Прогрессивные сплавы: что такое «память формы» металлов и где её можно применять

Память – уникальная способность, благодаря которой возвращаться к прошлому можно практически мгновенно, даже не обладая машиной времени. Ошибкой будет при этом считать, что наделены указанным свойством лишь живые организмы. Подтверждение тому – металлы с так называемым эффектом памяти формы.

Но кто и как изобрёл этот «железный интеллект», где его применять и каковы перспективы? Обо всём в подробностях рассказал доктор технических наук, профессор кафедры 1102 «Материаловедение и технология обработки материалов» (МиТОМ) Московского авиационного института Дмитрий Гусев.

Где у металла «память»?

Чтобы оценить всю пользу от металлов с памятью формы по достоинству, рассмотрим, в чём же на самом деле заключается их уникальность. Начнём с того, что металлы, а вернее их сплавы с эффектом памяти формы были открыты в начале XX века.

Первый опыт датируется 1932 годом, когда шведский химик Арне Оландер выявил необычное свойство у сплава золота с кадмием. На Всемирной технической выставке в Брюсселе он представил стержень из нового материала, который под действием прикреплённого груза изгибался, а при нагреве выпрямлялся и поднимался.

За счёт чего же удалось достигнуть такого эффекта? Известный факт, что при закалке стали, когда ее резко охлаждают от высоких температур нагрева, происходит повышение её твёрдости. При этом под микроскопом становится видно, что структура стали после указанной манипуляции претерпела трансформацию и стала похожа на массив линзообразных (пластинчатых) областей. В этих пластинах кристаллическая решетка сильно изменяется по сравнению с исходным (высокотемпературным) состоянием — от резкого перепада температур атомы организованно сдвигаются со своих исходных положений в кристаллической решетке, образуя новую пространственную конфигурацию. Кроме того, новая структура характеризуется появлением рельефа на гладкой поверхности образца. Такое превращение в сталях назвали мартенситным. Впоследствии было обнаружено, что мартенситные превращения присущи многим группам сплавов. Однако протекать мартенситные превращения могут по-разному и по-разному они могут влиять на свойства материла. Если в сталях мартенситное превращение приводит к росту твердости и снижению пластичности, то в сплавах с памятью формы происходит обратный эффект.

— Благодаря мартенситному превращению сплав с памятью формы при охлаждении становится пластичным, может легко деформироваться и при последующем нагреве полностью восстанавливать свою форму. Обратимое изменение формы может наблюдаться не только при изменении температуры сплава, но и под действием внешней нагрузки. Такую разновидность эффекта памяти формы называют сверхупругостью, — отметил Дмитрий Гусев.

После серии удачных опытов Арне Оландер ввёл в обиход термин «каучукоподобное» (буквально – резиновое) поведение. Вскоре он плотно вошёл в обиход учёных всего мира. Эксперименты продолжились.

В 1938 году похожее поведение у других металлов обнаружили зарубежные учёные Олден Гренингер и Рудольф Мурадян. Они проводили опыты на сплаве меди и цинка. Спустя ещё десять лет, в 1948 году, эффект памяти форм выявили и у сплава на основе алюминиевой бронзы – опыты проводили советские учёные Георгий Курдюмов и Лев Хандрос. Курдюмов и Хандрос первыми в мире нашли научное объяснение каучукоподобному поведению сплавов, связав его с особым видом мартенситного превращения, которое они назвали «термоупругим» мартенситным превращением.

В 1954 году на Всемирной выставке в Брюсселе эффект памяти формы демонстрировали на простом двигателе, который мог преобразовывать тепловую энергию в механическую при использовании сплава из кадмия и золота. А уже в 60-х эффект памяти формы открыли у сплава из титана и никеля, а также из меди и алюминия.

С каждым новым опытом удавалось открывать всё более и более интересные сплавы, дающие вышеуказанный эффект. Спустя ещё несколько лет экспериментов учёные пришли к выводу, что для некоторых сплавов характерно не просто каучукоподобное поведение – они обладают эффектом «двусторонней памяти». Это значит, что в свою первоначальную форму они приходят не только при нагревании, но и при охлаждении. Для них любой сильный перепад температуры – повод «вспомнить всё, что было раньше».

Кроме того, в ходе экспериментов выяснилось, что существует и третий тип каучукоподобного поведения – так называемый «круговой эффект памяти». Чтобы спровоцировать его, производится термическая обработка (отжиг) сплава под нагрузкой – суть эффекта заключается в изменении формы, при котором в результате последовательного нагрева и охлаждения реализуемая сплавом деформация изменяет свой знак.

Удивительно! Но как применять?

Исследования в указанной области проводятся по сей день. При этом одним из наиболее перспективных направлений развития является медицина. А точнее – создание биосовместимых медицинских изделий, отмечает эксперт МАИ Дмитрий Гусев. К таким изделиям относятся как имплантируемые в организм конструкции, так и экзопротезы, предназначенные для наружного использования. Наглядный пример — его разработка, заказчиком которой выступило АО «Центр инновационных технологий в ортопедии» (ЦИТО). 

Речь идёт о функционально-косметическом протезе кисти, разработку которого Дмитрий Гусев вёл при участии коллеги, кандидата технических наук Романа Виноградова и под кураторством профессора кафедры МАИ Михаила Коллерова.

Протез был сделан учёными из сплава никелида титана. Проволочный каркас из указанного металла исследователи поместили в латексный чехол, который идеально имитирует человеческую кожу, затем залили отверждающим двухкомпонентным силиконом и в итоге получили металл-полимерный композит с тем самым эффектом памяти формы. При использовании такого протеза владелец может не бояться его деформации в течение дня. Каркас восстановит свою форму всего за 30 минут пребывания в горячей воде.

— Это очень удобно на практике. В течение дня человек здоровой рукой может многократно сгибать и разгибать пальцы протеза для бытовых нужд. А перед сном его достаточно положить в ванну с горячей водой на 30 минут, и он вернётся к заводской форме, — пояснил Дмитрий Гусев.

Разработка маёвцев — это относительно дешёвое косметическое изделие с большим функционалом и высокой устойчивостью к изнашиванию: с помощью протеза с памятью формы человек может не только делать лёгкие движения пальцами, но и удерживать и переносить грузы, водить автомобиль или даже работать со строительными инструментами.

Существующие сегодня на рынке аналоги маёвского протеза стоят дороже и при этом теряют внешний вид за считанные месяцы даже при должном сложном уходе.

— Как показали наши испытания, проведённые при добровольном участии человека без кисти, длительность использования функционально-косметического протеза с армирующим каркасом из обычной стали составляет около одного месяца. Затем протез разрушается и его приходится менять. Наша разработка благополучно использовалась без разрушений более года, — подчеркнул Дмитрий Гусев.

На данный момент разработка протеза полностью завершена. Патент на дальнейшие действия, включая массовое производство, был передан ФГУП «ЦИТО».

Если не медицина, то где ещё?

Безусловно, уникальные «умные» материалы можно широко применять не только в медицине. Сегодня в этот перечень входят:

—  космическая область, где с помощью сплавов с памятью формы решают проблему экономии места: из них делают антенны, механизмы стабилизации, сворачиваемые в компактную форму солнечные батареи, распрямляющиеся под воздействием Солнца, и не только;

— инженерия и строительство, где, в частности, стержни из сплавов с памятью формы применяются в бетонных балках, обеспечивая необходимое напряжение несущих конструкций;

— автомобилестроение, где сплавы идеально подходят для работы в системах предотвращения выхлопа газов с парами топлива, устройств для удаления тепла из радиатора, противотуманных фар и не только.

И это лишь малая часть примеров использования металлов с памятью формы на практике.