БЫСТРОЗАКАЛЕННЫЕ АМОРФНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ЛЕНТЫ С ЭФФЕКТОМ ОБРАТИМОЙ ПАМЯТИ ФОРМЫ ИЗ СПЛАВА Ti50Ni25Cu25 ДЛЯ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Методом спиннингования расплава на закалочном диске получены тонкие ленты из сплава Ti50Ni25Cu25 (ат. %) в аморфно-кристаллическом состоянии (толщиной 30÷50 мкм и шириной от 1 до 2 мм). Исследование полученных образцов сканирующей электронной микроскопией и рентгеноструктурным фазовым анализом показало, что при скорости охлаждения расплава 105÷106 К/с лента представляет собой слоистый аморфно-кристаллический композит, который проявляет эффект обратимой памяти формы (ЭОПФ) с деформацией изгибом без какой-либо дополнительной термомеханической обработки. Установлено, что формоизменение быстрозакалённого аморфно-кристаллического композита происходит за счет реализации эффекта памяти формы вследствие протекания мартенситных превращений  в кристаллическом слое. Предложена качественная структурная модель композитного материала, состоящего из аморфного слоя и псевдопластически деформированного растяжением кристаллического слоя с эффектом памяти формы, которая корректно описывает механическое поведение композита при реализации ЭОПФ. Способность разработанного аморфно-кристаллического композита к обратимой изгибной деформации была использована для создания миниатюрных функциональных элементов с обратимой памятью формы на изгиб для микромеханических устройств различного назначения. В частности, на основе быстрозакалённого слоистого аморфно-кристаллического композита из сплава Ti50Ni25Cu25, обладающего обратимой памятью формы на изгиб, с толщинами кристаллического слоя 10 мкм и аморфного слоя 30 мкм, были разработаны и изготовлены микропинцеты с зазором, регулируемым в диапазоне от 10 до 500 мкм и более в зависимости от величины захватываемого объекта. Продемонстрирована возможность манипулирования микрообъектами с помощью изготовленного устройства. Разработанное устройство на основе микропинцета может быть использовано для захвата и перемещения микрообъектов различного происхождения размером от единиц до сотен мкм. Продемонстрирована перспективность разработанного аморфно-кристаллического композита с ЭОПФ для создания на его основе миниатюрных функциональных элементов с обратимой памятью формы на изгиб для микромеханических устройств в различных областях техники, таких как в мироэлектроника, робототехника или микробиология.

Об авторах

Николай Николаевич Ситников

Исследовательский центр имени М.В. Келдыша, Москва

Автор, ответственный за переписку.
Email: sitnikov_nikolay@mail.ru

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Россия

Ирина Александровна Хабибуллина

Исследовательский центр имени М.В. Келдыша, Москва

Email: irina-zaletova@mail.ru

инженер 3-й категории

Россия

Александр Васильевич Шеляков

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва

Email: alex-shel@mail.ru

кандидат физико-математических наук, доцент

Россия

Список литературы

  1. Jani M. A review of shape memory alloy research, applications and opportunities // Materials and Design. 2014. Vol. 56. P. 1078–1113.
  2. Razov A.I. Application of Titanium Nickelide–Based Alloys in Engineering // The Physics of Metals and Metallography. 2004. Vol. 97. № 1. P. 97–126.
  3. Chang W.-S., Araki, Y. Use of shape memory alloy in construction: a critical review // Proceedings of the ICE – Civil Engineering. 2016. Vol. 169. P. 87–95.
  4. Nespoli A., Besseghini S., Pittaccio S., Villa E., Viscuso S. The high potential of shape memory alloys in developing miniature mechanical devices: A review on shape memory alloy mini-actuators // Sensors Actuators A: Physical. 2010. Vol. 158. № 1. P. 149–160.
  5. Huang W.M., Tan J.P., Gao X.Y., Yeo J.H. Design, testing, and simulation of NiTi shape-memory alloy thin-film-based microgrippers // Journal of Microlithography, Microfabrication, Microsystems. 2003. Vol. 2. P. 185–190.
  6. Kumara S., Lakshmi M. Shape Memory Alloys and its Application in MEMS Devices // International Journal of Current Engineering and Technology. 2013. Vol. 3. № 2. P. 292–296.
  7. Irzhak A., Koledov V., Zakharov D., Lebedev G., Mashirov A., Afonina V., Akatyeva K., Kalashnikov V., Sitnikov N., Tabachkova N., Shelyakov A., Shavrov V. Development of laminated nanocomposites on the bases of magnetic and non-magnetic shape memory alloys: Towards new tools for nanotechnology // Journal of Alloys and Compounds. 2014. Vol. 586. № 1. P. 464–468.
  8. Luo J.K., Flewitt A.J., Spearing S.M., Fleck N.A., Milne W.I. Comparison of microtweezers based on three lateral thermal actuator configurations // Journal Micromechanics and Microengineering. 2005. Vol. 15. P. 1294–302.
  9. Kim B., Lee M.G., Lee Y.P., Kim Y., Lee G. An earthworm-like micro robot using shape memory alloy actuator // Sensor and Actuators A: Physical. 2006. Vol. 125. P. 429–437.
  10. Fu Y., Huang W., Du H. Characterization of TiNi shape-memory alloy thin films for MEMS applications // Surface Coatings and Technology. 2001. Vol. 145. P. 107–112.
  11. Chakraborty I., Tang W.C., Bame D.P., Tang T.K. MEMS micro-valve for space applications // Sensor and Actuators A: Physical. 2000. Vol. 83. P. 188–193.
  12. Афонина В.С., Захаров Д.И., Иржак А.В., Коледов В.В., Лега П.В., Маширов А.В., Пихтин Н.А., Ситников Н.Н., Тарасов И.С., Шавров В.Г., Шеляков А.В. Микромеханическое устройство, способ его изготовления и система манипулирования микро- и нанообъектами: патент РФ № 2458002, 2012.
  13. Дикан В.А., Маширов А.В., Захаров Д.И., Мазаев П.В., Жихарев А.М., Калашников В.С., Коледов В.В., Фон Гратовски С.В., Ситников Н.Н., Иржак А.В., Шеляков А.В., Шавров В.Г. Устройство манипулирования нанообъектами на основе двухслойного композита с эффектом памяти формы // Радиотехника и электроника. 2016. Т. 61. № 3. С. 293–302.
  14. Irzhak A.V., Tabachkova N.Yu., Dikan D.A., Sitnikov N.N., Shelyakov A.V., Koledov V.V., Lega P.V., Shavrov V.G., Mashirov A.V., Von Gratowski S.V., Zhikharev A.M., Pokrovsky V.Y., Zibtsev S.Y., Zakharov D.V., Mazaev P., Berezin M.Y., Kasyanov N., Martynov G., Orlov A. The shape memory effect in nanoscale composites based on Ti2NiCU alloy // IEEE 3M-NANO 2016: International Conference on Manipulation, Manufacturing and Measurement on the Nanoscale. China: Chongqing, 2017. P. 105–108.
  15. Pushin V.G., Kuranova N.N., Pushin A.V. Structure and mechanical properties of shape-memory alloys of the Ti-Ni-Cu system // Metal Science and Heat Treatment. 2016. Vol. 57. P. 739–745.
  16. Zhang H.J., Qiu C.J. Characterization and MEMS application of low temperature TiNi(Cu) shape memory thin films // Materials Science and Engineering A. 2006. Vol. 438–440. P. 1106–1109.
  17. Люборский Ф.Е. Аморфные металлические сплавы. М.: Металлургия, 1987. 375 c.
  18. Sitnikov N., Shelyakov A., Rizakhanov R., Mitina N., Khabibullina I. The effect of copper on structure of TiNiCu melt-spun ribbons // Materials Today: Proceedings. 2017. Vol. 4. P. 4680–4684.
  19. Глезер А.М., Шурыгина Н.А. Аморфно- нанокристаллические сплавы. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013. 452 c.
  20. Shelyakov A.V., Sitnikov N.N., Menushenkov A.P., Rizakhanov R.N., Ashmarin A.A. Forming the two-way shape memory effect in TiNiCu alloy via melt spinning // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2015. Vol. 79. № 9. P. 1134–1140.
  21. Shelyakov A.V., Sitnikov N.N., Menushenkov A.P., Korneev A.A., Rizakhanov R.N., Sokolova N.A. Fabrication and characterization of amorphous-crystalline TiNiCu melt-spun ribbons // Journal of Alloys and Compounds. 2013. Vol. 577. № 1. P. 251–254.
  22. Ситников Н.Н., Шеляков А.В., Хабибуллина И.А., Сундеев Р.В. Особенности проявления эффекта памяти формы в сплаве Ti50Ni25Cu25, полученном методом быстрой закалки из расплава // Деформация и разрушение материалов. 2017. № 4. С. 15 21.
  23. Ситников Н.Н., Шеляков А.В., Соколова Н.А., Хабибуллина И.А., Ризаханов Р.Н., Сундеев Р.В. Быстрозакаленные аморфно-кристаллические сплавы TiNiCu // Сплавы с эффектом памяти формы: тезисы докладов Второй международной научной конференции к 85-летию со дня рождения В.А. Лихачева. СПб.: ВВМ, 2016. C. 31–32.
  24. Shelyakov A., Rozhkov D., Sitnikov N., Menushenkov A., Timofeev A., Berezin M. Micromechanical device based on amorphous-crystalline TiNiCu alloy // Materials Today: Proceedings. 2017. Vol. 4. P. 4870–4874.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© ,



Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах