Перспективы применения высокотехнологичных сплавов с памятью формы

　　XX век был эпохой мехатроники. Сенсор — интегральная схема — привод — это самый типичный механический электронный управляющий система, но она сложна и громоздка. Материалы с эффектом памяти формы обладают двойной функцией сенсора и привода, что позволяет миниатюризировать и интеллектуализировать управляющие системы, такие как голографические роботы и сверхминиатюрные механические руки миллиметрового уровня. XXI век станет эпохой материаловедения электроники. Движения роботов из сплавов с памятью формы не зависят от условий окружающей среды, кроме температуры, что обещает широкое применение в высокотехнологичных областях, таких как реакторы, ускорители и космические лаборатории.

　　Говоря о сплавах, конечно, нужно упомянуть самый интересный сплав — сплав с памятью формы. Память металлов — это случайное открытие: в начале 60-х годов исследовательская группа ВМС США взяла из склада несколько нитей из никель-титанового сплава для экспериментов. Они обнаружили, что эти нити были изогнуты и неудобны в использовании, поэтому выпрямили каждую нить. Во время испытаний произошло странное явление: при достижении определённой температуры эти выпрямленные нити внезапно возвращались в исходное изогнутое состояние. Наблюдательные исследователи повторили эксперименты несколько раз и подтвердили, что эти тонкие нити действительно обладают "памятью".

　　Это открытие Института ВМС США вызвало большой интерес в научном сообществе, и многие учёные провели глубокие исследования. Было обнаружено, что медно-цинковые, медно-алюминиево-никелевые, медно-молибденово-никелевые, медно-золото-цинковые сплавы и другие также обладают этим удивительным свойством. В определённых пределах можно изменять форму этих сплавов по необходимости, а при достижении определённой температуры они автоматически возвращаются к своей первоначальной форме. Этот "изменение — восстановление" можно повторять многократно, и независимо от изменений, сплавы всегда «запоминают» свою форму и при достижении этой температуры точно восстанавливают её. Это явление называется эффектом памяти формы, а металлы с таким эффектом — сплавами с памятью формы, или просто сплавами с памятью.

　　Почему эти сплавы обладают эффектом памяти формы? Как они запоминают свою исходную форму? Традиционные теории металлических связей и свободных электронов не могут объяснить этот эффект памяти. Сплавы с памятью формы при определённых температурных условиях способны возвращаться к исходной форме, что является отличным примером движения внеядерных электронов, изменяющегося с температурой. Образование сплава происходит при высокотемпературном взаимном расплавлении жидких металлов. Из-за структурного несовместимости элементов жидких металлов, структурные элементы одного металла равномерно распределяются с элементами другого металла. После затвердевания микроструктура представляет собой упорядоченное расположение различных видов структурных элементов в определённой пропорции, а электромагнитные силы являются основной связующей силой в сплаве.

　　Электромагнитные силы образуются за счёт движения валентных электронов, скорость движения которых меняется с температурой, поэтому электромагнитные силы внутри тела (величина, направление, точка приложения) также изменяются с температурой. Это приводит к изменению внутренних сил металла в зависимости от температуры, хотя эти изменения незначительны при малых перепадах температуры и проявляются только при больших изменениях (сотни градусов Цельсия). Обычные металлы при нагрузке могут испытывать пластическую деформацию: например, если согнуть железную проволоку, в месте сгиба электромагнитные силы подвергаются внешнему воздействию, что приводит к небольшим изменениям в плоскости движения валентных электронов, и происходит пластическая деформация.

　　Сплавы с памятью формы состоят из различных видов структурных элементов, равномерно смешанных и распределённых. Несмотря на различия в размерах структурных элементов и величине электромагнитных сил, каждый из них ускоряет движение своих валентных электронов, и при определённых температурных условиях соседние элементы находятся в гармонии. При воздействии внешней силы электромагнитные силы нарушаются, и плоскость движения валентных электронов слегка изменяет угол, вызывая пластическую деформацию. В этой пластической деформации часть валентных электронов движется не в развернутом состоянии. При изменении температуры скорость валентных электронов меняется, и при возвращении температуры к гармоничному и развернутому состоянию (температуре перехода) неразвернутое движение валентных электронов немедленно восстанавливается, электромагнитные силы изменяются, вызывая соответствующую корректировку движения валентных электронов соседних структурных элементов, и весь материал возвращается в исходное развернутое состояние. Это и есть процесс памяти сплавов с памятью формы.

　　На самом деле память металлов была обнаружена давно: если согнуть прямую железную проволоку под прямым углом (90°), то при отпускании она немного разогнётся, образуя угол больше 90°. Если выпрямить изогнутую проволоку, её нужно согнуть более чем на 180°, а затем отпустить, чтобы она вернулась в прямое состояние — это и есть китайская пословица «переборщить с исправлением». Ещё более «памятливым» сплавом является пружина (здесь речь о стальных пружинах, сталь — это железоуглеродистый сплав). Пружина надёжно запоминает свою форму и сразу же возвращается к ней после снятия внешней силы, но у пружин широкий температурный диапазон памяти, в отличие от сплавов с памятью формы, у которых есть определённая температура перехода, что даёт им особые функции.

　　Используя деформационные свойства сплавов с памятью формы при определённой температуре, можно создавать различные температурные устройства, такие как температурные контроллеры, температурные клапаны и температурные соединения трубопроводов. Уже созданы автоматические пожарные краны — при повышении температуры при пожаре сплав с памятью формы деформируется, открывая клапан и подавая воду для тушения. Созданы соединения механических деталей и трубопроводов, а также интерфейсы для дозаправки самолётов в воздухе, использующие сплавы с памятью формы — после соединения двух маслопроводов изменение температуры с помощью электрического нагрева вызывает деформацию сплава, обеспечивая плотное соединение без протечек. Созданы самораскрывающиеся антенны площадью в сотни квадратных метров для космических станций — сначала на земле изготавливаются большие параболические или плоские антенны, которые сворачиваются в компактный узел, доставляются в космос на корабле, а при изменении температуры разворачиваются в исходную большую площадь и форму.

　　В настоящее время существует несколько десятков видов сплавов с памятью формы, которые находят применение в авиации, военном деле, промышленности, сельском хозяйстве, медицине и других областях, и их развитие имеет большие перспективы, обещая значительные достижения и пользу для человечества. Исследования и открытия сплавов с памятью формы включают более десятка систем сплавов, таких как Au-Cd, Ag-Cd, Cu-Zn, Cu-Zn-Al, Cu-Zn-Sn, Cu-Zn-Si, Cu-Sn, Cu-Zn-Ga, In-Ti, Au-Cu-Zn, NiAl, Fe-Pt, Ti-Ni, Ti-Ni-Pd, Ti-Nb, U-Nb и Fe-Mn-Si.