Инженеры разрабатывают новую форму

Oct 06, 2023

Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс

Открытие новой категории материалов с памятью формы — керамики, а не металла — может открыть новый спектр применений, особенно для высокотемпературных условий, таких как приводы внутри реактивного двигателя.

Материалы с памятью формы имеют две различные формы и могут переключаться между ними. Они могут быть легко вызваны температурой, механическим напряжением или электрическими или магнитными полями, изменяя форму таким образом, что возникает воздействие силы.

«Это интересные материалы, потому что они чем-то похожи на твердотельный поршень», — сказал профессор Кристофер Шу, профессор кафедры материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института. Другими словами, это устройство, которое может на что-то давить.

Однако, хотя поршень представляет собой сборку из множества частей, материал с памятью формы — это твердотельный материал, который делает все это. Ему не нужна система. Ему не нужно много деталей. Это просто материал. ", и он самопроизвольно меняет свою форму. Он может выполнять работу. Поэтому он интересен как "умный материал"", - добавил он.

Металлы с памятью формы уже давно используются в качестве простых приводов в различных устройствах, но их возможности ограничены достижимыми температурами эксплуатации используемых металлов — обычно максимум несколько сотен градусов Цельсия.

Керамика может выдерживать гораздо более высокие температуры, иногда до тысяч градусов, чем металлы с памятью формы, но она хрупкая. Команда Массачусетского технологического института нашла способ производить керамический материал, который может срабатывать без накопления повреждений, что позволяет ему надежно функционировать как материал с памятью формы в течение многих циклов использования.

«Материалы с памятью формы, которые существуют в мире, все металлические», — сказал Шу. «Когда вы меняете форму материала на атомном уровне, можно причинить массу повреждений. Атомам приходится перетасовывать и менять свою структуру. неправильные места и создают дефекты и повреждают материал, что приводит к их усталости и со временем распаду.

«В конечном итоге вы получаете материалы, которые могут деформироваться несколько раз, но затем, в конце концов, они деградируют и могут развалиться. А поскольку металлы настолько пластичны, они немного более устойчивы к повреждениям, и поэтому эта область действительно сосредоточена на металлах. потому что, когда металл поврежден изнутри, он это переносит», — добавил Шух.

Команда стремилась разработать новую керамику и специально устранить гистерезис. «Мы хотели создать керамику, в которой трансформация [формы] по-прежнему будет гигантской: мы хотим проделать много работы. Но внутри, на атомном уровне, это более мягко», — сказал он.

Шу объяснил, что команда «взяла все современные научные инструменты, все, что вы можете назвать — вычислительную термодинамику, физику фазовых превращений, кристаллографические расчеты, машинное обучение — и собрала все эти инструменты совершенно новым способом», чтобы решить эту проблему. .

Результатом стал новый вариант циркония, но в его структуру были введены атомы разных элементов, что изменило некоторые его свойства. Элементы «растворяются в решетке, лепят ее и меняют эту трансформацию, делают ее более мягкой на атомном уровне».

По словам Шу, гистерезис изменился настолько резко, что теперь напоминает гистерезис металлов. А деформация, которую может достичь материал, составляет около 10 процентов.

Команда отметила, что приводы, направляющие поток воздуха внутри реактивного двигателя, могут оказаться полезным применением. Несмотря на то, что окружающая среда в целом горячая, существуют различные каналы управления воздушным потоком, поэтому эти потоки можно использовать для запуска керамики с памятью формы.

Команда планирует продолжить исследование материала, найти способы производить его большими партиями и более сложными формами, а также проверить его способность выдерживать большее количество циклов трансформации.

Для получения дополнительной информации свяжитесь с Эбби Абазориусом по адресу: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра у вас должен быть включен JavaScript.; 617-253-2709.