составляет 80 МПа. Рабочий диапазон механических напряжений композита составляет от 0 до 300 МПа (предел текучести чувствительного слоя титана). Если в процессе испытаний конструкции напряжения сжатия или растяжения в упругопластическом слое превысили 80 МПа, то после отклеивания композита его кривизна по знаку и величине будет отвечать максимальным деформациям, которые испытывала конструкция. Рабочий диапазон деформаций композита определяется пределом текучести упругого слоя титана и его модулем Юнга, он составляет 0,27%. Деформация, которой соответствует предел текучести чувствительного слоя, составляет 0,04%. Пусть деформация композита в процессе испытания составила 0,1%. Т.о. деформация в упругом слое будет носить чисто упругий характер, а в чувствительном слое будет наблюдаться как упругая деформация, так и пластическая. Доля пластической деформации чувствительного слоя составит 0,06%, т.к. 0,04% являются упругими деформациями. После отклеивания композита его радиус измеряется, он составляет R=45 мм. Данное значение радиуса подставляется в формулу (4) и дает следующее значение остаточных деформаций: ε=0,061%
ost
общ
Зная, что доля упругой деформации для упругопластического слоя составляет 0,04%, прибавляем к ней найденное значение ε=0,061% и тем самым находим максимальную деформацию, которую испытал композит ε=0,1%.
Таким образом, технический результат от применения предлагаемого технического решения может заключаться как в количественном увеличении достигаемой деформации, так и в расширении функциональных возможностей применения материала. Новый материал может найти применение как в обычной технологии при создании более дешевых и эффективных датчиков, так и микромеханике, где самосборка конструкций может оказаться единственно возможным способом создания устойчивых изделий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Н.А.Алфутов, П.А.Зиновьев, Б.Г.Попов. Расчет многослойных пластин и оболочек из композитных материалов. М.: Машиностроение, 1984, с.264.
2. Л.Е.Андреева. Упругие элементы приборов. М.: МАШГИЗ, 1962.
3. А.Г.Хунджуа. Введение в структурную физику сплавов с эффектом памяти формы МГУ, 19691.
4. А.Н.Васильев и др. Способ управления формой исполнительного элемента. Патент РФ №2221076. Опубл. 10.01.2004, БИ №1.
5. В.Winzek et al. Recent developments in shape memory thin film. Materials Science and Engineering. A 378, 2004, pp.40-46.