За последние 30 лет сплавы из нитинола с памятью формы (SMAs) были внедрены в некоторые высокопроизводительные приложения, требующие высокой плотности обработки, больших восстанавливаемых деформаций, высоких напряжений и хорошей биосовместимости. В настоящее время сплавы с памятью формы стали отличными кандидатами для создания микроминиатюрных систем. В самом общем виде микро-электромеханические системы (MEMS) и нано-электромеханические системы (NEMS) – это интеграция механических элементов, датчиков, исполнительных механизмов и электроники на общей кремниевой подложке посредством использования технологии микропроизводства кремния. В этих системах микроэлектроника обрабатывает информацию, полученную от микродатчиков, которые собирают информацию из окружающей среды посредством измерения механических, тепловых, биологических, химических, оптических и магнитных явлений и передача полученной информации на микроприводы, которые реагируют перемещением, тем самым управляя окружающей средой для достижения желаемого результата или цели.

Современные миниатюрные SMA устройства включают микрозахваты, микронасосы и микроконсольные переключатели. Большинство из этих приложений основаны на одностороннем эффекте памяти и требуют механизма смещения для полного приведения в действие. Однако микроустройства, использующие функционально многослойные пленки позволяют добиться двустороннего эффекта.

К основным преимуществам тонкой пленки из нитинола относятся высокая удельная производительность, большое перемещение и усилие приведения в действие, низкое рабочее напряжение, возможность получения больших ходов и усилий и т.д. В отличие от объемных SMAs, их небольшая масса и большое отношение поверхности к объему обеспечивают быстрое охлаждение, что потенциально позволяет переключать частоты порядка 100 Гц.
Отдельно стоящим пленкам обычно присущ “двусторонний” эффект памяти формы, при котором происходит большое смещение, но относительно небольшое усилие при срабатывании. Подложка может действовать как эффективное смещающее усилие, создавая, таким образом, механический “двусторонний” эффект памяти формы.
Это применимо в микродатчиках, микропереключателях или микропозиционерах.                                                                                   Другие важные области применения включают:

• моду, украшения и гаджеты,
• соединения и крепежные детали,
• гибридные композиты (или интеллектуальные материалы),
• применение с высокой демпфирующей способностью и так далее.

Микроактуаторы
Микропривод – это микроскопический сервомеханизм, который обеспечивает и передает необходимое количество энергии для работы другого механизма/системы.

Как правило, приводы должны соответствовать следующим стандартам:

• большой ход,
• высокая точность,
• быстрое переключение,
• низкое энергопотребление.

Поскольку пленки из нитинола могут обеспечивать большие усилия для приведения в действие и большого перемещения, большинство применений пленок из нитинола в MEMS сосредоточено на микроприводах, таких как микронасосы, микроклапаны, микрозахваты, пружины, микроразъемники, микропозиционеры и т.д.

Микроклапаны и микронасосы
Для многих аналитических приборов, имплантируемых устройств для доставки лекарств и химических анализов микронасосы и микроклапаны на основе MEMS играют важную роль. Сплавы на основе нитинола подходят для изготовления микроклапанов и микронасосов. Существуют различные конструкции для приведения в действие микронасосов или микроклапанов на основе пленки из нитинола, среди которых используются мембраны TiNi в виде диафрагмы, микропузырьков и т.д. Используются как отдельно стоящие пленки из нитинола, так и пленки из нитинола с уплотнением.
Чаще всего сообщается о биморфных мембранных микронасосах и клапанах на основе TiNi/Si из-за их преимуществ, таких как:

•  большое усилие приведения в действие;
• простота процесса;
• не требуется специальная смещающая структура, поскольку кремниевая подложка обеспечивает самоподсекание;
• не требуется изолирующая структура, поскольку кремниевая структура может полностью отделять рабочую жидкость от пленки SMA.

Тепловое расширение между двумя металлическими материалами играет важную роль, которая пропорциональна создаваемому давлению. Использование кремниевой мембраны и слоя нитинола является одним из наиболее привлекательных сочетаний. Диафрагма с биметаллическим приводом значительно увеличивает усилие по сравнению с биметаллической консольной балкой при том же расстоянии вертикального перемещения. Для регулирования давления или расхода газа были разработаны высокоэффективные мембранные клапаны. Во многих случаях полезно или необходимо иметь нормально закрытый клапан, который может перекрыть подачу потока в случае перебоев в подаче питания в систему.

Микрозахваты
Микрозахват помогает с высокой точностью захватывать мельчайшие частицы или микрообъекты для широкого спектра важных применений, таких как сборка микросистем, эндоскопы для микрохирургии и микроманипуляторы для инъекций лекарств в клетки.

ООО «СибРесурс» является надежным поставщиком тугоплавких металлов. Мы предоставляем клиентам высококачественную продукцию из таких металлов и их сплавов как вольфрам, молибден, тантал, титан, никель и рений.  Это помогает удовлетворять научно-исследовательские и производственные потребности наших клиентов по конкурентоспособной цене.

Мы уверены, что ООО «СибРесурс» станет вашим основным поставщиком продукции из нитинола и надежным деловым партнером.

Нитиноловый пружинный привод
Нитиноловые пружинные приводы используются при остеосинтезе переломов костей, который основан на законах вариации и замене подвижного костного фрагмента более крупным неподвижным костным фрагментом. Это было сделано путем установки двух нитиноловых приводов (наподобие пружин) в двух цилиндрических корпусах, снабженных двумя каналами, которые могут скользить по длине, определяемой двумя болтами, используемыми для крепления костных фрагментов.

Микродатчики, микропереключатели и микрореле из тонких пленок
Токие пленки из нитинола чувствительны к изменениям окружающей среды, таким как температура, напряжение, магнитные или электрические поля, поэтому они идеально подходят для применения в микродатчиках. Однако в этой связи сообщается лишь о нескольких исследованиях и применениях, поскольку:

• функция считывания ограничена только в соответствующем температурном диапазоне;
• низкая скорость отклика и частота, присущие тонкопленочному SMA.

Пленка из нитинола была представлена в качестве датчика емкости типа “металл на кремнии” (MOS), предназначенного для обнаружения увеличения емкости пленок из нитинола при нагревании и охлаждении.

Мода, украшения и гаджеты
Благодаря псевдоэластичному поведению, наиболее успешными областями применения SMAS являются оправы для очков, антенны для портативных сотовых телефонов, оправы для бюстгальтеров, оголовья наушников, нижняя юбка свадебного платья (может быть компактно сложена для хранения и транспортировки), оправа для обуви (восстанавливает первоначальную U-образную форму при температуре чуть выше 40 °C), мундштук для сигарет (пепельница предотвращает его падение с другой стороны на скатерть, если оставить ее в мундштуке на столе). Помимо этих нескольких примеров, изобретательные создатели выводят на рынок различные типы гаджетов.

Муфты и крепежные детали
За 30 лет, прошедших с момента их коммерческого внедрения, крепежные детали из сплавов с памятью формы доказали свою надежность в ряде сложных применений, таких как муфты с возможностью восстановления тепла, термоусадочные крепежные детали и соединители. Устойчивая реакция на статические нагрузки, усталость, воздействие высоких температур, термоциклирование и общую коррозию позволяет с уверенностью использовать эти крепежные детали для новых применений.
Учитывая продолжающийся прогресс в производстве сплавов, металлургии и производственных процессах, использование этой технологии в настоящее время выходит далеко за рамки военных и аэрокосмических технологий.

Гибридные композиты (интеллектуальные материалы)
Интеллектуальные материалы включают в себя три функции (датчик, исполнительный механизм, управление), которые, как правило, сочетаются за счет использования различных материалов в сочетании с блоком управления. Такая комбинированная конструктивная форма известна как гибридный композит. SMA-элемент может быть частью всей этой интеллектуальной структуры. Реакция в виде изменения температуры или магнитного поля в определенном диапазоне непосредственно преобразуется в изменение формы лопасти. Использование торсионной трубки для управления регулировкой кромок несущих винтов вертолета и “умного крыла” – типичный пример технологии “умных лопастей”. Эта технология позволяет контролировать вибрации, снижает уровень шума и приводит к повышению эффективности. Использование SMAs – это концепция изменения формы крыльев в конструкциях самолетов, при которой материал SMA будет использоваться для поддержания формы “умной” воздушной пленки при воздействии внешних сил подъемной силы и лобового сопротивления. Определенными статическими и динамическими характеристиками конструктивных элементов, такими как максимальное отклонение и форма, собственные частоты и режимы колебаний, амплитуды вынужденных колебаний или демпфирующие свойства, можно управлять с помощью компонентов SMA в виде проводов, полос или фольги, встроенных или приклеенных к элементам конструкции. Гибридная структура представляет собой активную систему настройки энергии деформации (ASET), ограничивающие провода которой встроены в матрицу. Если такая композитная пластина будет вибрировать в резонансе, провода могут нагреваться, что приведет к возникновению восстановительных напряжений на границе раздела проводов композитной матрицы. Это приводит к изменению энергетического баланса.

Выводы
В этом десятилетии был достигнут значительный прогресс в конструкциях на основе никеля и титана – от крупногабаритных конструкций до MEMS/NEMS-конструкций. Приводы из нитинола обладают выдающимися характеристиками по сравнению с другими приводными механизмами с точки зрения соотношения работы и объема, большого усилия и эффективности. Микроустройства на базе нитинола найдут потенциальное применение в аэрокосмической промышленности, автомобилестроении, медицине и потребительских товарах.

Источник: Journal of Thin Films, Coating Science Technology and Application
SC Mishra
National Institute of Technology, Rourkela, India

ООО «СибРесурс» является надежным поставщиком тугоплавких металлов. Мы предоставляем клиентам высококачественную продукцию из таких металлов и их сплавов как вольфрам, молибден, тантал, титан, никель и рений.  Это помогает удовлетворять научно-исследовательские и производственные потребности наших клиентов по конкурентоспособной цене.

Мы уверены, что ООО «СибРесурс» станет вашим основным поставщиком продукции из нитинола и надежным деловым партнером.