Сообщение об ошибке

  • Notice: Undefined offset: 1062 в функции user_node_load() (строка 3724 в файле E:\web\documentroot\kaf70.mephi.ru\www\modules\user\user.module).
  • Notice: Trying to get property 'name' of non-object в функции user_node_load() (строка 3724 в файле E:\web\documentroot\kaf70.mephi.ru\www\modules\user\user.module).
  • Notice: Undefined offset: 1062 в функции user_node_load() (строка 3725 в файле E:\web\documentroot\kaf70.mephi.ru\www\modules\user\user.module).
  • Notice: Trying to get property 'picture' of non-object в функции user_node_load() (строка 3725 в файле E:\web\documentroot\kaf70.mephi.ru\www\modules\user\user.module).
  • Notice: Undefined offset: 1062 в функции user_node_load() (строка 3726 в файле E:\web\documentroot\kaf70.mephi.ru\www\modules\user\user.module).
  • Notice: Trying to get property 'data' of non-object в функции user_node_load() (строка 3726 в файле E:\web\documentroot\kaf70.mephi.ru\www\modules\user\user.module).

ФИЗИКА ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В СПЛАВАХ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ

Научный руководитель:
к.ф.-м.н., доцент  Шеляков Александр Васильевич

Помещение Э-205
 

Более 35 лет на кафедре проводятся работы по разработке, исследованию и применению сплавов, обладающих эффектом памяти формы (ЭПФ).

Основные направления научно-исследовательской работы

  • Экспериментальное и теоретическое изучение бездиффузионных(мартенситных) фазовых превращений в сплавах на основе TiNi.
  • Исследование закономерностей структурообразования и термодеформационных явлений в сплавах квазибинарных интерметаллических систем с различным типом организации структуры: аморфной, микро- и нанокристаллической.
  • Разработка составов и получение сплавов с ЭПФ сверхбыстрой закалкой из расплава с помощью методов спиннингования расплава и планарного литья, исследование кинетических, структурных и деформационно-силовых параметров сплавов.
  • Оптимизация физико-механических свойств быстрозакаленных сплавов с ЭПФ в зависимости от условий легирования, методов и функциональных параметров получения, а также способов и динамики процессов кристаллизации.
  • Разработка и изготовление макетов микромеханических и термочувствительных элементов на основе тонкомерных материалов с ЭПФ.

 

Значительная часть исследований выполняется в тесном взаимодействии с российскими научными лабораториями из ведущих организаций, в частности, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН (д.ф.-м.н. Коледов В.В.), НИТУ МИСиС (д.ф.-м.н. Прокошкин С.Д., к.ф.-м.н. Иржак А.В.), СПбГУ (д.ф.-м.н. Беляев С.П., д.ф.-м.н. Реснина Н.Н.), ЦНИИчермет им. И. П. Бардина (д.ф.-м.н. Глезер А.М., к.ф.-м.н. Сундеев Р.В., к.ф.-м.н. Пермякова И.Е.). Многие результаты получены за счет плодотворного сотрудничества с иностранными научными центрами, в том числе, Karlsruhe Institute of Technology, Germany (Dr. P. Schlossmacher), Westfälische Wilhelms-Universität, Münster, Germany (Dr. H. Roesner), Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris, France (Prof. R. Portier), Universita` di Milano Bicocca, Milano, Italy (Prof. G. Airoldi).

 

Краткое описание предмета научно-исследовательских работ и полученных результатов

 

Сплавы с ЭПФ с полным основанием можно отнести к числу новых материалов, использование которых в различного рода устройствах позволяет найти нестандартные решения важных технических задач. Главная особенность таких сплавов - способность заданным образом изменять свою форму в зависимости от температуры. В настоящее время природа и механизм ЭПФ в общих чертах изучены, области применения сплавов с ЭПФ благодаря их уникальным свойствам весьма многообразны и постоянно расширяются, прежде всего это энергетика, приборо- и машиностроение, аэрокосмическая техника, медицина, робототехника. При этом, как правило, в устройствах используются массивные материалы, полученные с помощью традиционной технологии (ковка, прокатка или волочение крупногабаритного слитка с промежуточной термической обработкой). В то же время, при решении широкого круга технических задач возникают требования миниатюризации, экономичности, быстродействия устройств на основе подобных сплавов, что приводит к необходимости разработки и исследования свойств тонкомерных материалов с ЭПФ. Одним из наиболее перспективных материалов для решения этой задачи является тонкая (толщиной менее 100 мкм) лента из сплавов на основе TiNi. Однако получение тонкомерных материалов из труднодеформируемых TiNi-сплавов с помощью традиционной технологии - весьма трудоемкий и дорогостоящий процесс. Кроме того, он приводит к неоднородности структуры и физических свойств сплавов, а также к ухудшению характеристик ЭПФ, связанному с ликвацией и образованием хрупких фаз.

Нами разработаны составы и технология получения тонкомерных материалов с ЭПФ сверхбыстрой закалкой из расплава с помощью методов спиннингования расплава и планарного литья, что позволило получить широкий спектр новых материалов в виде тонких лент с варьируемыми физико-механическими свойствами. Основные преимущества таких материалов обусловлены тем, что первоначально быстрой закалкой расплава формируют аморфную или аморфно-кристаллическую структуру ленты, а затем при термической обработке получают субмикро- или нанокристаллическую структуру, дисперсность которой на 1-2 порядка меньше, чем в лентах, полученных с помощью традиционной технологии. При этом быстрозакаленная лента обладает более высоким уровнем физико-механических свойств, высокой пластичностью и однородностью свойств ЭПФ по длине ленты, позволяет реализовать ЭПФ как в области высоких (до 300°С¸400°С), так и в области криогенных температур.

Применение тонкомерных материалов с ЭПФ может быть эффективно в целом ряде термочувствительных устройств, в особенности быстродействующих, используемых в качестве:

  • микро-электро-механических элементов различного назначения, совместимых с кремниевой технологией;
  • индикаторов температуры;
  • термореле, сигнализаторов в системах пожарной сигнализации предприятий, жилых помещений, железнодорожного и автомобильного транспорта;
  • терморегуляторов в установках термостатирования теплиц, элеваторов, овощехранилищ и складов;
  • датчиков перегрева жидкости и пара в радиаторах водяного охлаждения, в масляных рубашках охлаждения промышленных трансформаторов, в теплообменниках, в паровых котлах;
  • термопереключателей для карбюратора, вентилятора и системы обогрева сидений автомобиля;
  • термодатчиков для контроля технологических процессов.

 

Существует широкий круг задач в медицине, которые могут быть решены с помощью тонкомерных материалов с ЭПФ, в частности:

  • укрепление, протезирование стенок кровеносных сосудов, в частности при варикозном расширении вен, сужении артериальных сосудов.
  • фильтры для улавливания сгустков крови.
  • фиквидация опухолей мозговых артерий, атеросклеротических бляшек за счет предотвращения их кровообращения.
  • протезирование клапанов сердца, создание искусственных мышц сердца.
  • изготовление миниатюрных медицинских инструментов, в частности, для эндоскопической хирургии (зажимы, захваты, скальпели и т.п.).

 

Кроме того, весьма перспективно использование фольговой ленты с ЭПФ в качестве:

  • рабочих элементов модуляторов света в оптических системах обработки информации;
  • привода в тепловых машинах, в холодильниках;
  • демпфирующих материалов и компонентов композиционных материалов;
  • исполнительного механизма в ряде товаров широкого потребления (термометры, термостаты, игрушки, бижутерия и т.д.).

 

Показана возможность создания на основе тонкомерных материалов с ЭПФ широкого спектра устройств управления оптическим излучением, включая матричный пространственно-временной модулятор света, светоклапанные электронно-лучевые трубки, диффракционные решетки с перестраиваемым шагом, предназначенные для ввода информации в системы оптической обработки информации. Такие устройства могут найти применение в системах голографического распознавания образов, многопараметрической диагностики, идентификации сложных сигналов, для реализации математических операций оптическими процессорами, для создания плоских дисплеев с повышенным контрастом, в индикаторных и ахроматических проекционных системах, в волоконно-оптических узлах связи. Использование тонкомерных материалов с ЭПФ обеспечит уникальные свойства разработок.

 

На основе быстрозакаленной ленты с ЭПФ разработан и реализован широкий спектр термочувствительных устройств, в частности, несколько типов термореле, терморегуляторов, тепловых пожарных извещателей, волоконно-оптических термодатчиков, некоторые из которых представлены на Рис.1. Самые миниатюрные термореле в металлическом корпусе используются для защиты оборудования и бытовых изделий от перегрева, а также в качестве чувствительных элементов в серийно выпускаемых тепловых пожарных извещателях (Рис. 2) ИП103-2, ИП103-31, ИП109-1, которые получили сертификаты качества и пожарной безопасности в России и удовлетворяют требованиям европейского стандарта EN-54.

 

         Рис.1                                                                Рис. 2

 

На основе полученных аморфно-кристаллических композитов разработаны и изготовлены различные микромеханические устройства для захвата и манипулирования микроразмерными объектами (рис. 3). Длину губок и зазор микропинцетов можно регулировать в пределах от 0,8 до 2,5 мм и от 1 до 500 мкм, соответственно, в зависимости от размера обрабатываемых микрообъектов. В качестве примера продемонстрирован полный технологический процесс манипулирования графитовыми нитями диаметром от 5 до 25 мкм (рис. 4). Разработанные микропинцеты могут быть использованы для захвата и перемещения нано- и микрообъектов различного происхождения

  • в различных задачах микроэлектронной технологии.
  • технология микророботики – механизация и автоматизация сборки МЭМС, диагностических и вживляемых микробиочипов и других интегрированных микроустройств.
  • в различных областях технологии микроинструментов (микроклеток, микробехальтеров, микроконтейнеров и др.), раскрывающихся при тепловой активации, для решения проблемы сохранения индивидуальных микро- и нанообъектов, которые в настоящее время неизбежно утрачиваются после исследования, в криминалистике, биологии, химии изотопов и др.
  • в ботанике, например, для микроопераций по опылению растений.
  • в качестве удобного инструмента для механического воздействия на различные объекты и измерения их отклика. Например, с помощью устройств на основе микропинцета могут быть измерены упругие и вязкоупругие свойства таких объектов, как клетки, бактерии, клеточные мембраны, а также другие живые и неживые объекты.
  • в микроанализе для отбора необходимого материала.
  • для исследования микрообъектов с помощью ПЭМ и СЭМ.
  • в медицине микроинструменты, такие как микрозажимы, микроножницы, микроскальпели и др. смогут решить на новом уровне точности задачи микрохирургических операций, в области сосудистых, нервных и глазных тканей.
  • микропинцеты способны существенно уменьшить объем отбираемой ткани при биопсии, что, в частности, очень актуально в онкологии в связи с высокой чувствительностью новообразования к объему отбираемой ткани.

Рис. 3.

 

Рис. 4.

На основе наноструктурированного сплава TiNiCu был разработан функциональный материал, использованный для изготовления макета «нанопинцета» с рекордно малыми размерами (0,9х5х30 мкм) - микромеханического инструмента, обеспечивающего захват и удержание для трехмерного перемещения и препарирования микро- и нанообъектов для задач нанотехнологии, медицины, биологии, микро- и наноэлектроники. Из полученного материала в НИТУ МИСиС совместно с ИРЭ РАН с использованием технологии фокусированных ионных пучков (ФИП) был изготовлен прототип «нанопинцета» и продемонстрирована возможность пространственного манипулирования микро- и нанообъектами различного происхождения: углеродными нанотрубками, графеновыми листами, нановолокнами, наночастицами и биологическими объектами (рис. 5).

 

Рис. 5.

 

143