способ создания силы и движения путем управления ориентацией двойниковых зон материала и его применение

Формула изобретения

1. Способ создания изменений формы материала, движения и/или силы путем воздействия на материал магнитным полем соответствующего направления и величины, отличающийся тем, что в качестве указанного материала выбран материал с двойниковой структурой, а направление и величина магнитного поля выбраны достаточными для переориентации двойниковых зон материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на материал воздействуют магнитным полем в направлении оси легкого намагничивания желаемой двойниковой ориентации.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на материал воздействуют магнитным полем в направлении, обеспечивающем желаемое изменение формы или движение материала в результате переориентации двоиниковых зон.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для осуществления растяжения/сжатия материала на него воздействуют магнитным полем в направлении, отличном от направления оси легкого намагничивания двойниковых зон.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что для осуществления изгибания или скручивания материала на него воздействуют магнитным полем в направлении, отличном от направления оси легкого намагничивания двойниковых зон.

6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что на материал воздействуют магнитным полем с изменяемым направлением и/или с изменением величины поля как функции времени.

7. Способ по любому из пп. 1 - 6, отличающийся тем, что энергия магнитокристаллической анизотропии материала выше, чем сумма энергий переориентации двойниковых зон, необходимых для осуществления желаемого изменения формы, и работы, выполняемой материалом, или сравнима с этой суммой.

8. Способ по любому из пп. 1 - 7, отличающийся тем, что на материал воздействуют магнитным полем, энергия которого выше, чем сумма энергий переориентации двойниковых зон, необходимых для осуществления желаемого изменения формы, и работы, выполняемой материалом, или сравнима с этой суммой.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что его осуществляют при наличии в указанном материале внутренних напряжений или при воздействии на него внешней силы.

10. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что материал является ферромагнетиком.

11. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что указанный материал является мартенситом, содержащим двойниковые зоны, в количестве и с ориентацией, обеспечивающими изменение его формы под воздействием магнитного поля.

12. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что указанный материал является исполнительным материалом исполнительного механизма, обеспечивающим создание движения и/или силы.

13. Способ создания движения и/или силы путем подачи на исполнительный механизм управляющего воздействия и обеспечения дистанционного питания этого механизма за счет приложения к исполнительному материалу указанного механизма магнитного поля соответствующего направления и величины, отличающийся тем, что в качестве исполнительного материала выбран материал с двойниковой структурой, а направление и величина магнитного поля выбраны достаточными для переориентации двойниковых зон материала.

14. Способ создания движения по п.13, отличающийся тем, что исполнительному материалу придана форма тонкой фольги, проволок или частиц с двойниковой структурой, пригодных для использования в микро- и нанотехнологии.

15. Исполнительный механизм, содержащий исполнительный ферромагнитный материал, способный изменять свою форму под воздействием приложенного к нему магнитного поля, и источник магнитного поля, отличающийся тем, что в качестве исполнительного материала выбран материал, обладающий двойниковой структурой, а направление и величина магнитного поля, создаваемого указанным источником, выбраны достаточными для переориентации двойниковых зон материала.

16. Исполнительный механизм по п.15, отличающийся тем, что направление оси легкого намагничивания исполнительного материала выбрано параллельным направлению магнитного поля.

17. Исполнительный механизм по п.15, отличающийся тем, что для осуществления растяжения/сжатия исполнительного материала направление оси легкого намагничивания его двойниковых зон выбрано отличным от направления магнитного поля.

18. Исполнительный механизм по п.15, отличающийся тем, что для осуществления изгибания или скручивания исполнительного материала направление оси легкого намагничивания его двойниковых зон выбрано отличным от направления магнитного поля.

19. Исполнительный механизм по любому из пп.15 - 18, отличающийся тем, что источник магнитного поля выполнен с возможностью изменения направления и/или величины поля как функции времени.

20. Исполнительный механизм по любому из пп.15 - 19, отличающийся тем, что исполнительный материал имеет энергию магнитокристаллической анизотропии большую, чем сумма энергии переориентации двойниковых зон, необходимых для осуществления желаемого изменения формы, и работы, выполняемой этим материалом, или сравнимую с этой суммой.

21. Исполнительный, механизм по п.15, отличающийся тем, что источник выполнен с возможностью формирования магнитного поля, энергия которого выше, чем сумма энергий переориентации двойниковых зон, необходимых для осуществления желаемого изменения формы, и работы, выполняемой исполнительным материалом, или сравнима с этой суммой.

22. Исполнительный механизм по любому из пп.15 - 21, отличающийся тем, что исполнительному материалу придана форма тонкой фольги, проволок или частиц с двойниковой структурой, пригодных для использования в микро- и нанотехнологии.

23. Исполнительный механизм по любому из пп.15 - 21, отличающийся тем, что исполнительный материал является мартенситом, содержащим двойниковые зоны, в количестве и с ориентацией, обеспечивающими изменение его формы под воздействием магнитного поля.

24. Способ перемещения материала, особенно текучего, в насосах, инжекторах или подобных устройствах посредством воздействия на материал исполнительным механизмом, отличающийся тем, что исполнительный механизм содержит исполнительный материал, обладающий двойниковой структурой, и источник магнитного поля, направление и величина которого выбраны достаточными для переориентации двойниковых зон исполнительного материала.

25. Способ перемещения материала по п.24, отличающийся тем, что воздействие на перемещаемый материал осуществляют путем растяжения/сжатия исполнительного материала исполнительного механизма в результате переориентации двойниковых зон исполнительного материала под воздействием магнитного поля.

26. Способ перемещения материала по п.24, отличающийся тем, что на исполнительный материал воздействует магнитным полем в направлении, обеспечивающем желаемое изменение формы или движение исполнительного материала в результате переориентации двойниковых зон.

27. Способ перемещения материала по любому из пп.24 - 26, отличающийся тем, что на исполнительный материал воздействуют магнитным полем с изменяемым направлением и/или с изменением величины поля как функции времени.

28. Способ перемещения материала по любому из пп.24 - 27, отличающийся тем, что энергия магнитокристаллической анизотропии исполнительного материала выше, чем сумма энергий переориентации двойниковых зон, необходимых для осуществления желаемого изменения формы, и работы, выполняемой исполнительным материалом, или сравнима с этой суммой.

29. Способ перемещения материала по п.24, отличающийся тем, что на исполнительный материал воздействуют магнитным полем, энергия которого выше, чем сумма энергий переориентации двойниковых зон, необходимых для осуществления желаемого изменения формы, и работы, выполняемой исполнительным материалом, или сравнима с этой суммой.

30. Способ перемещения материала по любому из пп.24 - 29, отличающийся тем, что указанный исполнительный материал является мартенситом, содержащим двойниковые зоны, в количестве и с ориентацией, обеспечивающими изменение его формы под воздействием магнитного поля.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу управления ориентацией двойниковых зон в материале, обладающем двойниковой структурой, при помощи магнитного поля с целью изменения формы и создания силы и движения посредством механизмов, основанных на этом способе.

Предшествующий уровень техники

Управление движением и силой являются одними из основных элементов разработки механических устройств. Развитие новых материалов сделало возможным осуществлять движение и создавать силы при помощи специальных функциональных материалов, называемых "исполнительными" материалами. Среди доступных "исполнительных" материалов наиболее важные группы составляют пьезоэлектрические керамики, магнитострикционные интерметаллиды и сплавы, обладающие эффектом памяти формы. В пьезоэлектрических керамиках под воздействием электрического поля развиваются деформации. Эти материалы обладают хорошими частотными характеристиками, но амплитуды деформаций в них очень малы, что ограничивает область их применения. Магнитострикционные материалы деформируются при воздействии на них магнитного поля. Определенные интерметаллиды со значительным магнитострикционным эффектом (например, Terfenol - D фирмы Etrema Products, Inc., Ames, США) обеспечивают деформации до 0,17%, что на порядок выше, чем у доступных в настоящее время пьезоэлектриков. Однако частотные характеристики у магнитострикционных интерметаллидов хуже, чем у пьезоэлектриков.

Материалы, обладающие эффектом памяти формы, будучи подвергнуты пластической деформации при одной температуре, могут восстанавливать первоначальное недеформированное состояние при повышении температуры выше температуры фазовых превращений, специфичной для каждого сплава. В этих материалах кристаллическая структура претерпевает фазовый переход к и от мартенситной фазы под воздействием механических нагрузок или температуры. Процесс, во время которого механически деформированные материалы, обладающие памятью формы, восстанавливают свою первоначальную форму после нагревания, называется необратимым эффектом памяти формы. Последующее охлаждение не восстанавливает измененную форму. Необратимый эффект памяти формы применяется в креплениях, стягивающих устройствах и в устройствах с преднапряжением. Деформация в несколько процентов может восстанавливаться полностью, и были достигнуты напряжения восстановления более 900 МПа. В случае обратимого эффекта памяти формы не требуется никакой деформации, а материал "запоминает" две конфигурации, которые получают при нагревании и охлаждении до определенных температур, специфичных для данного сплава. Разница температур между двумя конфигурациями может соответствовать всего 1 - 2 К. Материалы, обладающие обратимой памятью формы, применяются для формирования усилий и смещений в различных исполнительных механизмах, которые находят применение в машиностроении, робототехнике и биомедицинской технике. Наиболее часто применяемые материалы с эффектом памяти формы - это сплавы на основе Ni, Ti, Cu. Недостатками механизмов на основе материалов с эффектом памяти формы являются их низкое быстродействие, поскольку они управляются изменением температуры (что особенно критично при охлаждении), а также низкая эффективность (преобразования энергии), которая во многих сплавах составляет около 1%.

Для того чтобы проявился эффект памяти формы, материал должен обладать двойниковой субструктурой. Изменение формы материала, обладающего эффектом памяти формы, основано на переориентации двойниковых зон во внешнем поле напряжения. Двумерная иллюстрация двойниковой переориентации изображена на фиг. 1. Фиг. 1а представляет два варианта двойниковой конфигурации, обозначенных, как варианты 1 и 2, занимающие при отсутствии внешнего напряжения равные зоны. При приложении напряжения (см. фиг. 1б) границы (или плоскости) двойникования смещаются, и зона варианта 2 растет за счет варианта 1, образуя структуру, которая лучше согласуется с приложенным напряжением. Результатом движения границ двойникования является таким образом превращение одного варианта двойникования в другой. Варианты, наиболее благоприятно ориентированные относительно приложенного напряжения, расширяются. Как показано на фиг. 1в, в конечном итоге, если деформация достаточно велика, может остаться единственный вариант мартенсита. В мартенситной фазе двойниковые варианты обычно ориентированы в нескольких кристаллографических направлениях. Следовательно, посредством переориентации двойниковых зон могут быть осуществлены сложные изменения формы материала, и при этом обеспечивается полное восстановление формы. Кристаллографический анализ показал, что границы между мартенситными пластинками также могут вести себя как границы двойникования, т. е. отдельные пластинки мартенсита сами по себе есть двойники по отношению к примыкающим пластинкам. Поэтому термин "границы двойникования" в общем случае относится к границам между пластинками мартенсита так же, как и к границам в пределах пластинок (это определение касается и границ двойникования, управляемых намагничиванием, о которых будет сказано далее). В некоторых материалах приложенное напряжение вызывает образование мартенситной фазы, двойниковые субзоны которой предпочтительно ориентированы в соответствии с приложенным напряжением.

В соответствующих материалах переориентация двойниковых зон ответственна за напряжения восстановления в несколько процентов (например, около 10% в Ni-Ti сплавах с эффектом памяти формы). В некоторых сплавах напряжение, требуемое для переориентации двойниковых зон, очень мало. На фиг. 2 показаны кривые напряжение - деформация для некоторых материалов с эффектом памяти формы. Видно, что в большинстве этих сплавов 4% деформации достигаются напряжениями от 20 до 50 МПа. Напряжения от 1 до 30 МПа вызывают деформации в один процент. Плотность энергии напряжения, необходимая для образования деформации в 1% путем переориентации двойниковых вариантов, представлена на фиг. 2 областями, ограниченными кривыми напряжение - деформация, осью деформации и вертикальной пунктирной линией. Плотности энергии напряжения для In-Ti, Ni-Mn-Ga сплавов (ферромагнитный Ni₂MnGa), CuZn-Sn и Cu-Zn составляют 10⁴, 8,5 10⁴ 1,1 10⁵ и 2,3 10⁵ Дж/м³ соответственно.

В дальнейшем будет использоваться понятие энергии магнитной (магнитокристаллической) анизотропии, которая играет важную роль в настоящем изобретении. В ферромагнитных кристаллах энергия магнитокристаллической анизотропии является энергией, которая направляет намагничивание вдоль определенных кристаллографических осей, называемых осями легкого намагничивания. На фиг. 3 показаны кривые намагничивания монокристаллического кобальта с гексагональной кристаллической структурой.

Его ось легкого намагничивания параллельна оси элементарной ячейки. Насыщение достигается при низких значениях магнитного поля в этом направлении, как показано на фиг. 3. Достичь насыщение образца в базисной плоскости значительно труднее. Для насыщения необходимо магнитное поле величиной более 8000 Э. Направление базовой плоскости называется жестким направлением намагниченности. Плотность энергии магнитной анизотропии, соответствующая процессу намагничивания в различных направлениях, представляет собой область между кривыми намагниченности для этих направлений. В кобальте плотность энергии, необходимая для насыщения образца в направлении жесткой намагниченности, составляет около 510⁵ Дж/м³ (площадь между кривыми насыщения на фиг. 3). Плотности энергии анизотропии магнитожестких сплавов на основе Fe и Co находятся в диапазоне от 10⁵ до 10⁷ Дж/м³. Самая высокая плотность энергии анизотропии (значения К1), близкая к 10⁸ Дж/м³, была отмечена в металлах группы 4f при низких температурах. В интерметаллических соединениях, таких как Co₅Nd, Fe₁₄Nd₂B и Sm₂Co₁₇, плотности энергии анизотропии при комнатной температуре составляют 1,510⁷, 510⁷, 3,210⁶ Дж/м³ соответственно.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение касается принципа создания исполнительных механизмов для обеспечения движения и силы, управляемых при помощи намагничивания. Действие таких механизмов основано на переориентации двойниковых зон исполнительного материала механизма, которая управляется при помощи магнитного поля. Подобные материалы могут вызывать деформации величиной в несколько процентов (такой же величины, как та, что вызывается в материалах с эффектом памяти формы). Благодаря управлению от соответствующего источника магнитного поля их быстродействие, точность управления и эффективность гораздо выше, чем у материалов с эффектом памяти формы. Новые механизмы, управляемые при помощи намагничивания, обладают большим потенциалом для использования в области машиностроения. Они заменят гидравлические, пневматические и электромагнитные приводы во многих областях применения. Использование этих материалов приведет к более легким, простым и более надежным конструкциям, чем при применении обычных технологий. Поскольку двойниковая переориентация происходит в трех измерениях, магнитное управление может обеспечить сложные изменения формы. Область применения этого изобретения расширяется благодаря тому, что предоставляется возможность дистанционного управления подобными механизмами и подачи на питания на их исполнительные материалы. Машина, обеспечивающая управляемое движение или желаемые изменения формы (например, изгиб, скручивание, зажим, закрепление, перекачивание текучих сред, например жидкостей), может представлять собой маленький, соответственно измененный по форме и предварительно ориентированный кусочек материала. Ожидается, что благодаря малым размерам двойников во многих материалах настоящее изобретение обладает также большим потенциалом использования в микро- и нанотехнологии.

Перечень фигур чертежей

На фиг. 1а - 1в схематично (в двух измерениях) представлены изменения в мартенситном материале, которые описаны выше, а именно поворот двойниковых зон под действием напряжения;

на фиг. 2 показаны кривые напряжение - деформация (растяжение) для монокристаллических сплавов In-Ti, Cu-Zn-Sn и Ni-Mn-Ga сплава Гайслера (Ni₂MnGa) и для поликристаллического сплава Cu-Zn с эффектом памяти формы во время переориентации двойниковых зон;

на фиг. 3 представлены кривые намагничивания монокристаллического кобальта:

фиг. 4 иллюстрирует принцип настоящего изобретения, т.е. поворот двойников под действием внешнего магнитного поля, а именно:

на фиг. 4а представлена исходная ситуация в отсутствие внешнего магнитного поля;

на фиг. 4б показан разворот двойника под воздействием магнитного поля H;

Фиг. 5а - 5в иллюстрируют принцип изменения формы двойникового материала под воздействием магнитного поля, которое вызывает изменение формы материала, а также инициирует движение и создание силы в исполнительном механизме, а именно:

на фиг. 5а представлена исходная ситуация в отсутствие магнитного поля;

на фиг. 5б показан момент воздействия внешнего магнитного поля H₁ на материал;

на фиг. 5в показана конечная ситуация после полной переориентации двойниковых зон под воздействием магнитного поля;

на фиг. 6 показана экспериментальная установка для изучения переориентации двойниковых зон под воздействием магнитного поля.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Настоящее изобретение предусматривает новый способ осуществления изменений формы, движения и/или создания силы в материалах, основанный на переориентации двойниковых зон под воздействием внешнего магнитного поля.

Изобретение будет далее описано подробно, с объяснением его существенных особенностей, а также со ссылками на фиг. 2-6, способствующие более легкому пониманию сущности изобретения.

На фиг. 4 представлена двумерная иллюстрация принципа переориентации двойниковых зон под воздействием внешнего магнитного поля. В кристаллических ферромагнитных материалах в отсутствие внешнего магнитного поля вектор намагничивания лежит вдоль оси легкого намагничивания. Ситуация, показанная на фиг. 4а, соответствует наличию двух двойниковых вариантов. Ось легкого намагничивания параллельна стороне элементарных ячеек каждого варианта. Следует подчеркнуть, что ось легкого намагничивания не обязательно параллельна плоскости двойникования; она может соответствовать какому-либо другому кристаллографическому направлению, характерному для данного материала.

Если внешнее магнитное поле воздействует на кристаллический ферромагнитный материал, то векторы намагничивания стремятся развернуться от оси легкого намагничивания элементарной ячейки к направлению внешнего магнитного поля. Если энергия магнитокристаллической анизотропии, обозначенная в настоящем документе, как U_k, высока, то величина магнитного поля, необходимая для такого разворота, тоже должна быть высокой. Это показано на фиг. 3 для гексагонального кобальта. Если энергия переориентации двойниковых зон (то есть энергия движения границ двойникования) невелика по сравнению с энергией U_k магнитокристаллической анизотропии, то двойниковые зоны переориентируются под действием внешнего магнитного поля, а намагничивание остается в первоначальном направлении легкого намагничивания ориентированных элементарных ячеек. На фиг. 4б показано, как элементарные ячейки одного двойникового варианта под воздействием внешнего магнитного поля превращаются в другой вариант. В результате двойники, имеющие благоприятную ориентацию относительно магнитного поля, растут за счет других двойников, как это показано на фиг. 5.

На фиг. 5 представлена первоначальная ситуация при отсутствии внешнего магнитного поля, когда варианты двойниковых зон присутствуют в равной пропорции. Намагничивание направлено параллельно плоскости двойникования. На фиг. показана только часть векторов намагничивания. Применительно к этой фигуре предполагается, что двойники должны состоять только из одиночных ферромагнитных доменов (последние исследования показали, что двойники в некоторых ферромагнитных мартенситах, например Fe-Pt, могут состоять из двух магнитных доменов, граница которых пересекает двойник).

На фиг. 5б показано, как элементарные ячейки, ось легкого намагничивания которых отличается от направления внешнего магнитного поля, поворачиваются таким образом, чтобы эта ось совпадала с направлением поля. Это приводит к росту двойниковых зон с предпочтительной ориентацией относительно внешнего поля и к уменьшению другого варианта двойниковых зон. В конечном итоге может остаться только один двойниковый вариант, что показано на фиг. 5в.

Переориентация двойниковых зон, описанная выше, влияет на изменение формы материала, который таким образом может обеспечить движение и создание силы в исполнительных механизмах с магнитным управлением, в которых используются исполнительные материалы с двойниковыми зонами. Поскольку переориентация происходит в трех измерениях, оказывается возможным также производить сложные изменения формы. Исходные размеры исполнительного материала таких механизмов могут восстанавливаться при снятии поля или при изменении его направления. Влияние внешнего магнитного поля на ориентацию элементарной ячейки мартенсита может вызвать направленное движение межфазных границ раздела мартенсит - мартенсит и аустенит - мартенсит, которое также можно использовать в исполнительных механизмах. В этом случае предпочтительно ориентированный двойниковый мартенсит растет за счет исходной фазы. Этот рост также может быть обратимым.

Предполагается, что управление переориентацией двойниковых зон при помощи магнитного поля должно обеспечивать в соответствующем материале обратимые деформации в несколько процентов (аналогичные деформациям восстановления, вызванным напряжением, в сплавах с эффектом памяти формы). Для того чтобы вызвать деформации, возбуждаемые намагничиванием, необходимо, чтобы энергия U_k магнитокристаллической анизотропии материала была больше или сравнима с энергией, необходимой для переориентации двойниковых зон для достижения этой деформации. Энергия, определенная как энергия переориентации двойниковых зон и обозначенная как E_tw, включает в себя также и члены, связанные с изменением формы материала, т.е. энергию деформации и диссипации. Применительно к исполнительным механизмам U_k должна быть больше суммы E_tw и работы, совершаемой механизмом. Слагаемое, соответствующее работе, может быть положительным или отрицательным. Если работа отрицательна, то внешнее напряжение может способствовать переориентации двойниковых зон и уменьшать требуемую энергию магнитного поля. Чтобы исполнительный механизм мог работать, необходимо, чтобы энергия управляющего магнитного поля была больше, чем сумма _tw1 и работы, совершаемой механизмом. Чем выше значение U_k, тем большая энергия магнитного поля может быть преобразована в механическую работу исполнительного механизма и, таким образом, тем больше сила, которая может быть создана.

Далее будет проведено сравнение энергий анизотропии с энергиями переориентации E_tw в различных материалах. Как было показано на фиг. 2, плотности энергии E_tw для создания деформации в 1 % в некоторых мартенситных сплавах с эффектом памяти формы находятся в диапазоне от 10⁴ до 2,3 10⁵ Дж/м³. С другой стороны, существует множество материалов, в которых плотность энергии магнитной анизотропии составляет от 10⁵ до 10⁸ Дж/м³. Некоторые примеры таких материалов приведены выше (сплавы на основе Co, Fe и редкоземельных металлов). Плотности энергий анизотропии некоторых материалов даже на четыре порядка выше по величине, чем плотности энергий E_tw переориентации двойниковых зон, например в In-TI. Эта большая разница в энергиях U_k и E_tw1 демонстрирует широкие возможности для поиска оптимальных материалов, сочетающих высокую энергию анизотропии и низкую _tw.

В некоторых ферромагнитных мартенситах границы двойникования очень подвижны под воздействием приложенного напряжения. На фиг. 2 применительно к ферромагнитному мартенситному сплаву Ni₂MnGa (монокристалл) было показано, что воздействие невысокого напряжения, от 10 до 20 МПа, в направлении [100] вызывает переориентацию двойниковых зон и приводит к обратимым деформациям величиной в 4%. Для того чтобы получить в этих сплавах деформацию величиной в 1% за счет переориентации двойниковых зон под воздействием магнитного поля, энергия анизотропии должна быть больше, чем энергия переориентации двойниковых зон E_tw, составляющая в соответствии с фиг. 2, 8,5 10⁴ Дж/м³. Это значение достаточно низкое и, следовательно, предполагается, что деформация, вызванная намагничиванием, в этом материале возможна. Во многих ферромагнитных сплавах с эффектом памяти формы, доступных в настоящее время, и в других сплавах на основе железа, которые проявляют двойниковую структуру, напряжения для раздвойникования существенно выше, превышая даже 100 МПа. Однако их энергии магнитокристаллической анизотропии часто достаточно высоки для осуществления деформаций, основанных на переориентации двойниковых зон под действием магнитного поля, что было экспериментально продемонстрировано в некоторых сплавах. Например, в материалах, в которых для переориентации двойниковых зон, вызывающей деформацию в 1%, было бы необходимо напряжение в 100 МПа, E_tw в соответствии с расчетами должна быть 510⁵ Дж/м³ (предполагая линейную связь между напряжением и деформацией). Для того чтобы вызвать такую же деформацию путем переориентации двойниковых зон, вызванной магнитным полем, энергия анизотропии должна быть больше или равной 5 10⁵ Дж/м³. Это значение энергии анизотропии такое же, что и у кобальта, и оно может быть обеспечено во многих сплавах на основе Fe и Co.

В качестве третьего примера предположим, что очень высокое напряжение в 500 МПа было бы необходимым для создания в некоторых материалах деформации в 1 % путем переориентации двойниковых зон. Для получения деформации такой же величины под воздействием магнитного поля необходима плотность энергии анизотропии 2,5 10⁶ Дж/м³. Это значение энергии анизотропии также может быть достигнуто в соответствующих сплавах, поскольку самые высокие значения энергии анизотропии при комнатной температуре примерно в 20 раз больше указанного уровня. Следует подчеркнуть, что в настоящем описании для определения магнитокристаллической энергии анизотропии применяются только оценки, полученные для некоторых классов материалов, потому что значения энергии анизотропии для двойниковых материалов с низким E_tw не могут измеряться при помощи измерений насыщения намагничивания (см. фиг. 3). Причиной является то, что направление намагничивания в этом случае не разворачивается в приложенном поле по оси жесткого намагничивания элементарной ячейки, но насыщение достигается при более низких уровнях магнитного поля за счет перестройки двойниковых зон (вместе с векторами намагничивания). Измерения намагниченности должны быть проведены на образцах с одним вариантом двойника, которые во многих случаях невозможно получить.

Настоящее изобретение нацелено на нахождение новых ферромагнитных материалов, которые обнаруживают высокую энергию анизотропии и низкую E_tw.

Лучшие материалы могут обладать высокими энергиями анизотропии, свойственными редкоземельным металлам, и в то же время подвижными границами двойникования подходящей двойниковой фазы. Кроме того, перспективными представляются материалы с эффектом памяти формы на основе Co и Fe, с плотноупакованной гексагональной или кубической мартенситной решеткой, разработки которых уже ведутся. Очень важной может быть роль атомов внедрения, особенно азота, потому что они часто увеличивают энергию анизотропии и усиливают сплав механически, что предотвращает предпочтительное скольжение, делая двойникование основным механизмом деформации. Еще одной интересной группой материалов для механизмов, управляемых намагничиванием, являются сплавы Гайслера (например, типа Ni₂MnGa), ферромагнитные свойства которых определяются присутствием Mn.

Во многих материалах скорость перемещения границ двойникования очень велика, вплоть до долей скорости звука. Это значит, что перемещения, индуцируемые магнитным полем в соответствующих материалах, происходят очень быстро, и механизмы на основе этих материалов могут работать на высоких частотах.

Примеры

Переориентация двойниковых зон, вызванная магнитным полем, была экспериментально изучена в сплавах на основе Fe-Ni-Co-Ti, Fe-Ni-C и Fe-Mn-N. Эти материалы являются ферромагнитными и демонстрируют двойниковую микроструктуру. Измеренные энергии анизотропии составляли около 5 10⁵ Дж/м³ для сплавов Fe-Ni-Co-Ti и 210⁵ Дж/м³ для сплавов Fe-Ni-C. Предполагается, что эти значения должны быть достаточно высоки для того, чтобы осуществлять деформации, индуцированные магнитным полем, основанные на переориентации двойниковых зон. Далее будут описаны экспериментальная установка, которая применялась в данном исследовании, и примеры выполненных измерений.

Экспериментальная установка

Принципиальная схема установки для изучения влияния напряжений и магнитного поля на двойниковые зоны показана на фиг. 6. Эта установка позволяет создавать осевые нагрузки и нагрузки при кручении и измерять соответствующие деформации образцов. Образец 6 закреплялся в двух коаксиальных трубках-держателях 1 и 2. Трубка 1 была жестко укреплена, а трубка 2 использовалась для деформирования образца. Камера для образцов была окружена обмоткой 7 для формирования магнитного поля, воздействующего на образец. В переменном магнитном поле частотные характеристики деформаций, возникающих под воздействием магнитного поля, были измерены в области низких частот. На более высоких частотах частотные характеристики измерялись при помощи тензодатчика, прикрепленного к образцу. При этих измерениях измерительная трубка 2 была удалена. Такая же процедура применялась при измерении изогнутых образцов. Изменения деформаций под воздействием магнитного поля были измерены при статическом и переменном магнитных полях.

С применением описанного держателя образцов были проведены также измерения электрического сопротивления и магнитной восприимчивости, как это показано на фиг. 6. Так, для измерения сопротивления использовались четырехточечные контакты 3, а для измерения восприимчивости - катушки 5. Камера для образцов погружалась в жидкий азот или гелий, и температура могла регулироваться при помощи нагревателя 4 в диапазоне от 4 до 600 К.

Диссипация, приписываемая движению границ двойникования и мартенситных межфазных границ, также исследовалась на этой установке. Количество мартенсита определялось путем измерений электрического сопротивления и магнитной восприимчивости. Для определения относительного содержания мартенситной фазы применялась также мессбауэровская спектроскопия. Мессбауэровская спектроскопия оказалась более эффективной для настоящих исследований по сравнению с рентгеновской спектроскопией, поскольку ее результаты нечувствительны к текстуре образца.

Пример 1

Образец подвергался воздействию переменной деформации кручения, и измерялась его способность к демпфированию колебаний. Эти эксперименты показали, что границы двойникования (так же, как и межфазные границы между аустенитом и двойниковым мартенситом) являются очень подвижными. Измерения проводили при амплитудах деформации от 10^-6 до 10^-3.

Пример 2

Деформации, вызванные намагничиванием, были измерены на изогнутых образцах. Вначале мартенситный образец механически изогнули. Во время этой деформации одна сторона этого образца растянулась, а другая сжалась. В результате двойниковые зоны различных сторон образца оказались ориентированными различным образом, что привело как следствие различной реакции на напряжения сжатия и растяжения к разным пропорциям двойниковых вариантов. Было подтверждено, что количество мартенсита на обеих сторонах образца одинаково. Под воздействием магнитного поля в изогнутом образце появились деформации, вызванные магнитным полем, и они имели разные направления на разных сторонах образца. На той стороне, которая была первоначально механически растянута, магнитное поле вызвало сокращение, а на другой стороне под действием магнитного поля произошло растяжение. Например, при воздействии магнитного поля в 1 кЭ на слегка изогнутый образец Fe-Ni-C с двойниковым мартенситом толщиной в 1 мм разница в деформации между двумя сторонами составляла 2,2 10^-5. Это значение выше, чем магнитострикция этого материала. Данный эффект невозможно объяснить магнитострикцией, потому что она не может вызывать деформации в противоположных направлениях на обеих сторонах образца, и, кроме того, ее величина слишком мала.

Первоначальная механическая деформация создавалась также кручением. Деформация кручения повлияла на особую переориентацию двойниковых зон. Под воздействием магнитного поля на эту зону появились деформации кручения.

Пример 3

Были исследованы рентгенограммы мартенсита при приложении магнитных полей, перпендикулярных и параллельных поверхности образца. Интенсивности брэгговских максимумов согласовываются с относительным количеством двойниковых вариантов, соответствующих условию дифракции. Измерения показали изменения в максимумах интенсивностей, которые были интерпретированы как следствие двойниковых переориентаций мартенсита, вызванных намагничиванием. Изменения максимумов интенсивностей наблюдались и в сплавах, в которых двойниковой являлась только внутренняя часть пластинок мартенсита. Внешняя часть пластинок состояла из дислокационных ячеек и переплетений. Следовательно, межфазные границы между фазами аустенита и мартенсита в этих сплавах неподвижны, и управляемый магнитным полем рост мартенситных пластинок с предпочтительно ориентированными двойниковыми вариантами не может служить объяснением наблюдаемых эффектов.

Промышленная применимость

Новые исполнительные механизмы, основанные на настоящем изобретении, обладают значительным технологическим и коммерческим потенциалом. Ни один из других способов создания сил и движения, основанных на свойствах материала, не может обеспечить такое сочетание высоких деформаций, сил, скорости и точности, как эти новые механизмы. Потенциальными областями применения являются перемещения материала, особенно текучего, в насосах (в том числе высокого давления), топливных инжекторах или подобных устройствах путем посредством воздействия на материал исполнительным механизмом, а также приводы активного контроля вибрации, пружины, толкатели клапанов и регуляторы, роботы, прецизионное оборудование и линейные двигатели. Данные механизмы могут также оснащаться чувствительными и управляющими элементами. Результирующие системы, называемые адаптивными, активными и интеллектуальными, становятся обычными в современных машинах. Определение рабочих параметров машины в реальном времени, а также управляемое реагирование на изменения внешней среды и внутренние изменения делают возможным достижение более высоких показателей работы, минимального потребления энергии, продления срока службы таких структур и уменьшения затрат на их эксплуатацию и обслуживание. Адаптивные структуры используются в аэрокосмических, автомобильных и военно-морских применениях, в гражданском строительстве, в прецизионном машиностроении и в технологии производства. Наиболее распространенными исполнительными механизмами являются пневматические и гидравлические системы, электромагнитные приводы, а также такие исполнительные материалы, как пьезоэлектрические, магнитострикционные интерметаллиды и сплавы с эффектом памяти формы. Развитие адаптивных структур значительно замедлялось из-за отсутствия подобных материалов с высоким быстродействием и большой длиной хода. Новые материалы, основанные на настоящем изобретении, могут привести к значительному прогрессу в технологии адаптивных структур и в современном машиностроении.

Поскольку переориентация двойниковых зон происходит в трех измерениях, под воздействием магнитного поля можно осуществлять сложные изменения формы, включая растяжение/сжатие, изгиб или кручение образцов. Это значительно расширяет область применения данного изобретения во многих технологических областях и в машиностроении. Другие исполнительные механизмы, приводимые в действие намагничиванием, т. е. основанные на магнитострикции, не обладают такими свойствами. Механизмом/машиной для обеспечения управляемого движения или определенных изменений формы под воздействием магнитного поля может быть заранее ориентированный кусок материала с определенной заданной формой. При тщательной разработке формы и исходной двойниковой структуры исполнительный механизм может многократно сложным образом изменять форму, следуя цикличным изменениям интенсивности магнитного поля. Направление движения исполнительного материала механизма может изменяться изменением направления поля.

Способ создания изменений формы материала, движения и/или силы согласно настоящему изобретению делает возможным дистанционное управление работой исполнительного механизма посредством соответствующего источника магнитного поля. Дистанционное управление эффективно, например, в области биомедицины, в частности в медицинских приборах и в искусственных органах, таких как искусственное сердце. Большое количество подобных механизмов может работать одновременно под управлением общего источника магнитного поля. Даже если бы магнитное поле было одним и тем же для всех исполнительных механизмов, эти механизмы смогли бы работать по-разному в зависимости от исходной двойниковой структуры, созданной в материале.

Поскольку управляемая двойниковая структура может существовать и в тонких фольгах, проводах и частицах, механизмы с использованием таких форм, приданных исполнительному материалу согласно настоящему изобретению, могут применяться в микро- и нанотехнологиях. Размеры механизма могут быть даже уменьшены до размеров отдельных двойниковых зон. Наномеханизмы могут использовать, например, квантовый туннельный ток для позиционного контроля.

Настоящее изобретение представляет собой новый способ осуществления движения, изменений формы и создания силы при помощи электрической энергии. Механизмы, основанные на этом способе, могут потенциально стать наиболее широко используемыми приводами после электроприводов и других устройств, использующих электромагнитную энергию. Предполагается, что в некоторых областях машиностроения новые исполнительные механизмы заменят обычные электрические устройства, потому что они имеют более высокие характеристики, более надежны и менее дороги. Однако самый широкий потенциал использования данного изобретения кроется в новых применениях, которые становятся реальными только благодаря новым технологиям, основанным на этом изобретении.