Новый материал с эффектом сохранением формы выдерживает экстремальные нагрузки и температуры
Ученые из лаборатории физики высокопрочных кристаллов Сибирского физико-технического института Томского государственного университета (СФТИ ТГУ) работают над созданием недорогого сплава с эффектом памяти формы. Разработка предназначена для использования в суровых условиях Арктики и космического пространства. Об этом сообщает пресс-служба вуза.
В чем выгодны и эффективность исследований
Специалисты исследовали функциональные возможности монокристаллов на основе кобальта, никеля, алюминия и железа (CoNiAlFe). Этот сплав обладает двусторонним эффектом памяти формы и имеет большой потенциал для применения в различных отраслях промышленности. В частности, он является перспективным материалом для изготовления комплектующих приводов и актюаторов, которые используются в конструкции ледоколов и космических кораблей.
В рамках проекта, в ранее созданный сплав CoNiAl добавили железо. Результаты экспериментов показали, что легирование железом расширяет температурный диапазон работы материала на 50 градусов со смещением в область низких температур. Кроме того, сплав CoNiAlFe способен выдерживать рабочую нагрузку в полтора раза выше, чем его предшественник.
Результаты исследования циклической стабильности сверхэластичности монокристаллов CoNiAlFe опубликованы в крупнейшем мировом открытом электронном репозитории научных статей и препринтов Social Science Research Network.
Работа томских ученых направлена на совершенствование и создание новых технических возможностей для освоения северных широт, включая российскую Арктику, и космического пространства. Разработка сплавов с двусторонним эффектом памяти формы позволит создавать высоконадежные компоненты для приводной техники. Такие детали будут простыми по конструкции, компактными по размеру, а также легкими в сборке и обслуживании. При этом производство самого сплава является экономически доступным.
Создание монокристаллического сплава с высокой термомеханической и циклической стабильностью началось в 2023 году. Изначально коллектив создал трехкомпонентные монокристаллы из кобальта, никеля и алюминия. В широком диапазоне температур изделия из такого материала могут многократно менять размеры — как при механическом воздействии, так и без него — и полностью возвращаться в исходное состояние. При этом они не ломаются и не теряют своих свойств в последующих циклах. Это явление называется циклической стабильностью двустороннего эффекта памяти формы. Оно позволяет продлить срок службы приборов, повысить их эффективность и работоспособность, а также исключить аварийные ситуации.
Где востребован новый материал
Применять такой материал можно, например, в пожарных системах. При повышении температуры датчик срабатывает, изменяет форму и нажимает на нужную кнопку, после чего приводится в действие система сигнализации.
Как поясняет руководитель проекта, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории Анна Ефтифеева, на втором этапе проекта изучали сплав уже из четырех компонентов — с добавлением железа.
«Был получен эффект памяти формы в циклах «охлаждение – нагрев» без воздействия нагрузки, и величина обратимой деформации оказалась довольно большой — порядка 6–8%. Этот эффект достаточно стабильный — выдерживает 100 циклов. Легирование железом должно повышать у сплава энтропию смещения, и, как мы предполагаем, вырастает его термомеханическая и циклическая стабильность сверхэластичности. В итоге добавление железа может привести к термомеханической стабильности материала до 200 градусов, тем самым расширяя температурный интервал работы данных сплавов», — рассказывает Анна Ефтифеева.
Железо делает сплав CoNiAlFe еще и высокопрочным. Его рабочая нагрузка может достигать 1000 мегапаскалей, что в полтора раза превышает показатели сплава без железа.
На третьем, заключительном этапе проекта, физики Томского государственного университета планируют исследовать циклическую и термомеханическую стабильность монокристаллического сплава CoNiAlFe. Его свойства проверят на более чем 100 циклах под воздействием высоких нагрузок и температур.
Перспективы в разработках
Также будут проведены аналогичные исследования на поликристаллах CoNiAlFe. Монокристаллы сплава устойчивее к разрушению — в них нет границ зерен, в то время как поликристаллы могут быстро разрушаться по этим границам. Это отрицательно сказывается на циклической стабильности материала: изделия из него могут демонстрировать обратную деформацию лишь несколько раз или всего один раз. Однако поликристаллы дешевле монокристаллов, что имеет большое значение для промышленного производства.
«Мы хотим попробовать решить проблему с разрушением поликристаллов, подобрав нужную методику термообработки. Сохранить в них сверхпластичность, как у монокристаллов, очень сложно, но все же хочется добиться такого результата», — добавляет Анна Ефтифеева.
Лаборатория физики высокопрочных кристаллов Сибирского физико-технического института Томского государственного университета — одна из немногих в мире, где занимаются ростом и изучением монокристаллов. Проводимые здесь исследования являются уникальными, поскольку в научной литературе в основном описываются работы с поликристаллами.
