В последнее время мы много слышали о том, что некоторые материалы с эффектом памяти формы можно использовать еще одним многообещающим способом. Чаще всего о «памяти формы» многие читают в описании умных матрасов и подушек для сна. Этот матрас повторяет форму тела пользователя, обеспечивая ему комфорт.
Но на самом деле все становится еще интереснее, если рассматривать эффекты памяти с точки зрения материаловеда.
Чаще всего ее эффективность демонстрируется с использованием проволок из титановых и никелевых сплавов. Это лишь простейший демонстрационный вариант, а на практике память формы наблюдается у самых разных материалов, в том числе и у полимеров. Однако традиционно в моих заметках такое воздействие проще всего анализировать на металлах.
Опыт легкий. Если скрутить титановую и никелевую проволоку в пружину и нагреть эту пружину зажигалкой, то вы увидите, как спираль начнет выпрямляться и снова станет однородной проволокой.
После остывания проволока останется прямой. Остывший образец можно еще раз скрутить и снова выпрямить зажигалкой. Кроме того, вы можете придать ему любую форму. Например, можно сделать импровизированную скрепку, которая при нагревании снова распрямляется.
Здесь логичен главный вопрос, возникающий из опыта – что же происходит с этим проводом и что это за особая уличная магия?
Объяснение этого эффекта требует общего понимания кристаллических структур металлов и процессов упрочнения. Помните кое-что очень простое. Я хочу адаптировать текст для разных читателей с разным уровнем знаний по теме, поэтому, пожалуйста, не будьте придирчивы к формулировкам.
Металлы в нормальном состоянии имеют кристаллическую структуру и кристаллическую решетку. Кристаллическая решетка — это воображаемая структура, которую можно описать как атомы элемента, соединенные между собой линиями в пространстве.
При этом атомы металла располагаются в местах пересечения этих виртуальных линий, точнее в узлах решетки. Регулярно повторяющаяся часть называется элементарной ячейкой решетки. Пока речь идет о чистых компонентах, все в порядке.
Когда вы сплавляете два металла, атомы второго компонента сплава тоже должны где-то располагаться. Второй компонент обычно имеет собственную кристаллическую структуру, но пока оба компонента системы жидкие, атомы спокойно сосуществуют друг с другом, как разные виды хлопьев в молоке.
Когда система начинает затвердевать или кристаллизоваться, атомы второго компонента должны найти себе место. При этом основной компонент имеет тенденцию доминировать, его атомы образуют прочный скелет и обладают высокой энергией связи. Атомы примеси пытаются занять оставшееся свободное пространство.
Система сбалансирована в определенной конфигурации, и атомы второго компонента стремятся занять освободившиеся места в новой кристаллической решетке.
Теперь представьте, что, нагревая такой бинарный сплав, вы обнаруживаете, что атомы как первого, так и второго компонента вот-вот начнут интенсивное тепловое движение. Если мы охладим это свечение с нормальной скоростью, система вернется в равновесие.
Однако при быстром охлаждении сплава второй компонент не успевает диспергироваться стандартным образом и образуется новая структура. Такую структуру иногда называют, например, мартенситом, а этот процесс называют закалкой.
это стальной пример, но это хороший пример. Как видите, сама решетка перестраивается из ОЦК в ГПУ, и углерод внутри системы перераспределяется.
После затвердевания конструкция обычно тугая и напоминает пружину, сжатую в коробочку.
Обратите внимание: Ежедневное физическое прикосновение романтического партнера улучшает самочувствие!.
Атомы больше не могут свободно перемещаться, а сама коробка становится жесткой. Поэтому уязвимость и хрупкость возрастают.
В некоторых случаях можно наблюдать интересные явления, характерные именно для титановых и никелевых сплавов.
Структуры, образовавшиеся в результате упрочнения, остаются относительно подвижными. Закаленные проволоки из таких сплавов имеют мартенситную структуру, но обладают памятью формы.
При деформации такого сплава после закалки (выпрямлении образца проволоки) иглы внутри структуры закаленного сплава не разрушаются, а просто меняют форму. Где-то они меняются, а где-то начинают выпрямляться.
Нагрузка, которой подверглась конструкция во время отверждения, и получение полученной формы потребовали большого количества энергии. Эта энергия была получена из системы путем быстрого охлаждения. Например, именно конфигурация, содержащая иглу, находится в равновесии до тех пор, пока не будет проведен длительный отжиг для нормализации полученной структуры. Система к этому стремится.
На самом деле это фото не очень удачное. После этого каждый думает каждый раз, когда происходит полиморфное изменение из-за нагревания свечой.
Простая механическая деформация не ломает иглу и не меняет ее положение, а лишь пластически деформирует ее. Это особенность сплавов с памятью формы. В выпрямленных образцах возникает конфликт между механическим удержанием каркаса конструкции и попыткой системы вернуться к фиксированной форме после отверждения. Если бы это была только механическая деформация, напряжение было бы недостаточным и образец оставался бы прямым. Но когда вы начинаете его нагревать, начинается процесс диффузии.
Эти диффузионные процессы сначала не возвращают структуру в исходное измененное состояние, а вместо этого возвращают ее к «пост-отвержденной» версии. Механически деформированные мартенситные иглы начинают возвращаться к своей закаленной форме. Это выглядит как изменение формы пружины в обратном направлении. Судя по приведенной выше диаграмме, стоит рассмотреть только два нижних состояния.
Подобные неожиданности при действии внутренних напряжений и температур могут произойти в разных случаях и с разными материалами. Например, в ранних автомобилях панели приборов из формованного полимера прогибались, пытаясь вернуться к своей нормальной форме сиденья под воздействием сильной жары. Более того, вся техника была закатана. Это стало настоящим сюрпризом для разработчиков, которые не учли этот эффект. Ну и для автовладельцев.
⚡ Если вам нравятся мои статьи и вы хотите поддержать развитие проекта, подписывайтесь на мой Telegram-канал об изобретениях и техниках творческого мышления. Мне нужно набрать 2000 подписчиков!
Ну и подписывайтесь на Пикабушку ;)
[my] Физика Исследования Наука Поп-наука Образование Материаловедение Длинный пост 0Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Это физическое явление позволяет скрутить ложку щелчком пальцев.