Автомобили с памятью формы

Тепловые машины на основе сплавов с памятью формы

До 60 % энергии, вырабатываемой в США, теряется. Значительную часть этих потерь составляет тепло, выделяемое миллионами транспортных средств и электростанциями. Ученые из компании «General Motors» («GM») пытаются уловить эту бесполезно теряемую энергию, используя экзотические материалы, которые называются сплавами с памятью формы. Такие материалы позволяют превращать тепло в механическую работу, которую далее можно преобразовать в электроэнергию. Первой целью, которую поставил себе руководитель этой группы Алан Браун (Alan Browne), было использование тепла от выхлопной системы автомобилей для питания кондиционеров или радиоаппаратуры, чтобы двигатель машины не тратил на это энергии.

Схема тепловой машины на основе сплава с памятью формы

Браун планирует использовать тепло с помощью приводного ремня из параллельных прядей никельтитанового сплава, способного «запоминать» определенную форму. Все такие сплавы совершают переходы туда и обратно между двумя состояниями. В данном случае это жесткое «исходное» состояние и более податливое состояние при более низкой температуре. В системе «GM» ремень охватывает три шкива, оси которых образуют углы треугольника. Один шкив должен находиться у горячей выхлопной системы, а два других — дальше от нее, где температура ниже. В результате сжатия при нагреве в высокотемпературном углу и расширения в более холодных углах ремень «гонит» себя вокруг шкивов, вращая их. Шкивы могут вращать вал генератора. Чем больше разница температур, тем быстрее движется ремень и тем больше энергии вырабатывается.

Построенный в «GM» опытный образец предназначен лишь для демонстрации осуществимости концепции, а не для практического применения. Его маленький десятиграммовый ремень способен вырабатывать всего около 2 Вт, достаточных для питания ночника. Браун утверждает, что технологию можно довести до выпуска на рынок в течение десяти лет и что нет технических препятствий для оснащения такими тепловыми машинами на основе сплавов с памятью формы существующего оборудования от бытовой техники до градирен элек тростанций. Поскольку эти сплавы могут работать уже при разности температур всего в 100 °С, они открывают широкий круг возможностей, которые раньше считались неосуществимыми, говорит Джефф Макнайт (Geoff McKnight), материаловед из «HRL Laboratories». Конструкция GM проста, но воплотить ее не так легко. Сплавам с памятью формы свойственна усталостная хрупкость, а для «закладки» памяти формы необходимы три месяца непрерывной обработки материала. Проволоку трудно соединить в ремень. Непросто обеспечить и эффективные нагрев и охлаждение ремня воздухом. Браун не уточняет, как именно подходит его группа к решению всех этих проблем, говоря только, что они пробуют проволоку разных диаметров, геометрию ремня и способы его нагрева и охлаждения — все, что наука и человек могут придумать для каждой переменной.

«GM» не одинока в своем стремлении использовать теряемое тепло. Разработкой материалов для преобразования тепла в электроэнергию занимается Санджив Синха (Sanjiv Sinha) из Иллинойсского университета. Если тепловые машины удастся встраивать в существующее и будущее оборудование, приложениям числа не будет: от тысяч градирен и промышленных котлов до миллионов бытовых радиаторов, холодильников и дымоходов, не говоря уже о тракторах, грузовиках, поездах и самолетах. Во всем мире можно будет генерировать квинтилионы джоулей, что позволит сократить потребление ископаемого топлива.

Читайте также

В 1889 году Ипполит Романов сконструировал первый российский электромобиль и хотел наладить городское электрическое сообщение. Но электромобили Романова не появились массово на улицах городов – мечте не суждено было сбыться.

Многие задаются вопросом: что лучше – вариатор или автомат? Статья отвечает на этот вопрос, рассматривая устройство как вариатора, так и автомата, что позволяет взвесить их преимущества и недостатки.

Источник статьи: http://icarbio.ru/articles/teplovye-mashiny-splavy-s-pamjatu-formy.html

Эффекты памяти формы: материалы и механизм действия. Возможности применения

Согласно общепринятому мнению, металлы – наиболее прочные и устойчивые материалы. Однако существуют такие сплавы, которые могут после деформации восстанавливать свою форму без приложения внешней нагрузки. Для них характерны и другие уникальные физико-механические свойства, выделяющие их среди конструкционных материалов.

Сущность явления

Эффект памяти формы у сплавов заключается в том, что предварительно деформированный металл самопроизвольно восстанавливается в результате нагрева или просто после снятия нагрузки. Эти необычные свойства были замечены учеными еще в 50-е гг. XX в. Уже тогда данное явление было связано с мартенситными превращениями в кристаллической решетке, при которых происходит упорядоченное перемещение атомов.

Мартенсит в материалах с эффектом памяти формы является термоупругим. Эта структура состоит из кристаллов в виде тонких пластин, которые вытягиваются в наружных слоях, а во внутренних – сжимаются. «Носителями» деформации являются межфазные, двойниковые и межкристаллитные границы. После нагрева деформированного сплава появляются внутренние напряжения, пытающиеся вернуть металл в начальную форму.

Характер самопроизвольного восстановления зависит от механизма предшествующего воздействия и температурных условий, при которых оно протекало. Наибольший интерес представляет собой многократная цикличность, которая может составлять несколько миллионов деформаций.

Металлы и сплавы с эффектом памяти формы обладают и другим уникальным свойством – нелинейной зависимостью физических и механических характеристик материала от температуры.

Разновидности

Вышеописанный процесс может проявляться в нескольких формах:

• сверхпластичность (сверхупругость), при которой кристаллическая структура металла выдерживает деформации, значительно превышающие предел текучести в обычном состоянии;
• однократная и обратимая память формы (в последнем случае эффект неоднократно воспроизводится при термоциклировании);
• пластичность прямого и обратного превращения (накопление деформации во время охлаждения и нагрева, соответственно, при прохождении через мартенситное превращение);
• реверсивная память: при нагревании сначала происходит восстановление одной деформации, а затем, при дальнейшем увеличении температуры, – другой;
• ориентированное превращение (накопление деформаций после устранения нагрузки);
• псевдоупругость – восстановление неупругих деформаций от значений упругих в диапазоне 1-30 %.

Возврат к исходному состоянию у металлов с эффектом памяти формы может происходить настолько интенсивно, что его не удается подавить усилием, близким к пределу прочности.

Материалы

Среди сплавов, обладающих такими свойствами, наиболее распространены титано-никелевые (49– 57 % Ni и 38–50 % Ti). Они обладают хорошими эксплуатационными характеристиками:

• высокая прочность и сопротивляемость к разрушению коррозией;
• значительный коэффициент восстановления формы;
• большое значение внутреннего напряжения при возврате в начальное состояние (до 800 МПа);
• хорошая совместимость с биологическими структурами;
• эффективное поглощение вибраций.

Кроме никелида титана (или нитинола) применяются и другие сплавы:

• двухкомпонентные – Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
• трехкомпонентные – Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn-Si и другие.

Легирующие добавки могут сильно смещать температуру мартенситных превращений, влияя на свойства восстановления.

Использование в промышленности

Применение эффекта памяти формы позволяет решать многие технические задачи:

• создание герметичных трубных узлов аналогично методу развальцовки (фланцевые соединения, самозатягивающиеся обоймы и муфты);
• изготовление зажимных инструментов, захватов, толкателей;
• проектирование «суперпружин» и аккумуляторов механической энергии, шаговых двигателей;
• создание соединений из разнородных материалов (металл-неметалл) или в труднодоступных местах, когда применение сварки или пайки становится невозможным;
• изготовление силовых элементов многоразового действия;
• корпусная герметизация микросхем, гнезда для их присоединения;
• производство регуляторов и датчиков температуры в различных приборах (пожарная сигнализация, предохранители, клапаны тепловых машин и другие).

Большие перспективы имеет создание подобных аппаратов для космической промышленности (саморазворачивающиеся антенны и солнечные батареи, телескопические устройства, инструмент для монтажных работ в открытом космосе, приводы поворотных механизмов – рулей, заслонок, люков, манипуляторов). Их преимуществом является отсутствие импульсных нагрузок, которые вносят нарушения в пространственное положение в космосе.

Применение сплавов с эффектом памяти формы в медицине

В медицинском материаловедении металлы с данными свойствами используются для изготовления таких технологических устройств, как:

• шаговые двигатели для вытяжения костей, выпрямления позвоночника;
• фильтры для кровезаменителей;
• приспособления для фиксации переломов;
• ортопедические аппараты;
• зажимы для вен и артерий;
• детали насосов для искусственного сердца или почки;
• стенты и эндопротезы для имплантации в кровеносных сосудах;
• ортодонтические дуги для коррекции зубного ряда.

Недостатки и перспективы

Несмотря на широкие возможности, сплавы с эффектом памяти формы имеют недостатки, которые ограничивают их широкое внедрение:

• дорогостоящие компоненты химического состава;
• сложная технология изготовления, необходимость использования вакуумного оборудования (чтобы избежать включения примесей азота и кислорода);
• фазовая нестабильность;
• низкая обрабатываемость металлов резанием;
• трудности в точном моделировании поведения конструкций и изготовлении сплавов с заданными характеристиками;
• старение, усталость и деградация сплавов.

Перспективным направлением в развитии этой области технологий является создание покрытий из металлов, обладающих эффектом памяти формы, а также изготовление таких сплавов на основе железа. Композитные структуры позволят объединить в одном техническом решении свойства двух и более материалов.

Источник статьи: http://fb.ru/article/424073/effektyi-pamyati-formyi-materialyi-i-mehanizm-deystviya-vozmojnosti-primeneniya

Сплавы с памятью формы в кузовах автомобилей: инновации или фантастика Текст научной статьи по специальности « Технологии материалов»

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Топилин И.В., Маяцкая И.А.

Проведен анализ сплавов с памятью формы и рассмотрена возможность применения этих сплавов в конструкциях автомобилей. Предложена методика расчета пространственной конструкции каркаса с элементами, выполненными из этих материалов.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Топилин И.В., Маяцкая И.А.

Shape memory alloys in the vehicle: innovation or fantastic

The analysis of the shape memory alloys, and considered the possibility of using these alloys in the construction of cars. The method of calculating the spatial frame construction with elements made of these materials.

Текст научной работы на тему «Сплавы с памятью формы в кузовах автомобилей: инновации или фантастика»

Сплавы с памятью формы в кузовах автомобилей: инновации или

И.В. Топилин, И.А. Маяцкая Ростовский государственный строительный университет

Аннотация: Проведен анализ сплавов с памятью формы и рассмотрена возможность применения этих сплавов в конструкциях автомобилей. Предложена методика расчета пространственной конструкции каркаса с элементами, выполненными из этих материалов. Ключевые слова: сплав, память формы, кузов, материал, безопасность, упруго-пластический элемент.

Широкое применение, например, алюминия в машиностроении 150 лет назад и, скажем, титана на отечественных боевых самолетах в период Великой Отечественной войны было просто немыслимо и невозможно по экономическим и технологическим соображениям. Современные реалии просто обязывают овладевать перспективными технологиями, в том числе, для того чтобы успешно решать проблемы автомобилестроения двадцать первого века. Многочисленные источники информации свидетельствуют о нарастающих темпах развития и создания новых типов конструктивных решений на основе сплавов с эффектом памяти формы 4.

Первые работы, связанные с исследованием эффекта памяти формы, относятся к 40-м годам, когда Г.В. Курдюмовым и его сотрудниками был открыт новый тип мартенситных превращений — так называемые термоупругие мартенситные реакции, лежащие в основе эффекта памяти формы. Тогда же были изучены основные закономерности термоупругих мартенситных переходов, влияние различных факторов на кинетику превращений этого типа и ряд физических свойств данных сплавов.

В дальнейшем экспериментальное и теоретическое изучение эффекта памяти формы нашло отражение в работах отечественных исследователей.

Среди достаточно многочисленного класса сплавов с памятью немного систем, удовлетворяющих жестким требованиям практической эксплуатации. Сплавы оценивают по следующим основным параметрам памяти: а) величине обратимой деформации; б) степени восстановления исходной формы; в) напряжению, генерируемому при нагреве; г) напряжению, необходимому для предварительной деформации.

Почти всегда желательно, чтобы первые три характеристики были максимально большими, а четвертая напротив, минимальной. Для решения конкретных технических задач требуются сплавы с определенными температурами проявления эффекта, шириной температурного интервала восстановления формы, величиной гистерезиса между прямым и обратным изменениями формы. Поэтому возможность управления этими параметрами в широких пределах является также исключительно важной характеристикой материала, которая определяет масштабы его применения.

Кроме перечисленных характеристик, имеющих прямое отношение к памяти, для конкурентной способности сплава не менее важными являются его технологические и экономические показатели: прочность, пластичность, удельный вес, стойкость к коррозии, технологичность в изготовлении и т.д. и, наконец, себестоимость. Лучше всех указанному комплексу свойств соответствуют сплавы на основе трех базовых систем: Сп2п (в -латунь), СиА1 (алюминиевая бронза) и, конечно, ТШ1 (никелид титана). Преимущественно они и используются на практике. Лучшие из них почти полностью возвращают 10-20% деформации, генерируют напряжения 500-700МПа и требуют для предварительной деформации не более 50-100МПа. Температуру проявления памяти в них можно менять от -250 до 500°С ширину интервала восстановления формы — от 5 до 100°С, гистерезис — от 2 до 80°С. Высокая прочность, стойкость и коррозия, совместимость с

биологическими тканями, технологичность в изготовлении позволяют с успехом применять эти сплавы в самых разных областях техники и медицины.

Естественно, что многочисленные авторы обращались к сплавам с памятью формы как к волшебной палочке, способной решить проблемы безопасной эксплуатации автомобильного транспорта. Предлагалось выполнять весь корпус в виде монолитной капсулы безопасности из сплава с памятью формы, который, по замыслу автора, после удара восстановит утраченную форму без источников нагрева. Конечно, это технически не осуществимо [1,2,5], в том числе по причинам: невысокой эффективность работы силового каркаса по самовосстановлению, вследствие отсутствия конструктивного источника тепла, необходимого для приобретения первоначальной формы после пластической деформации [3,4,6-14], что может привести к необратимому сдавливанию пассажиров; чрезмерной жесткости конструкции кресел, препятствующая плавному перемещению пассажиров на допустимое расстояние в сторону соударения, не снижающая опасных перегрузок на человеческое тело [4].

И если поставить задачу повышения безопасности пассажиров и оборудования на основе применения в составе элементов конструкций материала с памятью формы, то она может быть решена следующим образом:

Кузов автомобиля необходимо выполнить в виде каркаса трубчатой силовой пространственной конструкции. Армированную облицовку можно сделать из эластичного материала, по крайней мере один из слоев которого каучуковый или резиновый.

Капсулу живучести, обладающую памятью формы, а также бронированные обзорные стекла, в том числе лобовое, жестко закрепить на нем.

Трубчатую силовую пространственную конструкцию каркаса желательно изготовить в передней и задней части с противоподкатной защитой, а именно с жесткими выступами перед капсулой живучести, которые декоративно и аэродинамически прикрыть под облицовкой, например, вспененным алюминием. Вспененный алюминий можно использовать также для покрытия верхних поверхностей корпусов двигателя и коробки передач, которые плавно сужаются под капсулой живучести..

В качестве основного материала можно использовать термоупругий демпфирующий титано-никелевый сплав с эффектом памяти формы. Внутри полостей трубчатой силовой конструкции капсулы обязательно разместить ампулизированные нагреватели химического типа.

Что касается пассажирских кресел, то их основания должны быть соединены с силовой конструкцией капсулы живучести посредством пластических амортизаторов трубчатого профиля, выполненных из термоупругого демпфирующего титано-никелевого сплава с эффектом памяти формы. Внутри трубок амортизаторов также размещены ампулизированные нагреватели химического типа.

На рис. 1 схематично показан общий вид такого автомобиля; на рис. 2 -вид А (схема элемента капсулы живучести с ампулизированным нагревателем химического типа), на рис. 3 — схематично показан общий вид крепления пассажирского кресла.

Более подробное описание идеи в статике и динамике: Кузов содержит каркас 1, армированную облицовку 2, капсулу живучести 3, обладающую памятью первоначальной формы. Каркас 1 кузова автомобиля включает в себя раму 4, соединенную с армированной облицовкой 2, выполненной из эластичного материала, а также бронированные обзорные стекла 5, в том числе лобовое, жестко закрепленное на ней.

Рис. 1. — Общий вид автомобиля

Рис. 2. — Схема элемента капсулы живучести с ампулизированным нагревателем химического типа

Рис. 3. — Общий вид крепления пассажирского кресла

Трубчатая силовая пространственная конструкция 1 выполнена в передней и задней части с противоподкатной защитой, а именно с жесткими выступами 6 перед капсулой живучести, которые декоративно и аэродинамически прикрыты под облицовкой 2 вспененным алюминием 7, капсула живучести 3 выполнена в виде трубчатой силовой конструкции из термоупругого демпфирующего титано-никелевого сплава с эффектом памяти формы, внутри полостей трубчатой силовой конструкции капсулы живучести 3 размещены ампулизированные нагреватели 8 химического типа.

Ампулизированные нагреватели 8 химического типа могут состоять, например, из эластичного пакета 9 с морозоустойчивым гелеобразным раствором 10 этиленгликоля в воде, в который погружена хрупкая ампула 11 с обезвоженным гидроксидом натрия 12. Верхние поверхности корпусов двигателя и коробки передач со стороны капсулы живучести покрыты монолитной оболочкой 13 из вспененного алюминия, корпуса двигателя и коробки передач имеют форму, плавно сужающуюся под капсулой живучести. Основания 14 кресел водителя и пассажиров соединены с

трубчатой силовой конструкцией капсулы живучести посредством термоупругого демпфирующего титано-никелевого сплава с эффектом памяти формы, внутри трубок амортизаторов также размещены ампулизированные нагреватели 8 химического типа.

Необходимо отметить, что разработка конструкций, где применяются элементы из сплавов с памятью формы, очень актуальна.

1. Заявка Франции №2098497, кл. В 62 Б 29/00, 1972, 12 с.

2. Глясман К.С. Кузов автомобиля. Описание патента РФ №2096231. 1997. 6 с.

3. Гуревич А.С. Эффект памяти формы в сплавах: Пер. с англ. Л.М.Бернштейна / Под ред. В.А.Займовского. М.: Металлургия. 1979. 472 с.

4. Трохачев А. Синоним защиты — УОЬУО // Автомобильный транспорт. №11. 2002. С. 26-29.

5. Краткая химическая энциклопедия. Т.1-У. М.: «Советская энциклопедия», 1961. 631 с.

6. Костоглотов А.И., Денисов О.В., Ступаков В.Я. и др. Экспериментальное исследование механических свойств титано-никелевого сплава с эффектом памяти формы при повышенных температурах и пластическом кручении // Изв. ВУЗов. Естественные науки. №4. 1999. С. 2426.

7. Денисов О.В., Ступаков В.Я., Костоглотов А.И. и др. Масштабный фактор при упругопластическом кручении торсионов на основе сплава с эффектом памяти формы // Изв. ВУЗов. Естественные науки. №4. 1999. С.21-24.

8. Денисов О.В. и др. Кузов автомобиля повышенной безопасности. Патент РФ №2270778 от 27.02.2006 г.

9. Денисов О.В., Денисов Д.О., Дорофеев О.Ю. и др. Управляемая система амортизации автомобиля. Патент РФ №2256831 от 03.02.2003г.

10. Vladimir I. Andreev, Anton S. Chepurnenko, Batyr M. Yazyev. Energy Method in the Calculation Stability of Compressed Polymer Rods Considering Creep//Advanced Materials Research Vols. 1004-1005 (2014) pp 257-260. Trans Tech Publications, Switzerland.

11. Vladimir I. Andreev, Batyr M. Yazyev, Anton S. Chepurnenko. On the Bending of a Thin Plate at Nonlinear Creep // Advanced Materials Research Vol. 900 (2014) pp 707-710. Trans Tech Publications, Switzerland.

12. Маяцкая И.А., Краснобаев И.А. Математическое моделирование растительных материалов при их соударении с поверхностью // «Инженерный вестник Дона». 2012. №4 ч.2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1302.

13. Литвинов С. В., Козельский Ю. Ф., Языев Б. М. Расчёт цилиндрических тел при воздействии теплового и радиационного нагружений // «Инженерный вестник Дона». 2012. №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/954.

14. Genta G., Morello L. Automotive chassis. Springer, 2009. Volume 1: Components design. 621 p., Volume 2: System design. 621 p.

1. Zayavka Frantsii №2098497, kl. V 62 D 29/00, 1972, 12 p.

2. Glyasman K.S. Kuzov avtomobilya [The car body]. Opisanie patenta RF №2096231. 1997. 6 p.

3. Gurevich A.S. Effekt pamyati formy v splavakh [The shape memory effect in alloys]: Per. s angl. L.M.Bernshteyna / Pod red. V.A.Zaymovskogo. M.: Metallurgiya. 1979. 472 p.

4. Trokhachev A. Avtomobil’nyy transport. №11. 2002. pp. 26-29.

5. Kratkaya khimicheskaya entsiklopediya [Short Chemical Encyclopedia]. V.I-V. M.: «Sovetskaya entsiklopediya», 1961. 631 p.

6. Kostoglotov A.I., Denisov O.V., Stupakov V.Ya. i dr. Izv. VUZov. Estestvennye nauki. №4. 1999. pp. 24-26.

7. Denisov O.V., Stupakov V.Ya., Kostoglotov A.I. i dr. Izv. VUZov. Estestvennye nauki. №4. 1999. pp.21-24.

8. Denisov O.V. i dr. Kuzov avtomobilya povyshennoy bezopasnosti [The car body increased security]. Patent RF №2270778 ot 27.02.2006.

9. Denisov O.V., Denisov D.O., Dorofeev O.Yu. i dr. Upravlyaemaya sistema amortizatsii avtomobilya [A control system of depreciation of the car]. Patent RF №2256831 ot 03.02.2003.

10. Vladimir I. Andreev, Anton S. Chepurnenko, Batyr M. Yazyev. Advanced Materials Research Vols. 1004-1005 (2014) pp 257-260. Trans Tech Publications, Switzerland.

11. Vladimir I. Andreev, Batyr M. Yazyev, Anton S. Chepurnenko. Advanced Materials Research Vol. 900 (2014) pp 707-710. Trans Tech Publications, Switzerland.

12. Mayatskaya I.A., Krasnobaev I.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2012. №4 p.2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1302.

13. Litvinov S. V., Kozel’skiy Yu. F., Yazyev B. M. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2012. №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/954.

14. Genta G., Morello L. Automotive chassis. Springer, 2009. Volume 1: Components design. 621 p., Volume 2: System design. 621 p.

Источник статьи: http://cyberleninka.ru/article/n/splavy-s-pamyatyu-formy-v-kuzovah-avtomobiley-innovatsii-ili-fantastika