Алим Войцеховский - ЗНАК ВОПРОСА 1997 № 04

Материалы, обладающие эффектом памяти формы, стали использовать для выполнения функций, до сих пор вообще несвойственных конструкционным материалам. Примером тому может служить использование никелида титана в конструкции летательного аппарата в качестве привода одноразового действия.

На рис. 23. схематично изображена конструкция привода для расстыковки в полете блоков летательного аппарата. Приводом является сильфон 1, имеющий в полете до расстыковки форму, показанную на рис. 23 а. Технология изготовления сильфона-привода следующая. Из листовой заготовки никелида титана изготавливают цилиндр, который подвергается термической обработке на память в вакууме или в среде инертных газов. После охлаждения и пластической деформации заготовке придается форма, показанная на рис. 23, а, позволяющая установить привод в шину блока. Затем устанавливается спираль для обогрева привода, и в таком виде привод готов к установке на борт. В полете, после прохождения команды на расстыковку блоков, включается система электрического обогрева с помощью спирали 2. В результате прогрева привода выше практической (Т > М к) происходит восстановление формы сильфона и расстановка блоков (рис. 23). В процессе обратного мартенситного превращения при нагреве никелида титана генерируются значительные напряжения, позволяющие осуществить расстановку и при этом изменить скорость движения блоков (патент США № 31744861).

В зарубежных публикациях появились сообщения о двигателе, работающем на принципе попеременного нагрева-охлаждения спиц, меняющих свою форму.

Основной его частью является колесо со спицами из никелцца титана, прямыми в нагретом состоянии и изогнутыми в холодном. В горячей воде спица, выпрямляясь, толкает колесо, которое начинает вращаться; за счет этого спица оказывается в холодной воде и изгибается. На ее месте оказывается другая спица, и цикл повторяется. Для работы такого двигателя достаточно перепада температуры в 23 °C.

При вращении колеса движение передается генератору, вырабатывающему электроэнергию, достаточную для свечения лампы накаливания небольшой мощности. С помощью такого двигателя можно рациональнее использовать солнечную энергию.

Характерной особенностью материалов с памятью является то, что на их действие влияет не среда или атмосфера, а только температура. Поэтому изделия из материала с ЭПФ могут одновременно выполнять функции датчиков пороговой температуры и функции исполнительных элементов одновременно. Широкое распространение этих материалов в качестве исполнительных механизмов обусловлено простотой механизма их действия, а также тем, что исполнительный элемент состоит из одного сплава.

Свойства сплавов с ЭПФ открывают возможности использования их в таких отраслях, в которых трудно было предположить применение новых материалов, в частности, в медицине.

При применении таких сплавов в медицине необходимо, чтобы они обеспечивали не только выполнение механических функций, но и химическую надежность (сопротивление ухудшению свойств в биологической среде, сопротивление разложению, растворению, коррозии), а также биологическую надежность (биосовместимость, отсутствие токсичности, концерогенности, сопротивления образованию тромбов и антигенов). Наибольшей биологической стабильностью обладают сплавы титан — никель (нитинол).

Эффективность использования нитинола в медицине можно показать на примере стержня Харинтона, применяемого при искривлении позвоночника. Различные искривления позвоночника (врожденные, обусловленные вредной привычкой, нервозностью, рахитом или болезненным состоянием) приводят к сильной деформации позвоночника при ходьбе. Это не только вызывает боль, но и оказывает вредное влияние на внутренние органы, поэтому в этих случаях необходима ортопедическая хирургическая операция. В настоящее время при такой операции применяют стержень Харинтона, изготовленный из нержавеющей стали. При установке корректирующего стержня необходимо, чтобы сила, воздействующая на позвоночник, не превышала определенной, строго заданной величины. Однако в некоторых случаях возникает сила, превышающая допустимую, что приводит к повреждению фиксирующих приспособлений, появляется опасность повреждения не только позвоночника, но и нервных волокон. Кроме того, хотя корректирующий стержень и устанавливается таким образом, чтобы корректирующая сила была строго заданной, но спустя 30 мин после установки, она уменьшается на 20 %, а через 10–15 дней — на 30 % от первоначального значения. При этом возникает сильная физическая боль. Для восстановления необходимой корректирующей силы необходима повторная операция.

Если для стержня Харинтона применить сплав с ЭПФ, то установить стержень можно за один раз. Если после операции стержень Харинтона из сплава с ЭПФ нагреть до температуры на 5 °C превышающей температуру тела, то можно создать необходимую корректирующую силу. Необходимость в повторной операции отпадает.

Примером широко осуществляемого практического применения материалов с эффектом памяти формы может быть использование проволоки из нитинола для закрепления очковых линз. Проволока из этого сплава, введенная в канавку очковых линз, обеспечивает постоянную силу их крепления. В отоларингологии проволока из Ti — Ni применяется для риноскопов, необходимых для диагностики и лечения заболеваний носа, для молоточков ушной раковины (в случае повреждения молоточков при воспалении среднего уха), для проволочных петель, необходимых для удаления полипов и миндалин. Сплавы с ЭПФ находят также применение при изготовлении искусственных мышц-протезов, искусственных суставов, Вправлении вывихов, исправлении положения зубов.

В настоящее время трудно представить себе все области применения сплавов с памятью формы, однако с уверенностью можно предположить, что наиболее перспективное применение такие материалы найдут в тех областях техники, где требуются так называемые само-сооружаемые конструкции, о которых речь пойдет в следующем разделе.

Известный герой русских народных сказок мечтал о том, чтобы терем строился «по щучьему велению, по его хотению», избушка на курьих ножках поворачивалась по волшебному слову, а «ступа с бабою Ягой» брела куда-нибудь «сама собой». Эти пожелания сказочного героя, похоже, начинают выполняться благодаря внедрению так называемых умных материалов, обладающих некоторыми характеристиками живых существ.