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.
«УМНЫЕ» МАТЕРИАЛЫ
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.
«Умными» материалами называют обычные металлы, керамику или композиты, в которые внедрены датчики, возбудители, специальные химические вещества, позволяющие изменять форму, физическое состояние или механические характеристики материала в процессе эксплуатации без воздействия движущихся частей.
В космической технике разрабатываются проекты построения в космосе пространственных конструкций, антенн, ферм, платформ и т. д., которые доставляют на орбиту в сложенном (свернутом) состоянии; а затем по команде включается теплоноситель, который нагревает свернутую конструкцию, и она, распрямляясь, обретает форму, приданную ей на Земле. В дальнейшем полете эта конструкция обладает необходимой прочностью и жесткостью и не требует никаких дополнительных источников энергии для поддержания ее в заданном состоянии. Чем не сказочный терем, построенный «по щучьему велению».
Умные материалы позволяют создавать адаптирующиеся конструкции, которые могут воспринимать изменения окружающих условий и реагировать на них. Уже созданы «умные» системы подвески в автомобилях, позволяющие гасить вибрации. Идет работа над «умными» металлами, снабженными встроенными датчиками, которые будут вовремя предупреждать инженеров об опасности разрушения формы моста. ВВС США финансируют работы над несущим винтом вертолета, который может адаптироваться к среде: воспринимая степень турбулентности воздушного потока, он в ответ увеличивает свою жесткость. Достигается это с помощью семейства электро-реологических жидкостей, которые после пропускания слабого электрического тока переходят из жидкого состояния в твердое. Насыщая частичками этих жидкостей материал винта, можно гасить вибрации, которые возникают в винте. Датчики, расположенные на поверхности винта, реагируют на появление опасных завихрений и посылают сигнал, под воздействием которого частицы электро-реологических жидкостей переходят в твердое состояние, в результате чего увеличивается жесткость лопастей винта.
Военные ведомства США финансируют также работы по созданию «умной» керамики, предназначенной для носка крыла самолета. Такой носок будет сам подгонять свою форму в изменяющихся полетных условиях, дабы в любой момент достигалась максимальная подъемная сила, а в итоге улучшался коэффициент полезного действия по топливу и повышалась безопасность полета.
Под руководством профессора Ньюихэма в университете штата Пенсильвания (США) разрабатывается материал, предназначенный для того, чтобы сделать корпуса подводных лодок невидимыми для гидролокаторов. Материал в процессе движения лодки будет изгибаться и менять форму корпуса таким образом, чтобы уменьшить турбулентность водных потоков, обтекающих лодку. Без этих завихрений лодку невозможно обнаружить гидролокаторами противника. Крейг Родмерс, директор Центра систем и структур из «умных» материалов при Вирджинском политехническом институте (США) предложил использовать проволоку из сплава никель-титана (нитинол) в углепластиковых композитах. Обычные эпоксидные смолы, используемые в качестве связующего в композите при температуре выше 150 °C теряют половину своей жесткости, что является существенным сдерживающим фактором при использовании композитов в крыле современного сверхзвукового самолета. По мнению Роджерса, если в углепластик ввести волокна материала с памятью, то при возрастании температуры его прочность будет увеличиваться. Нагреваясь в процессе полета, волокна стремятся вернуться к той форме, которую они запомнили. Это сообщает материалу добавочную упрочняющую энергию. При высоких температурах жесткость нового композита более чем в 10 раз превосходит жесткость материалов, применяемых сегодня в авиастроении.
Эта же идея использования нитей из сплавов с ЭПФ в композиции со стекло- и органопластиками положена в основу мероприятий, направленных на повышение боевой живучести авиационных конструкций, т. е. стойкости этих конструкций к боевым повреждениям от попавших снарядов или попадания осколков при взрыве боевых частей ракет. При действии кратковременной динамической нагрузки, которая определяет процесс пробивания или разрушения материала при взрыве, начальная кинетическая энергия ударной волны или осколков переходит в работу упругой и особенно пластической деформации материала. Чем больше требуется затратить энергии на преодоление работы по деформированию материала, тем, естественно, труднее его разрушить (пробить). Нитинол, например, обладает 10 % относительной деформацией при растяжении. (Заметим, что у традиционных материалов и композитов она не превышает 2 %.) Поэтому добавление нитей нитинола в композитный материал повышает стойкость последнего к пробиванию. Новый материал предполагается использовать для защиты самолетов от последствий взрывов в трюмах (например, при террористических актах), столкновений с птицами, ударов камней при посадке на взлетно-посадочную полосу, а также в автомобилестроении.
Обновляются и металлические сплавы. Например, оборонные ведомства США, НАСА и семь фирм — изготовителей реактивных двигателей, начали совместное финансирование 15-летней программы стоимостью 6 млрд, долларов. Ставится задача добиться к 2003 году удвоения тяги авиационных двигателей без увеличения их размеров и веса. Сложность задачи заключается в том, что очень трудно найти материалы, которые способны выдерживать разогрев до 425 °C. При подобных температурах с топливом вступает в реакцию больше кислорода, и оно сгорает полнее, повышая КПД двигателя. Титан — традиционный материал для реактивных двигателей — не выдерживает такого режима и начинает выгорать. Группа исследователей в рамках указанной программы ведет поиск в области т. н. интерметаллидов — особых химических соединений, в которых металлы взаимодействуют, не подчиняясь правилу нормальной валентности и создавая особую кристаллическую структуру. Интерметаллиды, созданные на основе титана и алюминия или никеля и алюминия обладают достаточно низкой плотностью и выдерживают температуру до 760 °C. А если еще в них ввести керамические волокна, то получаются композиты, которые при той же массе будут обладать втрое большей прочностью, чем сплавы, используемые сейчас в реактивных двигателях.
Современные научные достижения в области материаловедения поистине не знают предела. Совсем недавно появились публикации о применении гидридов металлов в качестве источников топлива для водородных двигателей. На дорогах штата Джорджия (США) начались испытания автобуса с водородным двигателем, который практически не производит вредных выбросов. Автобус, разработанный при содействии Технологического института штата Джорджии и министерства энергетики США, стал одним из первых транспортных средств, в котором источником водорода являются не топливные элементы, а гидриды металлов. При нагревании гидридов происходит медленное восстановление водорода. Газ поступает в обычный двигатель внутреннего сгорания, приводящий в движение электрогенератор, который, в свою очередь, подзаряжает аккумуляторную батарею. Пробег автобуса до пополнения запаса водорода составляет не менее 160 км.
Таким образом, мы познакомились с некоторыми нетрадиционными конструкционными материалами, которые обладают принципиально новыми физико-химико-механическими и потребительскими свойствами и которые несомненно представляют собой конструкционные материалы будущего третьего тысячелетия. Движение научно-технического прогресса предполагает перенесение акцентов на ресурсосберегающие технологии получения перспективных материалов, научные исследования, по которым находятся в стадии непрерывного развития. Внедрение перспективных, специально разработанных для решения конкретных задач материалов позволит добиться не только значительной экономии металла, снижения массы изделий и улучшения их потребительских качеств, но и получить решение многих научных, конструкторских, технологических проблем, принципиально недостижимых при использовании традиционных материалов.
З. С. Семенова
КАК СТАТЬ АРИЭЛЕМ?
Об авторе:
СЕМЕНОВА ЗОЯ СЕМЕНОВНА — бывший сотрудник одного из подмосковных НИИ, инженер.
К ЧИТАТЕЛЯМ
Все мы летаем. По крайней мере, во сне. Правда, у многих с возрастом такое умение пропадает — став взрослыми, мы даже во сне стараемся потверже держаться на матушке-земле. И тем не менее, весьма многих, даже умудренных жизнью людей, продолжает интересовать вопрос: «Способен ли человек летать?» Причем летать не на самолете или ином летательном аппарате и даже не так, как это делают птицы или насекомые. Многие не прочь взлететь так, как это сделал Ариэль в одноименном научно-фантастическом романе Александра Беляева. Человек не машет рукой, не напрягается особ