Лекция "Современные материалы с эффектом памяти формы"

Лекция «Материалы с эффектом памяти формы» от  

 наставника наноквантума.

Тема: Материалы с эффектом памяти формы

Педагог д/о: Дружинина Светлана Николаевна

Цель: Изучить материалы с эффектом памяти формы

Задачи:

1.     Узнать, что такое нанотехнологии и нановещества.

2.     Познакомиться с данным эффектом

3.     Провести наблюдение за образцом, обладающим данным эффектом

Планируемый результат:дети будут знать, что такое нанотехнологии, в том числе и эффект памяти формы.

Оборудование и материалы: пружина и проволка из специального сплава, штатив, спички, контейнер, гири.

Лекция включает в себя 3 части:

1.Вступительная-5мин

2.Основная-30мин

3.Заключительная-5мин

План лекции:

1.Определение «нанотехнологии» и «наноматериалы»

2.Что такое «эффект памяти формы»? Как он реализуется.

3.Примеры таких материалов и области их применения

4. Эксперимент

5.Вывод

Ход лекции:

Вступительная часть: Здравствуйте. Меня зовут Дружинина Светлана Николаевна. Я являюсь педагогом наставником наноквантума  омутнинского технопарка «Кванториум». Сегодня я  предлагаю вам познакомиться с необычными материалами, которые обладают памятью. Наверняка, это неожиданное для вас сочетание. Поэтому и предлагаю изучить этот вопрос. А так же в ходе лекции мы сможем узнать, что такое «нанотехнология» и «наноматериалы», выяснить применение этой науки в различных отраслях .

Нанотехнология – новая наука, и, несмотря на свои преимущества и достоинства, вызывает и опасения, в том числе и для экологии.

Использование нанотехнологий становится всё более активным, а что же такое нанотехнологии и наноматериалы.

Основная часть:

Нанотехнологии – это технологии, манипулирующие веществом на уровне атомов и молекул. Наноматериалы-материалы, созданные с использованием наночастиц или посредством нанотехнологий, обладающие уникальными свойствами, которые обусловлены присутствием этих частиц в материале.

Они могут быть как природные, так и искусственные. Например, всем нам известен такой металл, как золото. А знаете ли вы, что такое нанозолото? Благодаря присутствию в нем наночастиц, оно обладает магнитными свойствами, поэтому его применяют при лечении онкологических заболеваний для адресной доставки лекарств, а при добавлении их в воду можно получить «живую воду».

Можно привести и другой пример. Тоже всем известный металл алюминий. Свойства нанопорошка алюминия отличаются от свойств обычного порошка этого металла. Например, температура плавления обычного порошка алюминия 1000гр, а нанопорошк выше на 70%. Также, при добавлении его в др сплавы, значительно повышается его прочность.

Рассмотрим сферы внедрения нанотехнологий.

Примеры применения нанотехнологий сегодня. В энергетике – солнечные батареи, аккумуляторы, топливные элементы, экономичные источники света. В медицине - экспресс-диагностика, нанолекарства и нановакцины В автомобилестроении – добавки в топливо и масло, покрытия для деталей двигателя и новые лакокрасочные покрытия.Использование новых свойств вещества – это новые возможности для развития электроники, энергетики, химии, информационных технологий, фармацевтики и многих других областей науки и индустрии. Идеи, которые сегодня находятся на стадии исследований — квантовые компьютеры, недорогая генетическая диагностика — через 10-15 лет будут реализованы в коммерческих продуктах

Эффект памяти формы (ЭПФ) в металлах, открытие которого по праву рассматривается как одно из самых значительных достижений материаловедения за последние годы, в настоящее время интенсивно исследуется и в ряде случаев успешно применяется в технике.

Научный интерес к этому явлению определяется стремлением познать физическую природу и механизм ЭПФ, что расширяет фундаментальные представления о неупругом поведении твердых тел. С практической точки зрения эти исследования стимулируются тем, что ЭПФ в металлах уже сейчас открывает широкие перспективы применения в технике, позволяя создавать элементы и устройства с принципиально новыми функциональными свойствами.

Большинство людей привыкли видеть металлы как наиболее прочные материалы, способные выдерживать большие нагрузки без изменения формы. Также для многих людей свойственно мнение, что однажды деформированный металл уже не вернет себе прежнюю форму. Однако существует ряд металлических материалов, способных возвращать себе исходную форму после предварительной деформации.

• Эффект памяти формы (ЭПФ) — явление возврата к первоначальной форме при нагреве, которое наблюдается у некоторых материалов после предварительной деформации.

Чтобы понять почему происходит эффект памяти формы (ЭПФ) необходимо изучить механизм реализации эффекта памяти формы и иметь представление о структуре и о том как она изменяется.

Механизм реализации   эффекта памяти формы

1.     В исходном состоянии в материале существует определенная структура. 2. При деформации внешние слои материала вытягиваются, а внутренние сжимаются. В мате‐ риалах с памятью формы мартенсит является термоупругим. 3. При нагреве начинает проявляться термоупругость мартенситных пластин,  то есть в них возникают внутренние напряжения,  которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние. 4. Поскольку внешние вытянутые пластины сжимаются, а внутренние сплюснутые растягиваются, материал в целом проводит автодеформацию в обратную сторону и восстанавливает свою исходную структуру, а вместе с ней и форму.  

2.     Мартенситное превращение (МП )  ‐ полиморфное превращение, при котором изменение взаимного расположения составляющих кристалл атомов происходит путём их упорядоченного перемещения, причем относительные смещения соседних атомов малы по сравнению с межатомным расстоянием.  В процессе проявления ЭПФ участвуют прямые и обратные мартенситные превращения (МП). Под прямым МП понимают превращение из высокотемпературной гранецентрированной кубической (ГЦК ) фазы (аустенит ) в низкотемпературную объемно‐центрированную кубическую (ОЦК )  фаз у (α‐ мартенсит). Обратное – из ОЦК фазы превращение в ГЦК.

3.      Свойства ЭПФ 1. Эффект памяти формы зависит от марки сплава со строго выдержанным химическим составом. От этого зависит температура мартенситных превращений. 2. Эффект памяти формы проявляется только при термоупругих мартенситных превращениях. 3. Эффект памяти формы может проявляться несколько миллионов циклов.

4.      Явления,  связанные с ЭПФ • Cверхпластичность — состояние материала, имеющего кристаллическую структуру, которое допускает деформации, на порядок превышающие максимально возможные для этого материала в обычном состоя‐ нии.

5.      Явления , связанные с ЭПФ • Сверхупругость — свойство материала, подвергнутого нагружению до напряжения, значительно превышающего предел текучести, полностью восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки. Сверхупругость наблюдается в области температур между началом прямого мартенситного превращения и концом обратного. Сверхупругое механическое поведение на основе сплава Ti‐Ni .

6.      Никелид титана • Лидером среди материалов с памятью формы по применению и по изученности является никелид титана. • Никелид титана — это интерметаллид эквиатомного состава с 55 мас.% Ni. Температура плавления 1240—1310˚C, плотность 6,45 г/см3. Исходная структура никелида титана стабильная объемно‐центрированная кубическая решетка типа CsCl при деформации претерпевает термоупругое мартенситное превращение. • При современном уровне промышлен‐ ного производства изделия из никелида титана нашли широкое практическое применение и рыночный сбыт. Имплантанты из TiNi • Также обнаружено множество сплавов, обладающих в разной степени свойствами “ памяти формы ”: Ni – Al, Ni – Co, Ni – Ti; Ti – Nb; Fe – Ni; Cu – Al, Cu – Al – Ni и др.

7.     Свойства   никелида титана. Никелид титана обладает: 1.Превосходной коррозионной стойкостью; 2.Высокой прочностью; 3.Хорошими характеристиками формозапоминания; 4.Хорошая совместимость с живыми организмами; 5.Высокая демпфирующая (поглощение шума и вибрации) способность материала. Недостатки: 1.Из‐за наличия титана сплав легко присоединяет азот и кислород.  Для предотвращения этого необходимо использовать вакуумное оборудование; 2.Затруднена обработка при изготовлении деталей, особенно резанием из‐ за высокой прочности; 3.Высокая цена.  В конце XX  века он стоил чуть дешевле серебра.

8.     Обратимая  память формы • У многих материалов в процессе термоциклирования в ненагруженном состоянии через интервалы прямого и обратного мартенситных превращений при охлаждении деформация накапливается ,  а при нагреве  восстанавливается. Обратимая деформация • Это свойство называют обратимой (двусторонней)  памятью формы (ОПФ), которое имеет способность не исчезать практи‐ чески после любого числа теплосмен. Данный эффект может быть получен только за счет деформационного воздействия на металл. • Эффект обратимой памяти формы резко расширяет возможности применения сплавов с ЭПФ в приборах и конструкциях многократного циклического действия.

9.      Область  применения  • Впервые сплав с памятью формы был применен в самолете F‐14  в 1971  году, это был Ni‐Ti‐Fe. Использование Ni‐Ti‐ Nb сплава стало большим достижением, но также и Fe‐Mn‐Si сплавы получили много внимания, несмотря на их более низкое восстанавливаемое напряжение. F‐14 Соединительная втулка  для соединения труб гидравлической системы военных самолетов изготав‐ ливаются из сплава никелида титана.  Её функциональными элементами являются внутренние выступы. В истребителе более 300  тысяч таких соединений.  Также никелид титана применяется для изготовления гидравлических машин,  винтов судов, водяных турбин.  В медицине используется новый класс композиционных материалов ”биокерамика–никелид титана”. В таких композитах одна составляющая (никелид титана) обладает сверхэластичностью и памятью формы, а другая — сохраняет свойства биокерамики. • Также материалы с эффектом памяти формы применяется в отделениях челюстно‐лицевой хирургии. Конструкции из никелида титана с эффектом памяти формы применяемые в челюстно‐лицевой хирургии Область Область применения применения • Эндопротез — внутреннее устройство, замещающее функцию органа. Эндопротез сустава — это соответственно внутреннее устройство, замещающее функцию сустава. Спиральный эндопротез • Восстановление проходимости кровеносного сосуда с помощью спирального эндопротеза с памятью формы. Эндопротез в компактном виде вводится через пункционное отверстие в сосуд и по его руслу доставляется в место сужения сосуда. Здесь протез отсоединяется от доставляющего устройства, разворачивается под действием тепла тела до требуемого диаметра и армирует стенки сосуда, восстанавливая кровоток по артерии.  Эндопротезы из пористого никелида титана • Применение сверхэластичных эндопротезов из пористого никелида титана представляет конкурентное направление в реконструктивной челюстно‐лицевой хирургии. Соответсвие гистерезисного поведения утраченных тканей и эндопротеза,  а также пористая структура ЭП обеспечивает оптимальное врастание окружающих тканей, что позволяет полноценно восстановить утраченные функции нижней челюсти и эстетику лица в целом. • Освоение ближнего и дальнего космоса связано с созданием орбитальных станций и крупным космическим строительством. Необходимо сооружение таких громоздких объектов, как солнечные батареи и космические антенны. • Антенны состоят из листа и стержня из сплава Ti – Ni, которые свернуты в виде спирали и помещены в углубление в искусственном спутнике.  После запуска спутника и выведения его на орбиту антенна нагревается с помощью специального нагревателя или тепла сол‐ нечного излучения, в результате чего она выходит в космическое пространство.

Проявление  ЭПФ • Чтобы понять эффект памяти формы (ЭПФ),  достаточно один раз увидеть его проявление: 1. Есть металлическая проволока;  Эту проволоку изгибают; Начинаем нагревать проволоку; При нагреве проволока распрямляется, восстанавливая свою исходную форму.

2.На металлический штатив подвесим пружину. Проведем деформацию-растянем ее. При нагреве пружина возвращается в исходное состояние. Кроме того, она может совершать работу:подвесим к ней контейнер с гирьками. Пружина растянется. Начинаем нагревать, она снова возвращается в исходное состояние, поднимая груз.

Заключительная: Наноматериалы находят все более широкое применение.

Удивительный материал с памятью формы постепенно занимает все большее место в нашей жизни. Уже достаточно трудно представить современную стоматологию без композитных материалов на основе NiTi (те же скобы, которые вставляют детям для выпрямления зубов). Доставленные на орбиту в «свернутом» виде солнечные батареи разворачиваются сами на несколько десятков квадратных метров и т.д. и т.д. Диапазон применения этих материалов увеличивается день ото дня и сулит еще много интересного. Можно с уверенностью сказать, что это материал будущего.