Память формы - особенности и перспективы применения в
реклама
Память формы – особенности и перспективы применения в технике Перспективным направлением развития технических систем является использование интеллектуальных материалов в измерительных и исполнительных устройствах. Отличительная особенность таких материалов – способность контролируемым образом изменять свои свойства в ответ на изменения окружающей среды, информировать о том, в каком состоянии находится конструкция, каковы предельно допустимые деформации, в зависимости от условий эксплуатации менять пространственное расположение конструкции. Для систем управления важна способность преобразовывать один вид энергии в другой. Ключевым фактором для практического использования интеллектуальных материалов служит то, что этим преобразованием энергии можно управлять. К таким материалам в полной мере относятся и ферромагнитные материалы с памятью формы (ФМПФ), обладающие высокой чувствительностью и возможностью изменять геометрические размеры в широком диапазоне под воздействием магнитных и механических сил. Что позволяет реализовывать сложные функции измерительных и исполнительных устройств, повысить точность преобразования, упростить конструкцию устройств, а также сократить количество составных частей, подверженных поломке или износу. Потенциал ФМПФ этим не исчерпывается. Перспективным направлением использования ФМПФ является создание альтернативных источников энергии. Большой интерес вызывает применение двухсторонний эффект памяти формы – способность исполнительного механизма изменять свою форму под действием магнитного поля при постоянной температуре произвольным образом. Эти свойства могут найти применения в электронике, в медицине, а также в микро и наномеханике. Магнитные свойства ферромагнитного материала с эффектом памяти формы Основу промышленных систем управления составляют измерительные и исполнительные устройства. Характеристики и параметры устройств зависят от свойств используемых материалов. В настоящее время возможности «традиционных» материалов во многом уже полностью реализованы. В настоящее время наблюдается значительный интерес к интеллектуальным материалам, отличительной особенностью которых является возможность контролируемым образом изменять свои свойства в ответ на изменения окружающей среды, информировать о том, в каком состоянии находится конструкция, каковы предельно допустимые деформации, в зависимости от условий эксплуатации менять пространственное расположение конструкции. Ключевым фактором для практического использования интеллектуальных материалов служит то, что этим преобразованием энергии можно управлять. Большим потенциалом обладают, относящиеся к таким материалам, сплавы с памятью формы, которые имеют свойство помнить о деформациях. Различают термически активируемые сплавы, которые могут деформироваться, но впоследствии восстанавливать свою первоначальную форму под воздействием тепла, и сплавы, деформация которых управляется магнитным полем. Значительный интерес представляют ФМПФ, допускающие управление памятью формы и сверхпластичностью с помощью магнитного поля. В этих материалах быстрый отклик сочетается с большими обратными деформациями. Высшие достижения в этой области связаны с ферромагнитным сплавом Геслера Ni2MnGa, позволяющем добиться управляемого магнитным полем изменения линейных размеров кристаллов до 6 % [1]. Влияние магнитного поля открывает значительные возможности для управления формой и размером ФМПФ. Целесообразно рассматривать происходящие в ФМПФ явления в коор- динатах «магнитное поле – механическая нагрузка – температура». Такой подход обусловлен тем, что в этих материалах фазы мартенсита (упорядоченного перемещения кристаллов) могут появиться в одном из трех вариантов, соответствующим трем возможным кристаллографическим направлениям в образце (рисунок 1). Рисунок 1 – Аустенитная и варианты мартенситной фазы образца из СПФ Принцип мартенситной переориентации: при высокой температуре ФМПФ находится в аустенитной фазе (A). После охлаждения аустенита происходит переход к мартенситной фазе. Возможен один из трех вариантов (M1, M2 или M3). Если на образец воздействует механическое напряжение и оно достаточно большое, то образец будет содержать только вариант M1. При снятии напряжения объемная доля M1 уменьшается незначительно вследствие механического гистерезиса. Если на ФМПФ воздействует магнитное поле вдоль оси наилегчайшего намагничивания, то возможен вариант М2. Распределение между магнитным полем и механическими напряжениями позволяет управлять деформаций образца. Вследствие нагревания может быть восстановлена аустенитная фаза (рисунок 2). Ниже приведены исследования магнитных и механических свойств ФМПФ с учетом указанных особенностей. Возможность деформации, обусловленной магнитным полем в ФМПФ, во многом определяется магнитокристаллической анизотропией. Образование и рост выгодно ориентированных по отношению к магнитному полю доменов зависит от этого параметра. Охлаждение Нагрев Усилие Нагрев Усилие Магнитное поле Усилие Магнитное поле Рисунок 2 – Мартенситные переориентации: эффекты механическогого напряжения, магнитного поля и температуры Результаты измерений намагниченности образца ФМПФ показали, что легкая ось ориентирована вдоль кристаллографической оси [100] и константа магнитокристаллической анизотропии Ku имеет малое значение. При переходе к мартенситную фазу анизотропия претерпевает значительные изменения [2]. Характеристики M H для поливариантного мартенситного состояния (рисунок 3) отличаются в зависимости от направления напряженности магнитного поля: 1 – H 100; 2 – H 110; 3 – H 111 . Перераспределение вариантов мартенсита, индуцируемое магнитным полем, накладывается на собственно магнитные процессы. С целью исключения перекрестного влияния перераспределения вариантов мартенсита и собственных магнитных процессов в ФМПФ в [2] выполнялась следующая процедура: образец сжимался до моновариантного состояния прессом с последующим определением характеристики M H в магнитном поле, параллельном [100] или перпендикулярном [010] направлению сжатия. В соответствии с рисунком 4, кривые M H показывают одноосную анизотропию. Рисунок 3 – Характеристики M(H) ФМПФ для поливариантного мартенситного состояния Рисунок 4 – Характеристики M(H) ФМПФ для моновариантного мартенситного состояния: 1 – легкая ось [100]; 2 – трудная ось [010] Изменение магнитного состояния ФМПФ имеет сложную зависимость от таких параметров как приложенное магнитное поле и механическое усилие. Рассмотрим подробнее происходящие в ФМПФ процессы при воздействии напряженности магнитного поля H 0 800 кА/м и механического напряжения 1 МПа (рисунок 5). При увеличении напряженности магнитного поля H происходят последовательно три стадии изменения магнитного состояния образца. Стадия 1 – не происходит необратимых процессов и смещения доменных границ, рост намагниченности происходит почти линейно за счет вращения векторов намагниченности в доменах. На стадии 2 резко увеличивается значение намагниченности M после достижения напряженности магнитного поля значения 350 кА/м. Стадия 3 характеризуется состоянием насыщения. Векторы намагниченности в доменах устанавливаются в одном направлении при напряженности магнитного поля 450 кА/м. В случае последующего уменьшения напряженности магнитного поля наблюдаются также три стадии изменения напряженности магнитного поля. Стадия 4 – намагниченность остается практически неизменной до H 100 кА/м, что обуславливает значительный гистерезис. Затем (стадия 5) намагниченность начинает уменьшаться по линейному закону. Стадия 6 обусловлена вращением векторов намагниченности в доменах и смещением доменных границ, приводящих к размагниченному состоянию образца ( M 0 ). Рисунок 5 – Зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля ФМПФ и схематическое представление изменения магнитного состояния образца В исследованиях, приведенных в [3], показано, что петля гистерезиса претерпевает значительные изменения в зависимости от приложенного механического напряжения 1,8 МПа (рисунок 4). Рисунок 6 – Зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля ФМПФ при = –1,8 МПа Следует отметить, что гистерезис ФМПФ наблюдается только при первом цикле перемагничивания (рисунок 7), затем намагниченность достигает насыщенного состояния в слабом магнитном поле (рисунок 8) [4]. Рисунок 7 – Зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля ФМПФ в первом цикле перемагничивания Рисунок 8 – Зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля ФМПФ в последующих циклах перемагничивания Значительное влияние на намагниченность ФМПФ оказывает температура. Так при постоянном механическом напряжении 1,0 МПа с ростом температуры намагниченность уменьшается (рисунок 9) Рисунок 9 – Зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля ФМПФ при изменении температуры: а) T = 223 К; б) T = 288 К; в) T = 307 К ФМПФ обладают свойством менять свою магнитную восприимчивость при псевдопластической деформации. В этом случае магнитное состояние исполнительного устройства является и причиной и индикатором его меха- нического состояния. Проведенные исследования показываю сложный характер изменения магнитного состояния ФМПФ. Явно выраженный гистерезис приводит к тому, что на намагниченность оказывает большое влияние начальное состояние материала и последующая «история». Наличие анизотропии обуславливает необходимость выбора направление вектора напряженности магнитного поля перпендикулярным направлению деформации образца из ФМПМ. Следует отметить необходимость создания довольно больших перемагничивающих полей. Для достижения состояния насыщения Ms требуется напряженность магнитного поля более 800 кА/м. Эти факторы, а также значительное влияние температуры на магнитные свойства, необходимо учитывать при создании измерительных и исполнительных устройств для промышленных систем управления. Механические свойства ферромагнитного материала с эффектом памяти формы Отличительной особенностью ФМПФ является возможность создания гигантских деформаций за счет переориентации мартенситных вариантов магнитным полем [5]. В настоящее время ФМПФ обеспечивают: предельные деформации (сжатие – растяжение) – до 9,5 % [6]; противодействующее механическое напряжение – 2 МПа [7]; минимальное время отклика – 150 мкс [8]. Выполним исследование факторов оказывающих влияние на достижение указанных параметров. Особенность механизма перестройки магнитным полем мартенситных доменов заключается в том, что варианты, «выгодно» расположенные по отношению к приложенному магнитному полю, растут за счет «невыгодно» ориентированных вариантов (рисунок 10) [9]. Рисунок 10 – Перераспределение мартенситных вариантов в магнитном поле Охлаждение (напряженность магнитного поля H 0 ) ФМПФ приводит к образованию самоаккомадированных мартенситных вариантов (рисунок 10,а), при этом границы доменов и мартенситных вариантов совпадают. Уве- личение напряженности магнитного поля ( H 0 ) в ряде случаев приводит к росту мартенситных вариантов, магнитный момент которых «выгодно» ориентирован по отношению к направлению магнитного поля (рисунок 10,б). Этот процесс приводит к деформации образца из ФМПФ. При некотором критическом значении напряженности магнитного поля HC, большинство мартенситных вариантов выстраивается вдоль направления напряженности магнитного поля (рисунок 10,в). Следует отметить, что гигантская деформация ФМПФ также обусловлена соотношением между эффективным упругим модулем и константой одноосной магнитокристаллической анизотропии Ku. Для получения таких деформаций активные элементы из ФМПФ предварительно подвергают одноосной деформации или воздействию напряженности магнитного поля, направленного перпендикулярно рабочему магнитному полю [2]. Это позволяет сформировать моновариантное мартенситное состояние. При снятии магнитного поля в отсутствии внешних воздействий (механической напряженностью, напряженностью магнитного поля) деформация сохраняется. Обратимая деформация достигается за счет внешнего воздействия механической напряженностью или напряженностью магнитного поля. Значительное влияние на деформацию, вызванную перестройкой мартенситных вариантов, оказывают внешние нагрузки (рисунок 11) [10]. При отсутствии внешней нагрузки, если большинство мартенситных вариантов выстраиваются вдоль направления напряженности магнитного поля деформация в образце достигает максимального значения и не изменяется при снятии поля (рисунок 12). , % 0Н, Т Рисунок 11 – Деформации образца ФМПФ от напряженности магнитного поля при различных значениях внешней нагрузки , % 6 4 2 0 0 0,2 0,4 0,6 0Н, Т 0,8 1,0 Рисунок 12 – Деформации образца ФМПФ при отсутствии внешней нагрузки Как следует из рисунков 13 – 16 [11] напряженно-деформированное состояние образца из ФМПФ имеет значительный гистерезис и нелинейность. На его состояние оказывает значительное влияние напряженность магнитного поля. Под воздействием поля происходит переориентация векторов намагниченности в доменах и смещение доменных границ. Рисунок 13 – Напряженно-деформированное состояние при отсутствии магнитного поля Рисунок 14 – Напряженно-деформированное состояние при H = 133 кА/м Рисунок 15 –Напряженно-деформированное состояние при H = 291 кА/м Рисунок 16 –Напряженно-деформированное состояние при H = 445 кА/м Как было показано выше магнитные свойства ФМПФ зависят от изменения температуры. Такая же связь наблюдается и для механических свойств (рисунок 17). Рисунок 17 – Зависимость () ФМПФ от температуры Анализируя полученные результаты можно сделать вывод, что существует тесная взаимозависимость между факторами, воздействующими на ФМПФ (напряженность магнитного поля, механическая напряженность), и его деформацией (рисунок 18) . Рисунок 18 – Взаимосвязь напряженности магнитного поля, механической напряженности и деформации ФМПФ Механические и магнитные свойства ФМПФ являются определяющими при выборе подходов к проектированию многофункциональных приборов на основе ферромагнитных материалов с эффектом памяти формы для промышленных систем управления. Полученные результаты в дальнейшем учитываются при разработке метода моделирования ФМПФ и математических моделей, описывающих процессы в устройствах на основе этих материалов. Литература 1 Ферромагнетики с памятью формы / А.Н. Васильев [и др.] // Успехи физических наук. 2003. Т. 173, № 7. С. 577-608. 2 R. Tickle, R. James Magnetic and magnetomechanical properties of Ni2MnGa, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 195 (3) (1999) 627– 638. 3 Heczko O., Sozinov A., Ullakko K., 2000. Giant field-induced reversible strain in magnetic shape memory NiMnGa alloy. IEEE Trans. Magn. 36, pp. 3266– 3268. 4 Suorsa I., Pagounis E., Ullakko K. Magnetization dependence on strain in the Ni-Mn-Ga magnetic shape memory material. Applied Physics Letters, 2004. Vol. 84, No. 23, pp. 4658-4660. 5 K. Ullakko, K., Huang, J. K., Kantner, C., O’Handley, R. C., and Kokorin, V. V. Large magnetic-field-induced strains in Ni2MnGa single crystals, Applied Physics Letters , 1996, 69, pp. 1966-1968. 6 Sozinov A. Likhachev A., Lanska N., Ullakko K. Giant magnetic-fieldinduced strain in NiMnGa seven-layered martensitic phase / Applied Physics Letters, 2002. Vol. 80, No. 10, pp. 1746-1748. 7 Murray S. J., Marioni M., Allen S.M., O’Handley R. C. 6% magnetic- field-induced strain by twin-boundary motion in ferromagnetic Ni-Mn-Ga, Applied Physics Letters, 2000, 77(6), pp .886-888. 8 Marioni M.A., O’Handley R.C., Allen S.M. Pulsed magnetic field- induced actuation of Ni-Mn-Ga single crystals, Applied Physics Letters 2003, 83(19), pp. 3966-3968. 9 Ullakko K., Huang J.K., Kokorin V.V., O’Handley R.C., Scripta Mater. 36 (1997) pp. 1133. 10 Kiefer B., Karaca H.E., Lagoudas D.C., Karaman I. Characterization and modeling of the magnetic field-induced strain and work output in Ni2MnGa shape memory alloys. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. November 2007, vol. 312, pp. 164–175. 11 Sarawate N. and Dapino M. A continuum thermodynamics model for the sensing effect in ferromagnetic shape memory NiMnGa. Journal of Applied Physics. 2007 101(12):123522. pp. 1–11.