§ 6. Космические и земные профессии запоминающих сплавов

Возможности практического применения сплавов, обладающих уникальным свойством запоминать форму, исключительно разнообразны и заманчивы. Здесь перед конструкторами - широкое поле деятельности, усеянное принципиально новыми инженерными решениями. Например, в космической технике с помощью этих сплавов эффектно решается традиционная проблема экономии места (рис. 65). Свернутые или скрученные в компактную форму и уложенные в небольших нишах космического корабля антенны 1 и 3, механизм стабилизации 2, солнечная батарея 4У распрямляются или выдвигаются из ниши после запуска аппарата на орбиту от действия солнечного тепла. Не правда ли, антенна 1 напоминает самопроизвольно разгибающийся бараний рог? Это можно использовать для создания космического радио-телескопа - компактный моток из тонкой проволоки разворачивается при нагреве в круг диаметром около 2 км!

Рис. 65

На рис. 66 показана схема простой конструкции для расстыковки блоков летательного аппарата. По команде на расстыковку включается нагрев спирали 2 и выпрямляется основная силовая деталь привода 1. Конструкция отличается простотой и надежностью: здесь не требуется никакого дополнительного двигателя и нет никаких промежуточных деталей, передающих усилие.

Рис. 66

Конечно, запоминающим сплавам есть много применений на Земле и в воздухе, на воде и под водой. Их способность поднимать грузы при нагреве открывает возможность создания двигателей прямого преобразования тепла в механическую работу. Модели таких двигателей уже построены. Их коэффициент полезного действия невысок, но ведь для их работы можно использовать низкотемпературные источники тепла - солнечную энергию, тепловые отходы промышленных предприятий и пр.

Рис. 67

Свойство развивать напряжение в процессе "вспоминания" формы нашло применение при создании соединения способом, заменяющим сварку, пайку и другие традиционные методы. Допустим, нам надо соединить две трубки для получения, скажем, топливопровода двигателя самолета. Берем втулку из низкотемпературного запоминающего сплава, внутренний диаметр которой на 4% меньше наружного диаметра соединяемых трубок (рис. 67, позиция 1). В жидком азоте (-196°С) деформируем втулку методом раздачи, так что ее внутренний диаметр становится на 4% больше наружного диаметра трубок - позиция 2. Теперь концы трубок мы можем ввести внутрь втулки, которая, отогреваясь до комнатной температуры, сжимается и сжимает концы трубок, обеспечивая прочное, герметичное соединение - позиция 3. Здесь используется та самая совершенно необычная с инженерной точки зрения особенность проявления памяти металла, когда мы заставляем его сжиматься при нагреве. Конечно, вдоль оси трубок втулка растягивается, но в данном случае это не мешает peшению задачи; важно получить при нагреве уменьшение диаметра втулки, чтобы она сжала концы соединяемых трубок.

Рис. 68

В авиации и кораблестроении уже установлены сотни тысяч таких соединений. Они показали высокую надежность и работают безотказно. А ведь надо учитывать, что технически это значительно проще, чем сваривать или паять. Можно легко выполнять такие соединения в труднодоступных или пожароопасных местах и даже в таких экзотических условиях, когда сварка или пайка вообще невозможны, - например, на дне моря.

Запоминающие сплавы используют и для создания разного рода автоматических терморегуляторов и исполнительных механизмов, срабатывающих при небольшом повышении заранее заданного значения температуры. На рис. 68 показана схема автоматического устройства, которое можно использовать для пожаротушения. Элементы из запоминающего сплава 1 входят в отверстия контейнера 2, заполненного соответствующей смесью, и удерживают поршень 3 в нижнем положении. При повышении температуры они вспоминают заданную им ранее форму и освобождают поршень, который под действием пружины 4 движется вверх, прокалывает пробойником диафрагму в крышке контейнера и выбрасывает его содержимое наружу.

Рис. 69

Интересны возможности использования этих сплавов в медицине. Их применяют при операциях, связанных со сращиванием костных переломов (рис. 69). Мы уже упоминали об этом (см. выше) и обещали вернуться к этому примеру, поскольку здесь используется чрезвычайно интересное сочетание двух эффектов - запоминания формы и сверхупругости. Скобку-пружинку заданной формы и размеров растягивают при пониженной температуре и вставляют ее концы в отверстия, просверленные по обе стороны перелома. Состав сплава подобран так, что при температуре тела скобка вспоминает прежнюю форму и одновременно переходит в сверхупругое состояние. Следовательно, она начинает сжиматься и приводит обломки кости в плотное соприкосновение, на что затрачивается, скажем, половина из отпущенных нам 10% деформации. После этого кость начинает сопротивляться дальнейшему сжатию, что, как мы уже знаем, приводит к росту напряжения в ней. Скобка как бы начинает нагружать сама себя, одновременно прижимая друг к другу и обломки кости. Но при нагружении сверхупругого материала диаграмма деформации имеет своеобразный вид (рис. 30); скобка запасает остальные 5% деформации и будет "выдавать" их постепенно по мере срастания обломков, поддерживая постоянное усилие прижатия.

Рис. 70

Разрабатываются новые способы лечения такого заболевания как сколиоз - искривление позвоночника. В организм больного оперативным путем вводят стержень, изогнутый так, что он повторяет неправильную форму позвоночника, и скрепляют его с позвоночным столбом (рис. 71). Стержень помнит заранее заданную ему форму правильного позвоночника и начинает вспоминать ее при небольшом (не опасном и безболезненном для человека) превышении температуры над температурой тела. Врач может легко регулировать ход лечения.

Рис. 71

Другой пример - фильтры для улавливания тромбов (сгустков крови) в сосудах. Слегка охлажденная прямая тонкая проволочка вводится в нужное место кровеносного сосуда, там, отогреваясь до температуры тела, принимает ранее заданную ей причудливо запутанную форму. Фильтр пропускает кровь, но задерживает тромб, который, добравшись до сердца или мозга, мог бы привести к смертельному исходу (рис. 73).

Рис. 72

Еще одно очень интересное направление внутрисосудистой хирургии развивается во Всесоюзном научном центре хирургии под руководством профессора И. X. Рабкина. Сотрудники этого центра и Московского института стали и сплавов уже провели успешные эксперименты на животных по вживлению в кровеносные сосуды нитиноловых пружинок, укрепляющих изнутри стенки сосуда. Проволока вводится в сосуд через узкую трубочку (катетер) и в нужном месте "вспоминает" форму пружины и как бы армирует ослабленный участок сосуда. Начаты работы по созданию искусственного сердца с использованием тонких проволок из запоминающих сплавов. В медицине, кроме памяти, используется еще и то обстоятельство, что нитинол имеет очень высокую коррозионную стойкость и показал отличную совместимость с тканями живых организмов.

Рис. 73

Если вернуться к технике, то можно найти еще много ярких примеров эффектного решения сложнейших конструкторских задач с помощью нитинола или других запоминающих сплавов. Представим себе, что нам нужно выполнить сборку деталей в таком узле, доступ к которому возможен только с одной стороны. Все, вероятно, видели вблизи современный пассажирский самолет. Обшивка его корпуса и крыльев прикрепляется к несущим конструкциям с помощью огромного количества заклепок. Этот способ соединения деталей вообще еще достаточно широко распространен, хотя его и "теснят" более производительные методы, такие, как сварка и пайка.

Так вот, бывают случаи, когда место будущего соединения, скажем, двух металлических листов открыто для сборщика только спереди, а с тыльной стороны к нему подобраться невозможно. Вставить заклепку в отверстие, заранее проделанное в обоих листах, нетрудно. Но ведь дальше надо ударить молотком по заклепке с противоположной стороны (придерживая ее спереди), чтобы образовать вторую "шляпку" и плотно соединить листы.

Рис. 74

Привыкший к "нитиноловым чудесам" читатель уже догадывается, как можно решить эту техническую задачу. Заклепка из запоминающего сплава будет иметь шляпку только с одной стороны, а ее стержень с другого конца нужно будет пропилить вдоль оси на определенную длину и развести концы в стороны. В таком виде заклепку нужно "заневолить" и нагреть, т. е. вынудить ее принять и "запомнить" эту новую форму. После этой операции мы уже при комнатной температуре снова сводим вместе концы заклепки так, что исходная форма ее стержня восстанавливается (если не считать узкого "пропила", который не мешает сборке). Но заклепка уже "заряжена". Остается вставить ее в отверстие и нагреть, например, горелкой ее шляпку. Постепенно нагреется весь стержень заклепки, и когда на его противоположной стороне будет достигнута нужная температура, сработает память металла, и концы разойдутся в стороны, плотно прижимая задний лист к переднему.

Нитинол не ржавеет, он легок и достаточно прочен. Не исключено, что в будущем из него будут, например, делать корпусы автомобилей. Такой автомобиль, даже после серьезного дорожного происшествия, восстановит форму кузова просто в результате легкого подогрева поврежденных мест.

Конечно, сейчас "автомобильный" прогноз выглядит, пожалуй, слишком смелым, так как запоминающие сплавы еще довольно дороги. Но ведь мы еще не знаем, чем нас завтра порадуют геологи и металлурги!