Для учащижся старших классов

Профессия - изобретатель

О чем помнит металл

Точнее, не металл, а сплав (хотя высказываются предположения о существовании «памятливых» металлов).

Речь идет об эффекте памяти формы — таково официальное наименование уникального свойства некоторых металлических материалов «вспоминать» при определенных температурах первоначально приданную им форму. Представьте себе, что вы согнули стержень из такого материала в форме бублика, зафиксировали его в таком состоянии и нагрели до определенной температуры, при которой он «запомнил» приданную форму. Окончательно закрепить эту память нужно понизив температуру до нормальной, не удаляя при этом фиксатора.

А теперь начнется самое интересное. Придайте стержню любую новую форму — ну хотя бы выпрямите. А потом нагрейте, но уже не до температуры «запоминания» (а она, как мы узнаем чуть позже, составляет 300—400°С), а до температуры, при которой материал вспоминает первоначально зафиксированную форму. Эта температура, в зависимости от выбранного материала, будет гораздо ниже температуры «запоминания», например для одного из сплавов никеля с титаном —60—80°С. И тут наш стержень моментально свернется в кольцо, сам по себе, безо всякой посторонней помощи.

Когда вы видите этот эффект впервые — возникает ощущение чего-то неестественного. Кстати, не только у неподготовленных зрителей, этим превращениям изумлялись и профессиональные иллюзионисты. Сначала изумлялись, а потом долго просили инженеров приспособить эффект памяти формы к их цирковым номерам. Но приспособили это прежде всего к нуждам техники космической и радиоэлектронной, авиационной и медицинской. Число применений материалов с памятью увеличивается с каждым днем. Но прежде чем рассказать о применениях, поговорим подробнее о самом эффекте.

Приятно начать с того, что первые работы, появившиеся в конце 40-х г. и посвященные исследованиям эффекта памяти формы, принадлежат советским ученым. В настоящее время этот эффект исследован уже весьма подробно и найдено множество материалов, обладающих требуемой способностью. Объяснение физических основ эффекта памяти формы требует специальных знаний из области металловедения и физики металлов и сплавов — области, с которой большинство наших читателей незнакомо. Поэтому придется верить на слово. Итак, мы должны представить, что у материала (например, упомянутого нами сплава Ti — Ni, называемого нитинолом) при нагреве до определенной температуры происходит некое структурное превращение (называемое в металловедении мартенситным). Это превращение и лежит в основе эффекта памяти формы у определенной группы материалов (скажем так: само это превращение, присущее всем сплавам, у сплавов, обладающих памятью формы, происходит особым образом).

Но не будем забираться в глубины металловедения, а просто рассмотрим подробнее этапы закрепления памяти и пробуждения ее. Этап первый: материал пластически деформируют при температуре выше температуры прямого мартенситного превращения. Прямого — это значит превращения в ходе охлаждения, т. е. превращение с запоминанием приданной формы произойдет при охлаждении. Но форма при этом должна быть четко зафиксирована какой-либо оправкой.

Этап второй: память проявляется при нагреве материала выше температуры обратного мартенситного превращения. Нужно еще раз отметить, что значение ее может быть гораздо ниже температуры «запоминания». Вот, пожалуй, и все о физике процесса. Конечно, если ограничиться самым примитивным объяснением. А те, кто захочет познакомиться с этим вопросом более серьезно, смогут воспользоваться специальной литературой. Нам же пора переходить к конкретным примерам использования этого необычного свойства обычных на первый взгляд материалов.

Наверное, многие читатели уже к этому моменту успели сами придумать не одно применение эффекта памяти формы или хотя бы варианты его эффектной иллюстрации. Например, такой, когда из проволоки с памятью формы выгибали слово «память», закрепляли эту форму и поражали зрителей, нагревая совершенно прямую проволоку, которая вдруг сама собой выписывала нужное слово. Чем не фокус?

А вот древний индийский трюк с канатом, смотанным спиралью на земле и по команде факира начинающим самостоятельно подниматься вертикально вверх. В цирке внутрь каната вставляют телескопически раздвигающийся стержень (типа антенны транзисторного приемника). И делает это человек, скрючившийся под столом, на котором сложен канат. А как сделать этот трюк на основе эффекта памяти формы? Однако объяснять, наверное, уже поздно — не меньше половины читателей давно мысленно свернули канат с вложенным в него стержнем из нитинола и думают лишь о том, как нагреть стержень незаметно для зрителей. А другая половина давно догадалась, что незаметно нагреть его можно электрическим током, подведенным по уложенным в том же канате проводам...

Но не будем отбирать работу у авторов цирковых трюков и обратимся к более насущным нуждам общества — потребностям промышленности. Начнем с процесса клепки. Притом не будем останавливаться на «классическом» ее варианте — том, при котором к заклепке можно подобраться с обеих ее сторон — придер-. жав головку, расклепать противоположный конец. А если к торцу никак не подобраться? Такой вариант называется односторонней клепкой. Есть много интересных методов такой клепки, настолько интересных, что остается пожалеть о недостатке места для их освещения. Но, кажется, односторонняя клепка с помощью материала с памятью может сделать ненужным весь букет предшествующих ей блестящих изобретений, основанных на других принципах.

Рис. 13. После подогрева торца заклепка из нитинола надежно схватывает соединяемые детали.

Что, и заклепку вы уже придумали? Тогда для тех, кто еще не успел,— все-таки расскажу. Сначала — «формообразование» и термическая «обработка на память» (будем пользоваться технической терминологией). Форма задается такой, чтобы заклепка выполняла свою основную функцию — держала стягиваемые листы. Причем на ее торце на расстоянии, равном суммарной толщине стягиваемых листов, должно быть предусмотрено ступенчатое утолщение (рис. 13). А после формообразования и термообработки с помощью пластической деформации данное утолщение обжимается до диаметра стержня заклепки. В процессе сборки заклепка вставляется в соответствующее отверстие и нагревается со стороны головки (например, горелкой) до температуры восстановления формы. С этого момента заклепка «восстанавливает» концевой уступ и надежно скрепляет листы между собой.

Заметим, что все манипуляции с заклепкой совершались только с одной стороны скрепляемых листов (деталей) — и введение заклепки, и нагрев. К торцовой части никто не прикасался, т. е. осуществлялась односторонняя клепка, не требующая доступа к торцу заклепки. В современном самолете, например, число точек клепки, не имеющих двухстороннего доступа, составляет весьма значительный процент от общего их огромного числа. В ракетной технике этот процент бывает еще выше, и появление надежного и удобного способа односторонней клепки имеет огромное значение.

Просто и весьма эффектно выглядит конструкция «самозатяги-вающихся» нитиноловых болтов. При формообразовании болт просто делают заведомо короче, а при последующей пластической деформации чуть вытягивают. Гайку можно затягивать пальцами: усилие стяжки болтового соединения резко возрастет после нагрева, когда болт немного укоротится.

Вроде бы нам удалось показать интересные применения эффекта памяти формы в технике, но пока еще не было необходимой наглядности. Ведь форма в нашем представлении — нечто многомерное, а не просто длина или толщина стержня, как в рассмотренных случаях. В последующих примерах мы увидим именно восстановление формы. Объект рассмотрения — конструкции трубчатой формы, профили различных видов. Первый пример попроще: нам нужно смонтировать разъемную конструкцию в виде трубы, сложенной из двух полукруглых профилей (например, защитное покрытие кабеля). Было предложено следующее решение: после формообразования — придания листу из нитинола полукруглого профиля путем пластической деформации — раскатать его до прежней плоской формы (резко облегчив задачу транспортирования), а восстановить форму с помощью нагрева уже по «месту» (рис. 14). Можно и непосредственно свернуть тот же лист в трубу, запомнить эту форму, раскатать, доставить на место, а уже затем уложить на него кабель и нагреть. Лист свернется вокруг защищаемого объекта — задача таким образом решена. А еще интереснее не просто раскатать лист, но и свернуть его в рулон. Транспортирование упрощается до предела, а «сборка» профиля происходит в том же порядке, за исключением того, что рулон перед нагревом нужно сначала развернуть.

Рис. 14. Трубу любого профиля из рулона «собирают» подогревом нитинолового листа.

Но самая интересная конструкция восстанавливающейся трубы, безусловно, «армированная». Последовательность операций такова: сначала готовят армировку — спираль из нитинола. Ее навивают с внешним диаметром, равным внутреннему диаметру трубы или чуть меньшим, форму запоминают, а затем «раскатывают» спираль в виде плоской синусоиды (рис. 15). Оболочку трубы выполняют из материала, сопротивление деформации которого несколько ниже усилий, развиваемых спиралью при восстановлении формы. Спираль вкладывают в оболочку (в таком виде трубу удобно транспортировать и укладывать по месту), а затем нагревают — и труба готова.

Рис. 15. Восстановление формы трубы с помощью спирали из нитинола.

Интересно, что этим приемом наряду с представителями техники воспользовался и известный нам рентгенолог И. Е. Рабкин. Спиральную арматуру он вставил в суженный сосуд. Для простоты введения в сосуд спирали после формообразования была придана форма стержня. Специальный нагрев не потребовался — ведь для этой операции был выбран материал с температурой восстановления памяти формы несколько ниже температуры тела человека. Перед введением в сосуд спираль охладили и выпрямили. В сосуде спираль медленно нагрелась и, восстановив форму, обеспечила необходимый просвет для нормального циркулирования крови. Обратите внимание на то, что мы впервые исключили операцию нагрева нашей памятливой детали. Собственно нагрев, конечно, происходит, но путем подбора материала с нужной величиной температуры восстановления формы и предварительного его охлаждения мы «автоматизируем» самую последнюю операцию. Это особенно важно в тех случаях, когда на месте установки или некому или нечем нагреть деталь: внутри человеческого организма или в космическом пространстве...

Кстати, самое время поговорить именно о космосе: дорогу туда материалы с памятью проложили прочно и, главное, надолго. Их основная космическая сфера деятельности — самосрабаты-вающие элементы конструкций. Заметьте, что по мере выхода аппарата в космос, его переориентации по отношению к Солнцу, тепловой режим работы (проще, температура) элементов конструкций, находящихся на его поверхности, в значительной степени изменяется. Еще резче изменения температуры при входе аппарата в атмосферу. И в этих ситуациях ряд необходимых функциональных операций могут взять на себя материалы с памятью формы.

Наш первый пример — антенны. Одна из известных американских фирм предложила конструкцию «саморазворачивающейся» антенны в виде нитиноловой проволоки, скрученной в небольшой рулон и восстанавливающей первоначально приданную прямолинейную форму уже в космосе, при нагреве за счет теплоты Солнца. Еще интереснее представить себе процесс развертывания сетчатой параболической антенны, свернутой при транспортировании в бесформенный с виду комок.

Между прочим, внимательный читатель давно уже должен задать один непростой вопрос. Применительно к антенне он может быть сформулирован следующим образом: под действием солнечного тепла она, конечно, раскроется, а когда корабль войдет в тень — сложится? Да, вопросу обратимости эффекта памяти непременно надо уделить внимание. Но уж очень хотелось начать с примеров «прямой» памяти, не перегружая читателя теорией. Итак, есть ли у эффекта памяти обратимость? Есть, но далеко не у всех материалов.

В ряде исследований последних лет получены наглядные проявления эффекта обратимой памяти. Чем он интересен? Памятью двух состояний — того, которое зафиксировали нагревом выше температуры прямого мартенситного превращения, и того, которого добились пластической деформацией на холодной заготовке. Переход из одного состояния в другое осуществляется изменением температуры обратного мартенситного превращения. Однако природа эффекта обратимой памяти изучена недостаточно и широкого применения эти материалы пока не нашли. Мы же до сих пор говорили и будем продолжать разговор только о материалах, обладающих «обычным» эффектом памяти формы. В этом случае материал «вспоминает» первоначальную форму однажды и навсегда, если, конечно, его больше не трогать. Повторяя пластическую деформацию и нагрев, можно осуществить огромное (до нескольких миллионов) число циклов восстановлений формы. Но для этого надо вновь и вновь прикладывать усилия для новой пластической деформации и энергию для нового нагрева.

Давайте приведем пример «циклического», а не одноразового, как выше, применения эффекта памяти формы. Позвольте для этого опять обратиться к медицине. Помните катетер — полую трубку, проводимую по сосудам? Так вот, для преодоления в процессе движения изгибов сосуда и переходов из сосуда в сосуд (прохода «перекрестков») весьма желательно дистанционно управлять торцовой частью катетера. Над решением этой задачи трудился не один десяток изобретателей; были предложены самые разнообразные механические системы управления, недостатки которых не ограничивались только увеличением диаметра катетера, а проявлялись и в низкой эксплуатационной надежности.

А ведь неплох для этой цели был бы материал с обратимой памятью: нагрел (например, электрическим током по тоненьким проводам) — конец катетера повернулся в одну сторону, охладил — в другую. Но ничего, можно, оказывается, обойтись и обычной памятью, но в циклическом режиме. Тонкий стержень (кусок нитиноловой проволоки) нагревают в согнутом состоянии и, закрепив это состояние в памяти, выпрямляют вновь. Если этот стержень вставить в кончик катетера и, пропуская через него ток, нагреть до температуры восстановления формы, катетер согнется под заданным углом. Кстати, «играя» температурой вблизи границы памяти, можно проходить все значения изгиба от нулевого до заданного. Для возврата кончика катетера в начальное, «прямое» положение необходимо охладить стержень (выключить ток и немного подождать, пока стержень остынет). Но этого недостаточно: материал катетера (его упругость) и толщина стержня (его упругость в охлажденном состоянии) должны быть подобраны таким образом, чтобы катетер «справлялся» с холодным стержнем, разгибая его. При восстановлении формы развиваются настолько большие усилия, что загибающийся стержень легко согнет катетер. Вот вам и пример циклического режима работы материала с памятью.

Но и одноразовые, одномоментные срабатывания элементов из материалов с памятью формы не исчерпывают себя приведенными нами примерами. Вернемся снова в космос. Задача — расстыковка блоков космического корабля — типично одноразовая. При сборке блоков в нишу между ними вкладывается специальный силь-фон — привод из материала с памятью (рис. 16). Это полый цилиндр, которому после термофиксации первоначальной формы придается вид гофра (гармошки); внутрь его вкладывается электрическая спираль, подключаемая к бортовой энергосистеме. В момент расстыковки происходит нагрев спирали, цилиндр распрямляется и отталкивает один блок от другого. Подобных примеров можно привести еще много, но нас ждут и другие, не менее интересные изобретения.

Рис. 16. Разжимающаяся при электроподогреве нитиноловая гармошка-вкладыш производит разделение ступеней космического корабля.

Вспомните еще раз о героях этой главы: медицинская техника, материалы с памятью. А достаточно ли, даже для нашего ограниченного по объему рассказа о изобретениях, этих двух областей? Ведь за бортом у нас остались не только «гранды» технической мысли, но и постоянно окружающие нас предметы. Давайте расскажем об этих изобретениях, находящихся буквально под рукой,— поверьте, они не менее эффектны, чем космические.

Сначала — о спорте, вернее, о спортинвентаре, теме небезынтересной для каждого из миллионов физкультурников. Спортинвентарь — весьма благодатное поприще для изобретателя. Причем изобретения здесь бывают двух типов. Первые совершенствуют конструкции уже известного инвентаря: теннисных ракеток, лыжных креплений, гантелей и т. д. Вторые становятся «открывателями» новых видов спорта, например виндсерфинг и его сухопутный родственник — роликовая доска.

Точно так же как и спортивные принадлежности, нас с вами постоянно окружают предметы быта — домашний инструмент и писчие принадлежности, утюг и бритва и многие другие. У каждого из них своя большая история, страницы которой прямо связаны с множеством интереснейших изобретений.

А теперь — небольшое отступление. Выше, рассказывая вам об изобретениях специального характера, я не стал приводить ссылки на номера авторских свидетельств, так как сомневаюсь что вам потребуется более подробное их описание. Другое дело — с бытовыми изобретениями. Уверен, что найдутся желающие подробнее изучить, а может быть, и попытаться воспроизвести или усовершенствовать какие-либо из представленных здесь технических решений. Именно поэтому здесь даются ссылки на номера патентов или авторских свидетельств, по которым нетрудно найти в патентных фондах их описания. А как это делать — подробно описано в одной из следующих глав книги.