Интеллектуальные сплавы с особыми магнитными и электрическими свойствами

К такому типу относят материалы с большими магнитострикционными, электрострикционными, пьезоэлектрическими свойствами. "Интеллект" этих материалов проявляется в том, что изменение внешних условий (магнитного или электрического напряжения) вызывает изменение их размеров, т.е. выполняется работа. И наоборот, при приложении напряжения возникает электрическое или магнитное поле. При этом имеется жесткая корреляция между величиной сигнала на входе и реакцией на выходе.

Пьезоэлектрики. Пьезоэлектрический эффект возникает в диполях, т.е. в кристаллах, в которых центры положительных и отрицательных зарядов нс совпадают (рис. 14.12). Асимметрия создается положительным ионом "В", расположенным вне центра. Различают прямой и обратный пьезоэффекты.

Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в появлении разноименных электрических зарядов на поверхности кристалла при приложении к нему механической нагрузки (рис. 14.13, а). Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении размеров кристалла (его деформации) под действием электрического поля (рис. 14.13, б).

Слабый пьезоэлектрический эффект наблюдается во многих природных материалах – кварце, турмалине,

Рис. 14.12. Схема диполя

сульфате лития и др. Важным классом пьезоэлектриков с сильным пьезоэлектрическим эффектом являются сегнетоэлектрики – кристаллические вещества, обладающие при определенных температурах спонтанной (самопроизвольной) поляризацией (эффект был обнаружен в сегнетовой соли, отсюда название – сегнетоэлектрики).

В промышленности используют сегнетоэлектрик – титанат бария (ВаТiO3). При высоких температурах он имеет симметричную ку́бическую структуру (т.е. кристалл не является диполем): атомы бария расположены в углах куба, атомы кислорода – в центрах граней, атом титана – в центре куба (рис. 14.14, а) При температуре 120 °С (точка Кюри) происходит полиморфное превращение, решетка становится тетрагональной, атом титана приближается к одному из атомов кислорода (рис. 14.14, б), в результате чего самопроизвольно образуется диполь, обладающий пьезоэлектрической активностью.

Рис. 14.13. Пьезоэлектрический эффект (схема):

а – прямой; б – обратный

Наряду с монокристаллами используют пьезокерамику, получаемую спеканием сегнетоэлектриков. После спекания и охлаждения получают керамику с размером зерен от нескольких нанометров до микрометра, расположенных хаотично. Поскольку диполи не ориентированы, они взаимно гасятся, т.е. в таком состоянии материал не является пьезоэлектриком, хотя в отдельности каждое зерно – сег- нетоэлектрик. Для придания керамике необходимых пьезоэлектрических свойств ее подвергают воздействию сильного электрического поля, которое ориентирует диполи.

В промышленности используют и прямой, и обратный пьезоэлектрический эффект. Прямой – в датчиках давления, вибраций, деформаций и т.д. Возникающая ЭДС пропорциональна нагрузке, вызывающей появление ЭДС. Основные достоинства датчиков – способность воспринимать колебания нагрузки с частотой от десятков Гц до десятков МГц. Эти датчики в меньшей степени пригодны для измерений стационарных (или медленно изменяющихся) параметров, так как в таких условиях (при постоянной нагрузке) начинает изменяться величина зарядов.

Пьезопреобразователи на реактивных самолетах позволяют снизить расход топлива почти на 30% (не тратится топливо на выработку электроэнергии), в результате прямого пьезоэффекта в электроэнергию преобразуются колебания и вибрация фюзеляжа и крыльев. Всем известна бытовая зажигалка для зажигания газа: от нажатия на клавишу усилие передается на пьезоэлементы, от чего происходит искрообразование между контактами, расположенными внутри пьезозажигалки.

Использование обратного пьезоэффекта (преобразование электрической энергии в механическую) позволяет осу-

Рис. 14.14. Кристаллическая ячейка BaTiO3:

а – выше точки Кюри; б – ниже точки Кюри

ществлять перемещения на весьма малые величины – доли микрометра и даже нанометра, что невозможно реализовать с помощью механических систем. Это достигается за счет высокой чувствительности пьезоэлементов. Зависимость перемещения от напряженности поля линейная: r = dE, где r – перемещение; E – напряженность ноля; d – пьезоэлектрический модуль. Для BaTiO3 d•1012 = 191 м/В, т.е. напряжение в 10 В вызывает деформацию, равную 191•10-11 м (~ 2 нм); можно подавать и меньшие напряжения, получая перемещения в долях нанометра. Это используют в сканирующем туннельном микроскопе для перемещения зонда.

Магнитострикционные сплавы. Магнитострикция это изменение размеров кристаллов (тел) под действием магнитного поля. Эффект наиболее заметно проявляется у магнитомягких материалов – ферромагнетиков и ферримагнетиков (ферритов) (см. 10.7.3).

При намагничивании размер домена / изменяется в направлении поля на величину Δl. Относительное изменение размера λ называется коэффициентом линейной магнитострикции, т.е. λ = Δl/l.

Коэффициент линейной магнитострикции может быть положительным или отрицательным, т.е. под действием магнитного поля возможно как увеличение, так и уменьшение размеров. Более того, в зависимости от напряженности магнитного поля и его направления один и тот же материал может иметь либо положительное, либо отрицательное значение коэффициента λ (рис. 14.15).

Эффект магнитострикции обратим: механическая деформация тела из магнитострикционного материала вызывает изменение его магнитных свойств.

В технике нашли применение магнитострикционные ферриты. Их основа – никелевые ферриты с малыми добавками оксидов кобальта (CoO) – до 1,25%, меди (CuO) – до 0,15%, ванадия (V2O5) – до 0,5%.

Прямой и обратный магнитострикционный эффекты лежат в основе большого количества магнитострикционных приборов: реле, преобразователей, манометров и др. Эти приборы обладают высокой чувствительностью.

Широкое применение нашли магнитострикционные вибраторы. При намагничивании в переменном магнитном поле размеры тела (детали) меняются с частотой, равной удвоенной частоте поля. Это позволяет получать мощные ультразвуковые колебания с частотой до нескольких мегагерц. Такие вибраторы применяют для ультразвуковой обработки (например, очистка), в эхолотах для измерения глубин водоемов и др.

Рис. 14.15. Влияние напряженности магнитного поля на магнитострикционный эффект железоникелевого сплава (36% Ni, 64% Fe):

1 – в продольном направлении; 2 – в поперечном направлении

Прямой магнитострикционный эффект, так же как пьезоэффект, может быть использован для осуществления малых перемещений, которые невозможно осуществить, используя чисто механические системы. Так, абсолютное удлинение образца длиной 10 мм из железоникелевого сплава (64% Fe, 36% Ni) при напряженности поля – 80 000 А/м (- 1000 Э) составит 10 6 м, т.е. 1 мкм, как это видно из рис. 14.15.

Обратный магнитострикционный эффект используют в тензометрии для определения упругих деформаций и напряжений по изменению магнитных свойств тензометрического датчика.

Тензометрия – это измерение деформаций элементов конструкций, расчет напряжений с помощью тензодатчиков. "Интеллект" материала тензодатчика проявляется в строгой зависимости между деформацией и электрическим сопротивлением материала.

Принцип действия металлических тензодатчиков основан на изменении электрического сопротивления материала проводника под действием деформации (тензоэффект). Принципиально датчик представляет собой тонкий металлический проводник (проволока диаметром 20...50 мкм, фольга), жестко закрепленный на исследуемой детали. При деформации детали деформируется и датчик, изменяются его длина и площадь сечения, что приводит к изменению электрического сопротивления датчика, фиксируя которое, определяют деформации, рассчитывают напряжения.

Сопротивление металлических проводников в пределах упругих деформаций пропорционально продольной деформации. Это означает, что зависимость между изменением электросопротивления δ(R) и удлинением датчика δ(l) линейная: 8(R) = Кт • δ(l), где Κτ – коэффициент тензочувствительности.

Наибольшее значение КТ = 4,1 (т.е. и наибольшая чувствительность) достигается для сплава "пермаллой – вольфрам", для большинства металлических сплавов его значения не превосходят 2...2,5.

Тензометрические измерения обеспечивают высокую чувствительность (возможно измерение малых деформаций) и точность, их используют для решения самых разных научных и производственных задач: как в строительных конструкциях, так и в прецизионном металлообрабатывающем оборудовании. Например, с помощью тензометрии решаются вопросы выбора оптимальных технологий (старение, термоудар и др., см. 7.3), обеспечивающих стабильность во времени размеров базовых деталей станков – станин; без постоянства их размеров невозможно обеспечить точность оборудования.

Термоэлектродные сплавы. "Интеллект" этих сплавов основывается на термоэлектрическом эффекте. Эффект проявляется в возникновении электродвижущей силы в замкнутом контуре из разнородных проводников (сплавов), если места контактов этих проводников (спаи) имеют разную температуру. Возникающую вследствие разницы температур спаев электродвижущую силу называют термоэдс (ТЭДС), ее величина практически прямо пропорциональна разности температур горячего и холодного спаев. Эффект используется для определения температуры. Датчик температуры – термопара – это два электрода (обычно в виде проволоки) из различных материалов. Сваренные (спаянные) концы электродов образуют так называемый горячий спай термопары. Два другие конца (холодный спай) присоединяются к электроизмерительному прибору, образуя замкнутую цепь. При помещении горячего спая термопары в среду или при соприкосновении с деталью, температуру которой следует измерить, в замкнутой цепи возникает термоэдс, величина которой измеряется электроизмерительным прибором. На рис. 14.16, а и 14.16, б представлены соответственно схема измерения и конструкция термопары. Термопары используют и для периодического измерения температуры в ручном режиме, и в системах автоматического регулирования температуры.

Рис. 14.16. Термопара: а – схема; б – конструкция:

1 – горячий спай; 2 – фарфоровый наконечник; 3 – электроды; 4 – изоляционные бусы; 5 – чехол; 6 – головка; 7 – пластмассовая панель; 8 – клеммы; 9 – крышка

Основные требования к сплавам для термопар: большое значение термоэдс в паре с другими металлами или сплавами; стабильность термоэлектрических свойств; устойчивость против окисления в интервале рабочих температур. Наиболее полно соответствуют этим требованиям никелевые и медно-никелевые сплавы: алюмель – НМцАК 2-2-1 (95% Ni, 2% Μn, 2% Al, 1% Si), хромель – HX9,5 (90% Ni, 10% Сг), копель – МНМц 43-0,5 (56,5% Cu, 43% Ni, 0,5% Μη).

Термопары на основе пар этих материалов используют для измерения температур: ХК (хромель – копель) – до 600 °С, ХА (хромель – алюмель) – до 1000 °С.

Для измерения более высоких температур (до 1600... ...1800 °С) применяют термопары ПП (платина – платинородий).