XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
СПРИНГ-ДВИГАТЕЛЬ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Внимание, вот материал, из которого сделана память,
а память – аккумулятор человеческого гения. Джеймс Рассел
ВВЕДЕНИЕ
Что такое память? Память — это познавательный психический процесс, заключающийся в запоминании, сохранении и последующем воспроизведении человеком (или животным) своего опыта под влиянием жизненных обстоятельств. Такое определение мы найдём в учебнике по психологии. То есть, когда речь идёт о памяти, то у нас, однозначно, возникают ассоциации с живыми существами: человеком или животным.
А если мы скажем, что у неживого материала есть память (например, у сплавов металлов), что материал может быть умным. Что вы на это скажите? Думаю, что, по крайней мере, удивитесь.
Вот и я удивился, когда впервые услышал о материалах с памятью формы. Мне захотелось побольше узнать об этом феномене. Я основательно принялся за дело. Я читал научную литературу, смотрел познавательные фильмы, экспериментировал. И в итоге я узнал много интересного и понял, насколько эта тема актуальна и жизненна.
Цель работы:
Изучить эффект памяти формы (ЭПФ) на примере нитинола и рассмотреть перспективы его использования; создание прототипа двигателя на нитиноловой тяге.
Задачи:
изучить уникальные способности нитинола;
провести эксперименты с нитинолом в форме пружины, доказать наличие эффекта памяти формы;
изучить применение нитинола в разных областях жизнедеятельности человека;
проектная деятельность.
Гипотеза: благодаря уникальному свойству ЭПФ, нитинол может совершать большую полезную работу без значительных затрат энергии.
Методы исследования:
изучение ЭПФ по литературным источникам;
просмотр научно-популярных фильмов;
экспериментирование с нитинолом.
Определение эффекта памяти формы.
Эффект памяти формы – это явление возврата к первоначальной форме при нагреве, которое наблюдается у некоторых материалов после предварительной деформации.
Все мы воспринимаем изделия и конструкции из металлических сплавов как нечто однозначно стойкое, стабильное, сохраняющее свою форму на долгое время. Однако, существует ряд металлических сплавов, которые при нагреве после деформации принимают свою первоначальную форму [1]. Одним из самых перспективных материалов с ЭПФ является никелид титана (нитинол) – сплав титана (Тi = 45%) и никеля (Ni = 55%) (рисунок 1).
Своё название НИТИНОЛ получил от аббревиатуры=NI +TI + NOL, которая расшифровывается так:
NI (никель) + TI (титан) + NOL (Naval Ordnance Laboratory – Военно-морская лаборатория боеприпасов в США, где в 1962 году был изобретён нитинол).
Рисунок 1 – нитинол
Свойства нитинола («+/-»):
«+» – очень высокая коррозионная стойкость;
«+» – высокая прочность;
«+» – большой коэффициент восстановления формы и высокая восстанавливающая сила;
«+» – хорошая совместимость с живыми организмами;
«+» – высокая демпфируюшая способность (поглощение шума и вибрации)
материала.
«-» – высокая стоимость (от 200 до 600 долларов США за 1 кг сырья);
«-» – особые условия производства (расплавленный титан легко поглощает газы, поэтому для предотвращения окисления при его производстве необходимо использовать вакуумирование или атмосферу чистого инертного газа (гелий или аргон);
«-» – оборотной стороной высокой прочности является затруднённость обработки при изготовлении деталей, особенно резанием.
Температура плавления нитинола = 1240-1310 ˚C, плотность = 6,45 г/см3.
Механизм реализации эффекта памяти формы.
1. В исходном состоянии в материале существует определённая исходная структура (на рисунке – это правильные голубые квадратики) (рисунок 2).
2. При деформации внешние слои материала вытягиваются, внутренние сжимаются (а средние остаются без изменений). Эти вытянутые структуры – мартенситные пластины. И это не является необычным для металлических сплавов. Необычным является то, что в материалах с ЭПФ мартенсит термоупругий [2].
3. При нагреве начинает проявляться термоупругость мартенситных пластин, в них возникают внутренние напряжения, которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние (т.е. сжать вытянутые пластины и растянуть сжатые).
Рисунок 2 – механизм ЭПФ
4. Так как внешние вытянутые пластины сжимаются, а внутренние сжатые растягиваются, материал в целом проводит автодеформацию в обратную сторону и восстанавливает свою исходную структуру, а вместе с ней и форму.
Для материалов с ЭФП присущи:
сверхпластичность – состояние материала, имеющего кристаллическую
структуру, которое допускает деформации, на порядок превышающие
максимально возможные для этого материала в обычном состоянии;
сверхупругость – свойство материала, подвергнутого нагружению до напряжения, значительно превышающего предел текучести, полностью восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки.
Области применения.
Нитинол находит широкое применение в различных областях жизни и деятельности человека.
Медицина.
Самое широкое применение сплавы с ЭПФ нашли в хирургической стоматологии. Имплантат – ключевая деталь для восстановления зубов (рисунок 3 а). В большинстве случаев он представляет собой маленькую цилиндрическую конструкцию, которую хирург-стоматолог вживляет в костную ткань челюсти. Такой имплантат легко помещается в подготовленную в челюсти небольшую лунку. Но буквально через минуту сведённые ножки-фиксаторы под влиянием температуры тела разойдутся в стороны и прочно зафиксируют имплантат [3].
Для ортодонтии открытие нитинола стало настоящим прорывом. До этого момента брекеты делались из стали и, чтобы их подкрутить, пациент должен был еженедельно приходить к врачу. Современные брекет-системы из нитиноловой проволоки оказывают постоянное давление на зубы в течение долгого времени (рисунок 3 б), добиваясь необходимого результата. Это позволяет уменьшить количество посещений стоматолога и в целом упростить процедуру исправления прикуса.
Благодаря высокой биосовместимости, нитинол применяется в хирургии и ортопедии для фиксирования костей при сложных переломах, для коррекции позвоночника при сколиозе, для фиксации протезов на костях (рисунок 3 в).
а) б) в)
Рисунок 3 – медицинское применение материала с ЭПФ: а) зубной имплантат; б) брекет-системы из нитиноловой проволоки; в) хирургические протезы и фиксаторы из нитинола
Из нитинола делают зажимы для защемления слабых вен.
С помощью спирального эндопротеза с памятью формы восстанавливают проходимость кровеносных сосудов (рисунок 4). Такой 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 укрепляет стенки сосуда, восстанавливая кровоток по артерии.
Рисунок 4 – спиральный эндопротез с памятью формы
Из нитинола изготавливают оправу для очков (в нижней части, где стёкла крепятся проволокой) (рисунок 5). Пластиковые линзы не выскальзывают при охлаждении, оправа не растягивается при длительном использовании (используется эффект сверхупругости).
Рисунок 5 – оправа очков из нитинола
Космонавтика.
Постоянное движение вперёд в развитии и освоении космического пространства требует использования передовых научных технологий. В космическом строительстве, благодаря использованию материалов с ЭПФ, удаётся решить традиционную проблему экономии места (рисунок 6). Компактно свёрнутые антенны, солнечные батареи и другое необходимое оборудование, произведённое из нитинола, помещаются на космических кораблях, не занимая лишнего места. После выхода на орбиту под воздействием солнечного излучения они распрямляются, выдвигаются и начинают выполнять свою непосредственную функцию.
Рисунок 6 – солнечные панели с ЭПФ
Тепловая сигнализация.
Свойство эффекта памяти широко применяется в тепловых сигнализациях:
в пожарных сигнализациях (рисунок 7 а);
в противопожарных заслонках;
в сетевых предохранителях (защитах электрических цепей) (рисунок 7 б).
а) б)
Рисунок 7 – использование ЭПФ в системах безопасности: а) в противопрожарных системах; б) сетевой предохранитель
Машиностроение.
Свойство ЭФП применяется в автомобилестроении, а именно в системах для предотвращения выхлопа газов, которые содержат пары топлива, в устройствах для удаления тепла из радиатора, устройствах для включения противотуманных фар, для приведения в действие стеклоподъёмников.
Нитинол используется в изготовлении соединительных элементов трубопроводов различного назначения (рисунок 8).
Рисунок 8 – детали трубопровода из нитинола
Соединительные муфты, втулки и другие изделия из нитинола выдерживают давление в сотни атмосфер. В современных самолётах более чем за 20-летнюю историю использования они ни разу не вызвали проблем и отлично работают.
Другие сферы применения нитинола.
В повседневной жизни мы довольно часто сталкиваемся с материалами с памятью формы, просто не всегда догадываемся об этом. В бытовых приборах используются небольшие изделия из нитинола в качестве тепловых датчиков. Это термовыключатели в электрочайниках и кофеварках и т.д. (рисунок 9).
Рисунок 9 – бытовое использование эффекта памяти формы
Для робототехники нитинол – уникальный материал. На основе металлов с ЭПФ создаются искусственные мышцы, приводимые в действие электрическим током. Благодаря этому, были разработаны миниатюрные роботы (рисунок 10).
Рисунок 10 – синтетические мышцы
ЭПФ используется в изготовлении ювелирных изделий. Например, было изготовлено украшение в виде цветка, который при нагревании от соприкосновения с телом раскрывает свои лепестки, открывая спрятанный внутри драгоценный камень.
Эффект памяти формы используется и иллюзионистами, например, в фокусе с изогнутым гвоздём, самостоятельно выпрямляющимся в руках фокусника или одного из зрителей.
Нитинол не ржавеет, он легок и прочен. Не исключено, что в будущем из него будут, например, делать корпусы автомобилей. Такой автомобиль, даже после серьезного дорожного происшествия, восстановит форму кузова просто в результате легкого подогрева поврежденных мест.
С нитинолом связывают перспективы для одежды будущего. В частности, не так давно итальянская компания Corpo Nova создала мужскую рубашку из ткани, в которой на каждые 5 нейлоновых волокон приходится одна тонкая проволочка из нитинола. Если у этой рубашки закатать рукава, нагреть её до температуры 35°С, а затем охладить и опустить рукава, то при повторном достижении температуры 35°С рукава рубашки закатаются уже сами. А если такую рубашку прогладить утюгом при температуре 50°С, а потом помять, то после её нагрева (например, феном) до 50°С складки на рубашке разгладятся, и она станет вновь свежевыглаженной [4].
С каждым днём увеличивается количество областей, где находят применение интеллектуальные самовосстанавливающиеся материалы. И кто знает, вполне возможно, что в недалёком будущем мы и окружающие нас предметы научимся чинить (восстанавливать) себя сами, тем самым освободив человеку время для творческой деятельности.
Изучение способов активации эффекта формы у нитинола.
В настоящее время основные научные усилия направлены на изучение, модифицирование и совершенствование составов материалов, обладающих эффектом памяти формы, для еще более широкого применения их в различных областях военных разработок, промышленности и высокотехнологичной техники. Использование таких материалов в широких аспектах человеческой деятельности становится возможным в результате разработки материалов, одновременно обладающих до 3-5 состояний, которые они могут принимать в зависимости от температуры воздействия. Однако на первоначальном этапе необходимо изучить механизм и наиболее эффективные способы воздействия тепловой энергии на материалы с ЭПФ. При проведении исследований в рамках данной работы было изучено влияние эффекта памяти формы на основе нитиноловой пружины, рассмотрены способы наиболее эффективной активации данного эффекта, а также изучена возможность совершения полезной работы при возвращении в исходное состояние.
В качестве источников тепловой энергии для активации эффекта были рассмотрены следующие среды: горячая вода (80°С), водяной пар, прямое тепловое воздействие (огонь), электрический ток (рисунок 11).
а) б) в) г)
Рисунок 11 – способы активации нитинола: а) горячая вода; б) водяной пар; в) прямое тепловое воздействие; г) электрический ток
В ходе экспериментов было установлено:
– нитинол действительно обладает эффектом памяти формы;
– при использовании в качестве источника теплового воздействия горячей воды восстановление первоначальной формы материала происходит достаточно быстро, причем с увеличением температуры воды происходит уменьшение времени активации;
– при использовании водяного пара материал возвращается в исходное положение медленнее и поэтапно в тех местах, где пар прикасается к материалу;
– при использовании прямого теплового воздействия (горящая спичка) материал очень быстро возвращается в исходное положение. Но это происходит также неравномерно и поэтапно в тех местах, куда прикладываем тепловую энергию. И, по результатам опыта, может произойти закалка материала и изменение его исходной формы;
– использование электрической энергии является наиболее оптимальным вариантом для возвращения нитинола в исходное состояние. Возвращение материала в исходное положение произошло быстро, почти «мгновенно», и одновременно по целой длине материала при силе тока в 1 А или 30 Вт;
– доказана возможность использования данных материалов для совершения полезной работы, к примеру, для поднятия груза. Пружина весом в 2 грамма способна поднимать груз (массой 500 г и больше, что превышает ее собственный вес в 250 раз) на высоту в 1 метр, сохраняя все эксплуатационные характеристики;
– доказана возможность изменения исходной формы нитинола методом перекаливания.
Однако, в ходе исследования были обнаружены и некоторые недостатки использования материалов с ЭПФ, а именно низкая износостойкость. После 1000 операций по изменению и восстановлению формы происходит необратимое видоизменение исходной формы и утрата ЭПФ. Тем не менее, данная проблема может быть решена посредством перекаливания материала с ранее заданной формой.
РАБОТА НАД ПРОЕКТОМ ПО СОЗДАНИЮ СПРИНГ - ДВИГАТЕЛЯ
Проблемы топлива
На Земле транспорт может работать от двух видов энергии: топливной и электрической (рисунок 12). В скором времени возможность получать традиционные виды топлива будет исчерпана, а электрическая энергия требует очень серьёзного технического обеспечения.
Рисунок 12 – виды транспорта
Проблемы топлива
Работающие автомобили и промышленные предприятия производят большое количество выбросов и парниковых газов (рисунок 13), что сказывается на экологическом состоянии нашей планеты, ведёт к глобальному потеплению.
Рисунок 13 – выбросы выхлопных, парниковых газов
Чтобы решить проблемы с недостатком топлива и экологические проблемы, надо разработать новый вид двигателя, работающий на альтернативных принципах. Примером такого двигателя может служить двигатель на нитиноловой тяге (рисунок 13, 14).
Рисунок 13 – макет, вид сверху
Рисунок 14 – макет, вид сбоку
Свою работу над двигателем начал с чертежей деталей(рисунок 15).
Рисунок 15 – выборочные чертежи деталей
Чертежи с помощью программы FUSION 360 перенес в цифровой формат. В Хайтек цехе были распечатаны отдельные детали, которые я обработал и склеил в один механизм – прототип СПРИНГ – ДВИГАТЕЛЯ (двигателя на нитиноловой тяге) (рисунок 16).
Рисунок 16 – прототип СПРИНГ - ДВИГАТЕЛЯ
ВЫВОДЫ
В процессе проектно-исследовательской деятельности мы доказали существование материалов с ЭПФ и пришли к выводам:
1) доказано существование материалов с ЭПФ;
2) материалы с ЭПФ могут использоваться в различных областях деятельности человека;
3) изделия из нитинола (пружинки) способны совершать полезную работу при минимальных энергетических затратах;
4) нитинол можно использовать как альтернативный материал для двигателя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ, ИСПОЛЬЗОВАННОЕ
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Большой скачок. Самовосстанавливающиеся материалы. – Канал Наука 2.0 – YouTube.
Коллеров, М.Ю. Лекция «Особенности получения, обработки и применения сплавов с Эффектом памяти формы» / М.Ю. Коллеров. -Екатеренбург: УрФУ, 2014.
Найгель, И.В. Нитинол (NiTi). Дорогая экзотика или недорогой «perpetuum mobile»? / И.В. Найгель. – 2009.
Сплавы с памятью формы в медицине. – Канал Наука 2.0 – YouTube.
Fusion 360: инструмент CAD/CAE/CAM моделирования / Autodesk.