Главная


Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение




Листать книгу
Листать
Страницы: 1 ... 21 ... 63 ... 105 ... 147 ... 189 ... 222
84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125


скачать книгу Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение




Для определения наилучшего расположения датчиков использовали алгоритм, подробно описанный в работе [36]. Использовали три датчика. Алгоритм работы программы аналогичен механизму естественного отбо­ра в природе. Сначала генерировали некоторую популяцию положений датчиков. Из них выбирали распределения, работающие наилучшим об­разом. После этого производили набор мутаций посредством случайного сдвига одного из датчиков на одно положение и случайного добавления новых положений. После этого вновь оценивали эффективность работы датчиков и сравнивали ее с результатами предыдущей итерации.
...
Как показано в работе [34], два датчика не позволяют надежно опре­делить местоположение дефекта. Расположение датчиков характеризо­вали векторами типа (2, 14, 23), где каждая цифра описывает положе­ние одного из трех датчиков. В данном случае датчики расположены в квадратах 2, 14 и 23. Эффективность работы датчиков оценивали коэф­фициентом надежности, который равен величине, обратной вероятнос­ти ошибки определения положения дефекта.
...
Алгоритм характеризовали следующими параметрами: размер попу­ляции был равен 50, а количество генераций - также 50. При каждой последующей итерации оставляли единственный элемент с наибольшим коэффициентом надежности и добавляли пять новых элементов. Более подробно с работой программы можно ознакомиться в работах [36, 37].
...
Наилучшее распределение датчиков описывается координатами (4, 16, 25). Это распределение характеризуется коэффициентом надежно­сти 3,155, что соответствует вероятности неверного определения коорди­наты расслоения 0,317. Это распределение представлено на рис. 4.17.
...
Для оценки эффективности работы алгоритма произвели полный перебор всех возможных комбинаций расположения датчиков, и оказа­лось, что идеальное распределение имеют координаты (8, 16, 25). Это распределение (рис. 4.18) близко к распределению, полученному с по­мощью описанного алгоритма. Вероятность ошибки при идеальном рас-
...
Для определения наилучшего расположения датчиков использовали алгоритм, подробно описанный в работе [36]. Использовали три датчика. Алгоритм работы программы аналогичен механизму естественного отбо­ра в природе. Сначала генерировали некоторую популяцию положений датчиков. Из них выбирали распределения, работающие наилучшим об­разом. После этого производили набор мутаций посредством случайного сдвига одного из датчиков на одно положение и случайного добавления новых положений. После этого вновь оценивали эффективность работы датчиков и сравнивали ее с результатами предыдущей итерации.
...
Как показано в работе [34], два датчика не позволяют надежно опре­делить местоположение дефекта. Расположение датчиков характеризо­вали векторами типа (2, 14, 23), где каждая цифра описывает положе­ние одного из трех датчиков. В данном случае датчики расположены в квадратах 2, 14 и 23. Эффективность работы датчиков оценивали коэф­фициентом надежности, который равен величине, обратной вероятнос­ти ошибки определения положения дефекта.
...
Алгоритм характеризовали следующими параметрами: размер попу­ляции был равен 50, а количество генераций - также 50. При каждой последующей итерации оставляли единственный элемент с наибольшим коэффициентом надежности и добавляли пять новых элементов. Более подробно с работой программы можно ознакомиться в работах [36, 37].
...
положении равна 0,321. То, что коэффициент надежности описанного алгоритма выше, чем в случае полного перебора, на первый взгляд ка­жется ошибкой. Однако это связано со статистической природой коэф­фициента надежности и его зависимостью от выбора начальных усло­вий. По этой причине оптимальное расположение датчиков согласно описываемому алгоритму несколько отличается от распределения, оп­ределенного полным перебором. Тем не менее эффективность работы алгоритма весьма высока.
...
Тот же метод оптимизации можно использовать и для нахождения рас­положения датчиков, при котором легче определить отказ одного из них. Однако метод оптимизации несколько изменили. Исходя из задан­ного материнского распределения N датчиков, после отказа одного из
...
положении равна 0,321. То, что коэффициент надежности описанного алгоритма выше, чем в случае полного перебора, на первый взгляд ка­жется ошибкой. Однако это связано со статистической природой коэф­фициента надежности и его зависимостью от выбора начальных усло­вий. По этой причине оптимальное расположение датчиков согласно описываемому алгоритму несколько отличается от распределения, оп­ределенного полным перебором. Тем не менее эффективность работы алгоритма весьма высока.
...
Тот же метод оптимизации можно использовать и для нахождения рас­положения датчиков, при котором легче определить отказ одного из них. Однако метод оптимизации несколько изменили. Исходя из задан­ного материнского распределения N датчиков, после отказа одного из
...
4.10. Оптимизация расположения датчиков и их контроль
...
Данный алгоритм использовали для различных распределений из трех датчиков. Наибольший коэффициент отказоустойчивости, равный 1,704, имеет распределение, показанное на рис. 4.19. Это означает, что веро­ятность ошибки самого плохого дочернего распределения из двух дат­чиков равна 0,587. Особенностью этого распределения является то, что датчики расположены близко друг к другу. Определенный полным пе­ребором коэффициент отказоустойчивости оказался равен 1,75, и ре­зультат, полученный разработанной процедурой, очень хорош.
...
Как показал метод полного перебора, самый высокий коэффициент надежности определения положения дефекта при помощи двух датчи­ков все же ниже минимального коэффициента надежности для трех датчиков (16, 22, 23). Однако коэффициент надежности родительского распределения при этом недостаточно высок. Причина этого в том, что оптимизация по принципу максимально надежного определения отказа не учитывает эффективность работы материнской конфигурации. На практике, искомое расположение датчиков должно быть компромисс­ным и учитывать оба требования.
...
В этом разделе обсуждаются два способа самопроверки сенсорных се­тей. Во-первых, можно использовать дополнительные датчики и про­граммное обеспечение, позволяющие перед измерениями оценить ко-эффициент надежности датчиков. Такой подход использует программа SEVA [11-13].
...
Второй подход использует лишь основную сеть датчиков, и провер­ка работоспособности исполняется самой сетью без привлечения до­полнительных средств. Это можно сделать четырьмя способами.
...
Активный способ 1. Центральный датчик посылает опорный сигнал, который принимается всеми датчиками сети, и полученный сигнал срав­нивается с формой ожидаемого сигнала. Результаты характеризуют ко­эффициентом аномалии.
...
Активный способ 2. Сами датчики, например пьезоэлектрические, возбуждают акустический сигнал и опрашивают другие датчики. Это позволяет провести перекрестную проверку датчиков.
...
Пассивный способ 1. Вычисляется распределение вероятности реак­ции датчика (методика описана в работе [38]) и сравнивается с конт­рольным распределением для надежно работающего датчика.
...
Пассивный способ 2. Часть датчиков используется для определения распределения вероятности реакции, а затем используется предыдущий пассивный подход.
...
Создание самопроверяющихся сенсорных сетей является заключи­тельным этапом построения методики детекции повреждений. Компь­ютеры используются на всех стадиях этой технологии, от моделирова­ния дефекта при тренировке и построения метода распознавания образов и диагностики датчиков и до оптимизации распределения датчиков и контроля их работоспособности.
...
В принципе все перечисленные во введении требования к свойствам интеллектуальных структур на практике могут быть реализованы с по­мощью адекватных методов анализа данных, обработки сигналов и вы­числений. В этой главе не обсуждались активные действия интеллекту­альных систем, поскольку это является самостоятельной проблемой, которая обсуждается в других главах этой книги. Разработки оптоэлек-тронных и компьютерных вычислительных методов в будущем могут еще больше усилить мощность методов анализа данных.
...
Второй подход использует лишь основную сеть датчиков, и провер­ка работоспособности исполняется самой сетью без привлечения до­полнительных средств. Это можно сделать четырьмя способами.
...
Активный способ 1. Центральный датчик посылает опорный сигнал, который принимается всеми датчиками сети, и полученный сигнал срав­нивается с формой ожидаемого сигнала. Результаты характеризуют ко­эффициентом аномалии.
...
В Приложении рассматривается пример многослойной нейронной сети (МНС). Здесь дается краткое описание этого метода, а подробное опи­сание можно найти в работах [39, 32].
...
МНС - это совокупность взаимосвязанных элементарных вы­числительных процедур, называемых нейронами или узлами графа и размещаемых в различных слоях. Сигналы подаются на узлы вход­ного уровня, в которых они обрабатываются и отправляются через сеть на промежуточные уровни, а конечный результат выдается че­рез уровень выхода. Связь /-го узла графа со всеми j узлами предше­ствующего уровня описывается весовыми коэффициентами wi}. При этом все узлы сети связаны со всеми узлами последующего уровня. Для всех сигналов величиной х}, поступающих с предшествующего уровня, в /-м узле вычисляется взвешенная сумма сигнала zx.
...
Функции / могут иметь различный вид, но здесь мы будем считать, что она представляет собой гиперболически тангенс tg х. Один из уз­лов графа, называемый определяющим узлом, связан со всеми узлами внутренних и выходного уровней. Сигнал на выходе из определяюще­го узла постоянен, чтобы обеспечить нормировку сигнала zl
...
Первый этап настройки сети состоит в определении значений ве­совых коэффициентов wi}. Эту стадию называют тестированием или тренировкой. Тестирование будет состоять в подаче на вход сети ряда сигналов, для которых известны сигналы на ее выходе. Если откло­нение результата от контрольной величины достаточно мало, вели­чину весовых коэффициентов не регулируют. Если же отклонение является значительным, ее величину направляют в обратном направ­лении и применяют некоторый алгоритм для корректировки весовых коэффициентов. Использованный в этой работе алгоритм может быть кратко описан следующим образом. Для каждой процедуры тестиро­вания оценивают величину ошибки (отклонения от истинного зна­чения) /:
...
В Приложении рассматривается пример многослойной нейронной сети (МНС). Здесь дается краткое описание этого метода, а подробное опи­сание можно найти в работах [39, 32].
...
МНС - это совокупность взаимосвязанных элементарных вы­числительных процедур, называемых нейронами или узлами графа и размещаемых в различных слоях. Сигналы подаются на узлы вход­ного уровня, в которых они обрабатываются и отправляются через сеть на промежуточные уровни, а конечный результат выдается че­рез уровень выхода. Связь /-го узла графа со всеми j узлами предше­ствующего уровня описывается весовыми коэффициентами wi}. При этом все узлы сети связаны со всеми узлами последующего уровня. Для всех сигналов величиной х}, поступающих с предшествующего уровня, в /-м узле вычисляется взвешенная сумма сигнала zx.
...
где п(0 — количество узлов на уровне вывода. / является неявной фун­кцией параметров 0,, 02, 0п, где 0( - вес соединений, упорядоченных некоторым способом. Целое число / описывает номер теста. После вве­дения тестирующей последовательности стандартный алгоритм состоит в регулировании параметров:
...
где V - оператор градиента. Параметр ц называют коэффициентом тре­нировки. В работе [39] приведено следующее выражение для пересчета весов в процессе тестирования:
...
где 8/т) — величина ошибки на выходе /-й точки на уровне т. Эта по­грешность априорно не известна, но ее можно вычислить исходя из из­вестных погрешностей =
...
Если коэффициент тренировки ц слишком мал, сходимость к пра­вильным параметрам может быть слишком медленной. Если он слиш­ком велик, настройка будет быстрой, но веса могут колебаться или даже расходиться. Один из способов решения этой проблемы состоит во вве­дении коэффициента инерции, в результате чего предыдущие весовые коэффициенты изменяются не слишком быстро:
...
где а - коэффициент инерции. Его роль состоит в уменьшении амплитуды высокочастотных колебаний в процессе регулировки весовых параметров.
...
Как только погрешность уменьшается до приемлемого уровня, про­цесс тестирования заканчивается, и сеть считают установленной. Для процедуры тренировки использовался пакет программ MLP [40].
...
Сплавы с памятью формы - общее название, данное сплавам, кото­рые имеют необычное свойство помнить о деформациях. Этот эф­фект состоит в каучукоподобном поведении, при котором восстанав­ливаются большие деформации при постоянной температуре (эффект суперупругости), а также в полном восстановлении деформации в результате изменения температуры. Такое поведение обусловлено из­менением структуры кристаллической структуры, состоящем в появ­лении микрокристаллов мартенситной фазы. Мартенситный переход обусловлен полиморфным переходом кристаллической структуры от исходной («родительской») фазы к мартенситной. Этот переход схе­матически иллюстрируется рис. 5.1. Такие переходы не связаны с диффузией или изменением химического состава и являются осно­вой высокотемпературных методов обработки многих металлов, вклю­чая известный переход аустенита в мартенсит в сплавах железа. Тер­мически инициированный переход в мартенситную фазу происходит при снижении температуры (рис. 5.2). Постепенный переход начина­ется при температуре Ms (температуре инициации мартенситного пе­рехода), и доля мартенситной фазы возрастает при снижении темпе-
...
Сплавы с памятью формы - общее название, данное сплавам, кото­рые имеют необычное свойство помнить о деформациях. Этот эф­фект состоит в каучукоподобном поведении, при котором восстанав­ливаются большие деформации при постоянной температуре (эффект суперупругости), а также в полном восстановлении деформации в результате изменения температуры. Такое поведение обусловлено из­менением структуры кристаллической структуры, состоящем в появ­лении микрокристаллов мартенситной фазы. Мартенситный переход обусловлен полиморфным переходом кристаллической структуры от исходной («родительской») фазы к мартенситной. Этот переход схе­матически иллюстрируется рис. 5.1. Такие переходы не связаны с диффузией или изменением химического состава и являются осно­вой высокотемпературных методов обработки многих металлов, вклю­чая известный переход аустенита в мартенсит в сплавах железа. Тер­мически инициированный переход в мартенситную фазу происходит при снижении температуры (рис. 5.2). Постепенный переход начина­ется при температуре Ms (температуре инициации мартенситного пе­рехода), и доля мартенситной фазы возрастает при снижении темпе-
...
ратуры вплоть до полного завершения перехода при температуре Мг При нагревании мартенситные зерна, сформированные последними в процессе перехода, первыми начинают возвращаться к родительс­кой фазе, и обратный переход продолжается вплоть до температуры Ар при которой полностью восстанавливается исходная высокотем­пературная фаза. Ширина гистерезисной кривой между прямым и обратным переходами в сплавах с эффектом памяти формы (СЭП) невелика, обычно между 10 и 50°С. Отметим, что в мартенситной стали этот переход гораздо шире. Если температура нагрева не слиш­ком высока, термостимулированный мартенситный переход может быть повторен сколько угодно раз,
...
Особенностью всех мартенситных переходов является наличие множе­ства эквивалентных сдвиговых направлений, в которых может форми­роваться мартенсит в пределах родительской области. Это приводит к формированию так называемых мартенситных вариантов в микрострук­туре сплава. Схематически это иллюстрируется двумерной моделью, по­казанной на рис. 5.1.
...
На этом рисунке показаны два кристаллографически эквивалентных мартенситных микрокристалла, создаваемых различными сдвигами мик­рокристаллов родительской фазы. Если сдвиги в противоположных на­правлениях скомпенсированы, материал сохраняет свою макроскопи­ческую форму. Микроструктуру, в которой сдвиг в одном направлении компенсируется сдвигом в противоположном направлении, называют аккомодированной. Она является основой эффекта памяти формы, хотя трехмерная аккомодация требует большого количества вариантов (во многих сплавах до 48).
...
ратуры вплоть до полного завершения перехода при температуре Мг При нагревании мартенситные зерна, сформированные последними в процессе перехода, первыми начинают возвращаться к родительс­кой фазе, и обратный переход продолжается вплоть до температуры Ар при которой полностью восстанавливается исходная высокотем­пературная фаза. Ширина гистерезисной кривой между прямым и обратным переходами в сплавах с эффектом памяти формы (СЭП) невелика, обычно между 10 и 50°С. Отметим, что в мартенситной стали этот переход гораздо шире. Если температура нагрева не слиш­ком высока, термостимулированный мартенситный переход может быть повторен сколько угодно раз,
...
Очевидно (рис. 5.1), что родительская фаза имеет более высокую симметрию, чем мартенсит. Как следствие, хотя имеется много спо­собов Перехода в мартенситное состояние, существует лишь несколь­ко возможных путей обратного перехода, часто сводимых дополни­тельными ограничениями до единственного пути возврата. Как следствие, возвращение назад от мартенсита к родительской фазе ведет к полному восстановлению исходной микроструктуры (рис. 5.1). В сплавах с эффектом памяти формы границы раздела между мартен-ситными вариантами могут смещаться, и их положение можно изме­нять внешними воздействиями, например при помощи механичес­кой нагрузки. Это иллюстрируется рис. 5.3, на котором показано изменение формы под действием приложенного напряжения. Грани­цы раздела между вариантами сдвигаются таким образом, чтобы «вы­растить» наиболее благоприятно ориентированные и сжать наиме­нее благоприятно ориентированные варианты (по отношению к нагрузке). Именно ориентирование вариантов мартенсита под дей­ствием приложенного напряжения и возвращение к родительской структуре формируют основу так называемого одностороннего эф­фекта памяти формы.
...
На рис. 5.4 схематически изображена диаграмма деформирования, де­монстрирующая макроскопическое поведение металлов с односторон­ней памятью формы. Если такой сплав деформируют в мартенситном состоянии, после разгрузки остается значительная пластическая дефор­мация. Это является следствием переориентации мартенситной микро­структуры, которая сохраняется после снятия внешнего напряжения, как показано на рис. 5.3. Если сплав будет нагрет до температуры, пре­вышающей температуру мартенситного перехода, то остаточная дефор­мация полностью восстановится и образец вернет свою первоначаль­ную макроскопическую форму.
...
Очевидно (рис. 5.1), что родительская фаза имеет более высокую симметрию, чем мартенсит. Как следствие, хотя имеется много спо­собов Перехода в мартенситное состояние, существует лишь несколь­ко возможных путей обратного перехода, часто сводимых дополни­тельными ограничениями до единственного пути возврата. Как следствие, возвращение назад от мартенсита к родительской фазе ведет к полному восстановлению исходной микроструктуры (рис. 5.1). В сплавах с эффектом памяти формы границы раздела между мартен-ситными вариантами могут смещаться, и их положение можно изме­нять внешними воздействиями, например при помощи механичес­кой нагрузки. Это иллюстрируется рис. 5.3, на котором показано изменение формы под действием приложенного напряжения. Грани­цы раздела между вариантами сдвигаются таким образом, чтобы «вы­растить» наиболее благоприятно ориентированные и сжать наиме­нее благоприятно ориентированные варианты (по отношению к нагрузке). Именно ориентирование вариантов мартенсита под дей­ствием приложенного напряжения и возвращение к родительской структуре формируют основу так называемого одностороннего эф­фекта памяти формы.
...
На рис. 5.4 схематически изображена диаграмма деформирования, де­монстрирующая макроскопическое поведение металлов с односторон­ней памятью формы. Если такой сплав деформируют в мартенситном состоянии, после разгрузки остается значительная пластическая дефор­мация. Это является следствием переориентации мартенситной микро­структуры, которая сохраняется после снятия внешнего напряжения, как показано на рис. 5.3. Если сплав будет нагрет до температуры, пре­вышающей температуру мартенситного перехода, то остаточная дефор­мация полностью восстановится и образец вернет свою первоначаль­ную макроскопическую форму.
...
Рис. 5.4. Диаграмма деформирования «напряжение—деформация», демон­стрирующая макроскопическое поведение металлов с односто­ронней памятью формы.
...
Это называют односторонним эффектом памяти. Пока деформация не слишком высока и еще не началось макроскопическое пластическое течение, возврат формы может происходить также под действием рас­тяжения, сжатия, изгиба или их комбинации.
...
Внутренние структурные изменения можно описать моделью, изоб­раженной на рис. 5.5. При нагружении материала в самоаккомодиро­ванном мартенситном состоянии происходит перестройка вариантов, приводящая к макроскопическому изменению формы. После разгруз­ки сплава он сохраняет остаточную деформацию. Однако, если сплав нагреть выше температуры мартенситного перехода, будет восстанов­лена первоначальная микроструктура родительской фазы и, как след­ствие, первоначальная форма. Это происходит из-за того, что, незави­симо от распределения остаточных деформаций мартенситных вариантов, имеется только один путь возвращения к родительской фазе. Когда сплав охлаждается ниже температуры перехода, формируется самоаккомодированная мартенситная микроструктура и возвращается первоначальная форма образца. Максимальная деформация, восста­навливаемая в ходе этого процесса, зависит от типа металла, однако обычно для поликристаллических сплавов она находится в диапазоне от 1 до 7%.
...
Сплавы, для которых характерен эффект односторонней памяти, запо­минают только одну, так называемую горячую форму родительской фазы. Однако металлы с эффектом памяти можно обработать так, чтобы они восстанавливали форму и в горячем, и в холодном состоянии. Это явле­ние называют эффектом двусторонней памяти, и деталь может цикли­чески изменять свою форму без приложения внешней нагрузки.
...
Рис. 5.4. Диаграмма деформирования «напряжение—деформация», демон­стрирующая макроскопическое поведение металлов с односто­ронней памятью формы.
...
Это называют односторонним эффектом памяти. Пока деформация не слишком высока и еще не началось макроскопическое пластическое течение, возврат формы может происходить также под действием рас­тяжения, сжатия, изгиба или их комбинации.
...
Внутренние структурные изменения можно описать моделью, изоб­раженной на рис. 5.5. При нагружении материала в самоаккомодиро­ванном мартенситном состоянии происходит перестройка вариантов, приводящая к макроскопическому изменению формы. После разгруз­ки сплава он сохраняет остаточную деформацию. Однако, если сплав нагреть выше температуры мартенситного перехода, будет восстанов­лена первоначальная микроструктура родительской фазы и, как след­ствие, первоначальная форма. Это происходит из-за того, что, незави­симо от распределения остаточных деформаций мартенситных вариантов, имеется только один путь возвращения к родительской фазе. Когда сплав охлаждается ниже температуры перехода, формируется самоаккомодированная мартенситная микроструктура и возвращается первоначальная форма образца. Максимальная деформация, восста­навливаемая в ходе этого процесса, зависит от типа металла, однако обычно для поликристаллических сплавов она находится в диапазоне от 1 до 7%.
...
Двусторонние изменения формы основаны на микроструктурных из­менениях мартенситной структуры, которые происходят под действием приложенного напряжения [1]. При двустороннем эффекте самоаккомо­дация мартенситной микроструктуры нарушается из-за наличия внутрен­них напряжений и появляется преобладание вариантов определенной фор­мы. В этом случае при охлаждении происходит изменение формы вследствие перехода к холодной фазе, а при нагревании форма восстанавливается путем обратного перехода. Такой цикл иллюстрируется рис. 5.5. Отметим, что в подобных сплавах мартенситная форма восстанавливается охлаж­дением ниже температуры М$ из-за наличия внутренних напряжений. Внутренние напряжения могут появиться вследствие различных воз­действий, которые называют «тренировкой». Области существования микронапряжений должны быть устойчивыми при циклических изме­нениях температуры, и обычно это связано с наличием дефектов струк­туры. Такие дефекты могут представлять собой инородные частицы и зародыши новой фазы [4], возникающие при специальной термомеха­нической обработке [5]. Кроме того, они возникают при предваритель­ном деформировании [2, 3]. Двусторонняя память, связанная с появле­нием массива дислокаций, может возникнуть после следующих процедур «тренировки».
...
Путем механического деформирования мартенситный переход в сплаве с эффектом памяти формы может быть инициирован даже при температу­ре выше Аг Образовавшаяся мартенситная фаза устойчива лишь под дей­ствием напряжения, а при разгрузке она превращается в исходную роди­тельскую фазу. На рис. 5.6 сравнивается механическое поведение суперупрутого материала в сравнении с обычным металлическим спла­вом. Суперупругие материалы могут полностью восстанавливать дефор­мации, достигающие 6-7%. Рисунок 5.6 показывает, что деформирова­ние такого сплава характеризуется гистерезисной кривой, причем верхняя кривая соответствует мартенситному переходу, инициированному меха­ническим напряжением, а нижняя - обратному переходу при разгрузке. На практике используют как большую деформацию усадки при эффекте суперупругости, так и постоянство напряжения при восстановлении.
...
Эти эффекты объясняются тем, что инициированный нагрузкой пе­реход приводит к появлению избытка одного из вариантов мартенситной фазы («деформированной мартенситной структуры») (рис. 5.5). В резуль­тате появляется макроскопическая деформация, которая восстанавлива­ется при обратном мартенситном переходе. Гистерезис деформационной кривой связан с гистерезисом мартенситных переходов (рис. 5.2).
...
Впервые суперупругое поведение, являющееся основой эффекта па­мяти формы, в сплаве Au-Cd наблюдал в 1932 году Оландер, назвав­ший его каучукоподобным поведением [7]. В 1938 году такое же пове-
...
дение сплавов Cu-Zn наблюдали Гренингер и Мурадян [8]. Однако термин «восстановление формы» был введен гораздо позже Чангом и Ридом, исследовавшими поведение сплавов Au-Cd [9]. Понятие эф­фекта памяти как свойства материала ввели в 1963 году Бюлер с соав­торами, изучавшие сплавы NiTi [10]. Их открытие инициировало ла­винообразный рост интереса к эффекту памяти. В 1960-х годах началось смещение акцентов от чисто научного интереса к техническому ис­пользованию, что подпитывало исследования в этом направлении. Дюриг делит практические применения материалов с эффектом памя­ти в соответствии со следующими термическими проявлениями эф­фекта суперупругости [11].
...
Восстановление формы вследствие суперупругости. После деформи­рования последующий высокотемпературный нагрев приводит к вос­становлению первоначальной формы, сохраняемой и при охлаждении. Функция сплава в этом случае состоит в создании движения или де­формации.
...
Ограниченное восстановление. Сплав восстановливает форму не полностью, приводя к появлению напряжений в элементах и микро­кристаллах, ограничивающих восстановление.
...
Термостимулированное восстановление. При нагревании сплав восста­навливает форму, в результате чего производится механическая работа.
...
Суперупругое восстановление. Использование эффекта памяти при постоянной температуре связано только с суперупругим восстановле­нием (называемым иногда псевдоупругостью). В этом случае использу­ется сравнительно большая величина восстанавливаемой деформации и, соответственно, запасенной энергии.
...
В некоторых случаях делить условия проявления эффекта на термо-стимулированные и изотермические невозможно, а суперупругое вос­становление происходит в условиях смешения свободного и стесненно­го изменения формы. Иными словами, восстановление формы суперупругих элементов может как происходить свободно, так и быть механически ограниченным другими элементами в зависимости от ус­ловий. Поэтому деление эффектов на тепловые и изотермические не полностью описывает явление. Однако такой способ классификации все же полезен для классификации практического применения эффек­та памяти в технических системах.
...
Хотя сплав NiTi применяется во всех четырех описанных Дюригом категориях [11], наиболее широко используется его суперупругость. В медицинской промышленности было сконструировано множество уни­кальных инженерных устройств из сплава NiTi, причем область их при­менения продолжает быстро расширяться. Это обусловлено биологи­ческой совместимостью данного сплава с живыми тканями [12-14],
...
Из суперупрутого сплава NiTi делали проволоку, используемую при неповреждающей хирургии [15] и лечении артерий и пищевода [19, 20], ортодонтические скобки [16, 17], очень гибкие хирургические инстру­менты [18] и т.д. Помимо медицинских изделий, из суперупругих спла­вов успешно делали потребительские изделия, например оправы очков [21], бюстгальтеры [22] и антенны мобильных телефонов [23].
...
Термостимулированное восстановление формы использовали гораз­до реже. Наиболее успешно его применяли для соединения труб, впер­вые использованного фирмой Raychem Corporation в конструкции са­молета Grumman F-14 [24]. Для этого использовали кольцо из сплава NiTiFe, диаметр которого увеличили при низкой температуре и затем поместили в место соединения труб. При постепенном нагреве кольца до комнатной температуры оно стремится вернуть свой первоначаль­ный размер, сильно сжимая трубы, что обеспечивает прочное и надеж­ное сцепление. Из сплавов с памятью формы делали также различные электрические соединения и контакты, в которых использовался эф­фект ограниченного восстановления [25, 26].
...
Восстановление в отсутствие стеснения применяется очень редко. В настоящее время оно используется на практике только в противопо­жарных устройствах защиты и тепловых предохранителях [27]. В этих устройствах сплавы работают одновременно как тепловые датчики и предохранительные перекрывающие клапаны. Например, газовые кла­паны фирмы Proteus отключают газовый поток при возникновении по­жара [28]. В этом изделии пружина, сделанная из сплава CuZnAl, рас­ширяется при достижении некоторой температуры и стальной шар входит в предохранительное кольцо. После срабатывания такой клапан можно открыть вручную при температуре ниже мартенситного перехода. Такие клапаны являются одноразовыми и они не должны испытывать посто­янные противодействующие нагрузки.
...
Для интеллектуальных изделий наибольший потенциал использования имеет эффект термостимулированного изменения формы [29, 30]. Опуб­ликовано большое количество патентов, в которых описаны приспособле­ния с памятью формы, работающие в качестве механических приводов, которые при нагреве преобразуют электрическую или тепловую энергию в механическую работу. Однако из-за сложностей, связанных с необходимо­стью сочетания нужного направления движения, долговечности и темпе­ратуры активации, количество таких реально созданных устройств невели­ко [31, 32]. Коммерческий успех имели лишь устройства, которые были разработаны с учетом особенностей работы привода. Хорошим примером являются приводы в кондиционерах компании Matsushita [33]. Стоимость разработки таких устройств довольно высока, и поэтому многие предло­жения использования материалов с эффектом памяти остаются на бумаге.
...
Из суперупрутого сплава NiTi делали проволоку, используемую при неповреждающей хирургии [15] и лечении артерий и пищевода [19, 20], ортодонтические скобки [16, 17], очень гибкие хирургические инстру­менты [18] и т.д. Помимо медицинских изделий, из суперупругих спла­вов успешно делали потребительские изделия, например оправы очков [21], бюстгальтеры [22] и антенны мобильных телефонов [23].
...
Термостимулированное восстановление формы использовали гораз­до реже. Наиболее успешно его применяли для соединения труб, впер­вые использованного фирмой Raychem Corporation в конструкции са­молета Grumman F-14 [24]. Для этого использовали кольцо из сплава NiTiFe, диаметр которого увеличили при низкой температуре и затем поместили в место соединения труб. При постепенном нагреве кольца до комнатной температуры оно стремится вернуть свой первоначаль­ный размер, сильно сжимая трубы, что обеспечивает прочное и надеж­ное сцепление. Из сплавов с памятью формы делали также различные электрические соединения и контакты, в которых использовался эф­фект ограниченного восстановления [25, 26].
...
Восстановление в отсутствие стеснения применяется очень редко. В настоящее время оно используется на практике только в противопо­жарных устройствах защиты и тепловых предохранителях [27]. В этих устройствах сплавы работают одновременно как тепловые датчики и предохранительные перекрывающие клапаны. Например, газовые кла­паны фирмы Proteus отключают газовый поток при возникновении по­жара [28]. В этом изделии пружина, сделанная из сплава CuZnAl, рас­ширяется при достижении некоторой температуры и стальной шар входит в предохранительное кольцо. После срабатывания такой клапан можно открыть вручную при температуре ниже мартенситного перехода. Такие клапаны являются одноразовыми и они не должны испытывать посто­янные противодействующие нагрузки.
...
Для интеллектуальных изделий наибольший потенциал использования имеет эффект термостимулированного изменения формы [29, 30]. Опуб­ликовано большое количество патентов, в которых описаны приспособле­ния с памятью формы, работающие в качестве механических приводов, которые при нагреве преобразуют электрическую или тепловую энергию в механическую работу. Однако из-за сложностей, связанных с необходимо­стью сочетания нужного направления движения, долговечности и темпе­ратуры активации, количество таких реально созданных устройств невели­ко [31, 32]. Коммерческий успех имели лишь устройства, которые были разработаны с учетом особенностей работы привода. Хорошим примером являются приводы в кондиционерах компании Matsushita [33]. Стоимость разработки таких устройств довольно высока, и поэтому многие предло­жения использования материалов с эффектом памяти остаются на бумаге.
...
Этот вопрос часто задают при использовании СЭП. Ответ на него впол­не очевиден. Предельная деформация биметаллических пластин на­много меньше, чем у СЭП. Величина их деформации линейно зависит от температуры, в отличие от поведения материалов с эффектом памя­ти, работа которых напоминает выключатель. Кроме того, СЭП могут иметь различную форму, например пружины или отрезка трубы, и нужное направление деформации при изменении температуры. Нако­нец, что особенно важно для тепловых устройств, восстанавливающее усилие СЭП-материалов может быть в 100 раз выше, чем у биметалли­ческих пластин.
...
Несмотря на все большее количество сообщений о сплавах, в кото­рых наблюдается эффект памяти формы, практически используются лишь материалы на основе меди и NiTi, причем наиболее широкое коммерческое использование имеет последний. Это обусловлено боль­шой величиной восстанавливаемой деформации и отличной корро­зийной устойчивостью NiTi [34], что делает его чрезвычайно перс­пективными для коммерческих применений. Тщательное соблюдение технологии получения NiTi позволяет контролировать температуру фазового перехода, создаваемое напряжение и величину производи­мой работы.
...
СЭП на основе меди имеют более высокую по сравнению с NiTi температуру перехода (в диапазоне от -200 до +200°С), что позволя­ет использовать их при температурах выше 100°С. Восстанавливае­мая деформация в поликристаллическом СЭП на основе меди лежит в пределах от 3% для Cu-Al-Ni до 4% для сплава Cu-Zn-Al. Недостат­ками медных сплавов являются низкие прочность и коррозионная стойкость.
...
Сплавы NiTi имеют наибольшую восстанавливаемую деформацию, но их недостатком остается невысокая температура фазового перехо­да (от -200 до + 100°С). Восстанавливаемая деформация достигает 7%,
...
Явление памяти формы сплава NiTi было открыто Бюлером с соавтора­ми [35, 36] в Военно-морской артиллерийской лаборатории (NOL) США, и этот сплав часто называют нитинолом. Эффект памяти наблюдается в сплавах NiTi в узком интервале концентраций, соответствующем 50 атом­ных процентов никеля и 50% титана. Изменение состава лишь на 0,1 атомный процент может изменить температуру перехода на 20 или бо­лее градусов. По этой причине технологические условия получения спла­вов NiTi должны выполняться очень строго. Для обеспечения однород­ности сплава, позволяющей контролировать температуру перехода в пределах 5°С, часто используют индукционное плавление металла. К сожалению, эта технология малопроизводительна, из-за чего сплав NiTi считают сравнительно дорогим.
...
Механическое поведение NiTi сильно зависит от температуры, фазово­го состава сплава и температуры перехода, как схематически иллюстри­руется рис. 5.7. Различные стадии деформационного поведения на этом рисунке показаны цифрами от 1 до 4.
...
Поведение сплава при температуре выше Av но ниже Md показано на рис. 5.7, Ъ. В области 1 металл находится в родительской фазе и ведет себя упруго. При некотором напряжении начинается вынужденный мартенситный переход, и дальнейшее деформирование сопровождается увеличением доли мартенситной фазы. Если сплав разгрузить, проис­ходит суперупругое восстановление формы, показанное штриховой линией. Однако, если его деформировать и далее, мартенситная фаза начинает деформироваться сначала упруго (в области 3), а затем и пла­стически в области 4.
...
Одно из преимуществ NiTi по сравнению с другими сплавами с памя­тью формы состоит в их замечательной коррозионной стойкости. За­щитная поверхностная пленка диокиси титана (ТЮ2) обеспечивает это­му сплаву коррозионную стойкость, сравнимую с нержавеющей сталью. Такая же пленка образуется и на поверхности чистого титана. Эта плен­ка очень устойчива к действию большинства химически активных ве­ществ, однако в случае повреждения поверхности на ее восстановление может потребоваться некоторое время.
...
Коррозионная стойкость NiTi обусловила исследование его биосов­местимости с живыми тканями в целях определения возможности ис­пользования в медицине. Испытания показали, что сплав имеет очень хорошую биосовместимость, и не было найдено никаких признаков отравления живых организмов металлом. Считается, что поверхностная пленка окиси титана не позволяет ядовитому никелю проникать в жи­вые ткани. Это инициировало интенсивные работы, направленные на использование этого сплава в медицинской технике.
...
Введение третьего химического элемента в NiTi может изменять неко­торые характеристики материала, что расширило его практическое ис­пользование.
...
Сплавы NiTi обладают уникальными свойствами. К сожалению, сравни­тельно высокая стоимость и невысокая работоспособность часто влияют на решение вопроса о целесообразности их применения. В табл. 5.1—5.4 приведены физические и механические свойства, а также стоимость NiTi и СЭП на основе меди.
...
тью формы и суперупругости, проведенной в 1994 году. Спрос со сторо­ны медицинского рынка проявился в большом количестве статей, иссле­дующих биосовместимость и медицинские применения данных материа­лов. Эта Конференция стала регулярной, а первая Европейская сессия состоялась в 1999 году.
...
Развитие интеллектуальных технологий стимулировало появление специализированных научных журналов и конференций и привело к всплеску интереса к использованию СЭП в качестве силовых приводов. По этой причине это направление стало стратегически важным для про­изводителей сплавов с памятью формы и важнейшим направлением исследований.
...
Главное направление использования сплавов с памятью формы в ин­теллектуальных технологиях - это приводы, преобразующие тепловую энергию в движение или механическую работу.
...
работы представляют наибольшие перспективы изделий из СЭП. Фи­зическая основа эффекта памяти отличает его от других способов при­ведения материала в движение, например от пьезоэлекрического эф­фекта и магнитострикции, что иллюстрируется рис. 5.8, а.
...
волюцию в широком секторе международного рынка в военной, косми­ческой, автомобильной и других отраслях... Прогнозируется, что объем рынка интеллектуальных материалов и структур к 2010 году превысит 65 миллионов долларов».
...
На процесс развития рынка интеллектуальных материалов и структур будут влиять политические, экономические, социальные и технологические факторы, которые в конечном счете и определят, смогут ли СЭП стать ко­зырем, обеспечивающим преимущество в создании конкурентоспособных интеллектуальных изделий. Обзор этих факторов приведен ниже [41-43].
...
Сокращение оборонных бюджетов в целом приведет к сокращению фи­нансируемых правительствами исследовательских и конструкторских ра­бот во всем мире. Это может иметь как положительное, так и отрицатель­ное влияние на исследования сплавов с эффектом памяти формы. Несмотря на вероятное сокращение финансирования оборонных проектов, имеется общая тенденция к увеличению финансирования исследований интеллек­туальных материалов. В настоящее время эта тенденция стимулирует но­вый интерес к использованию СЭП в оборонной промышленности. Пра­вительственное финансирование космических исследований также продолжится. Развитие беспилотных летательных аппаратов и спутников обеспечит возможности для развития силовых приводов на основе СЭП.
...
Объемы продажи авиакосмической техники сокращаются, и это приво­дит к экономическому давлению на производителей космической тех­ники. Традиционно эти компании проводили инновационные разра­ботки интеллектуальных структур, в том числе и использующих СЭП. Если основанные на них интеллектуальные структуры не начнут поку­паться в ближайшем будущем, финансирование исследований СЭП в этой отрасли в следующие 5-10 лет резко сократится. Однако непре­рывное увеличение срока службы и уменьшение цены этих материалов может привести к расширению их использования в интеллектуальных конструкциях.
...
волюцию в широком секторе международного рынка в военной, косми­ческой, автомобильной и других отраслях... Прогнозируется, что объем рынка интеллектуальных материалов и структур к 2010 году превысит 65 миллионов долларов».
...
На процесс развития рынка интеллектуальных материалов и структур будут влиять политические, экономические, социальные и технологические факторы, которые в конечном счете и определят, смогут ли СЭП стать ко­зырем, обеспечивающим преимущество в создании конкурентоспособных интеллектуальных изделий. Обзор этих факторов приведен ниже [41-43].
...
5.11. Память формы в «интеллектуальных» силовых преобразователях
...
Все время ужесточающиеся требования к безопасности изделий, вероятно, приведут к дальнейшему росту интереса к датчикам и источникам движе­ния и, следовательно, к металлам с памятью формы. Расширение контро­ля за окружающей средой также окажет значительное влияние на развитие этих материалов. Тенденция к разработке диалоговых компьютерных сис­тем и виртуальных сред стимулирует развитие конструкционных материа­лов, заставляя их поспевать за развитием аппаратной части компьютеров и програмного обеспечения. Интеллектуальные материалы могут оказаться одним из путей развития способов контроля за окружающей средой.
...
Очевидно, СЭП удовлетворяют обоим определениям. Согласно дан­ному определению интеллектуальные материалы должны быть струк-турно-целостностными на молекулярном уровне, а сенсорные или при­водящие функции в них должны формироваться на микроуровне, а не на макроуровне, как у интеллектуальных структур.
...
Интеллектуальные материалы состоят из молекул, которые обеспечива­ют их способность работать в качестве датчиков или силовых преобра­зователей. В этом смысле интеллектуальные материалы на молекуляр­ном уровне являются интеллектуальными структурами. Способность СЭП на автономный ответ при внешнем воздействии является их внут­ренним свойством, и поэтому они удовлетворяют данному выше опре­делению интеллектуальных материалов, хотя диапазон их функциональ­ных возможностей относительно ограничен.
...
Интеллектуальный материал должен реагировать на внешнее воз­действие контролируемым образом, задаваемым в процессе изготовле­ния и обработки. В случае СЭП это достигается сравнительно просто. Тщательный контроль состава и последующая обработка позволяют производить «точную настройку» температуры перехода (когда сплав используют в качестве датчика), силы и восстанавливаемой деформа­ции (когда он используется в качестве силового преобразователя) и проч­ности (если он используется в качестве конструкционного материала).
...
Еще одно требование к интеллектуальным материалам состоит в том, что они должны действовать, только когда это необходимо. На первый взгляд, распределение силовых преобразователей на микро­уровне в пределах монолитной структуры является весьма сложной задачей. Однако появление нового метода записи и считывания ин­формации с дискретных областей при помощи лазера означает, что монолитные устройства памяти формы могут иметь и распределенные по матрице микроактиваторы. При помощи этой технологии был из­готовлен коммерчески производимый микрозахват, который явился одним из первых реальных применений СЭП в качестве «интеллекту­ального материала» [44].
...
В интеллектуальных структурах материалы с эффектом памяти формы используют двумя способами. Во-первых, в качестве механических и силовых преобразователей, создающих движение. В интеллектуальных структурах СЭП заменяет сложные механические устройства приведе­ния в движение, причем в этом случае движение задается электричес-
...
ким сигналом системы управления, действующей на основании показа­ний датчиков. Этот класс изделий включает в себя и «интеллектуальные механизмы», к которым относятся, например, летательные аппараты с изменяемой геометрией крыла [45]. В этих «механизмах» активаторы из материалов с памятью формы изменяют геометрическую форму «гиб­ких» структур подобно действию человеческих мускул. Действие сило­вого преобразователя из СЭП состоит в постепенном изменении разме­ров в процессе нагрева вследствие фазового перехода.
...
СЭП часто используют для создания движения в более сложных си­стемах. Примером являются стропильные фермы, в которых активные элементы демпфируют резонасные колебания [46]. Главную проблему обычно представляют собой низкочастотные колебания, и включение в структуру балок узкополосных силовых преобразователей из СЭП ре­шает эту проблему. В активных стропильных балках СЭП находятся в состоянии частично стесненного восстановления и в действие приво­дятся электрическим сигналом.
...
Второй подход к использованию СЭП в интеллектуальных структу­рах отличается от обычных технологий более радикально. В этом случае силовые преобразователи из СЭП распределяют по объему или по по­верхности конструкции. Например, силовые преобразователи в виде проволоки из СЭП вводят в структуру композиционных материалов. Такие преобразователи эффективно демпфируют вибрацию и изменя­ют форму деталей из композиционных материалов. Кроме того, уже первые исследования выявили потенциал подобных активаторов для контроля степени поврежденности композита.
...
В пассивных композиционных материалах используется высокая демп­фирующая способность СЭП. Примером являются горные лыжи, раз­работанные компанией EPFL (Швейцария), в которых сплав CuZnAl подавляет вибрацию [47]. Демпфирование основано на поглощении энергии при обратимой перестройке мартенситных вариантов благода­ря наличию гистерезиса при нагрузке-разгрузке. По мере понижения окружающей температуры поверхность снега становится более жест­кой, и, соответственно, возрастает величина гистерезиса при мартен-ситном переходе, что увеличивает демпфирование. Аналогичная идея используется для демпфирования сейсмических колебаний суперупру­гими сплавами NiTi, вводимыми в конструкции зданий [48].
...
К сожалению, пассивное демпфирование колебаний ограничено лишь определенными эксплуатационными режимами. Поэтому значительно больший интерес представляют интеллектуальные структуры с актив­ным контролем колебаний, имеющие намного более высокую эффек­тивность демпфирования, а как следствие, и более широкую область применения.
...
ким сигналом системы управления, действующей на основании показа­ний датчиков. Этот класс изделий включает в себя и «интеллектуальные механизмы», к которым относятся, например, летательные аппараты с изменяемой геометрией крыла [45]. В этих «механизмах» активаторы из материалов с памятью формы изменяют геометрическую форму «гиб­ких» структур подобно действию человеческих мускул. Действие сило­вого преобразователя из СЭП состоит в постепенном изменении разме­ров в процессе нагрева вследствие фазового перехода.
...
СЭП часто используют для создания движения в более сложных си­стемах. Примером являются стропильные фермы, в которых активные элементы демпфируют резонасные колебания [46]. Главную проблему обычно представляют собой низкочастотные колебания, и включение в структуру балок узкополосных силовых преобразователей из СЭП ре­шает эту проблему. В активных стропильных балках СЭП находятся в состоянии частично стесненного восстановления и в действие приво­дятся электрическим сигналом.
...
Второй подход к использованию СЭП в интеллектуальных структу­рах отличается от обычных технологий более радикально. В этом случае силовые преобразователи из СЭП распределяют по объему или по по­верхности конструкции. Например, силовые преобразователи в виде проволоки из СЭП вводят в структуру композиционных материалов. Такие преобразователи эффективно демпфируют вибрацию и изменя­ют форму деталей из композиционных материалов. Кроме того, уже первые исследования выявили потенциал подобных активаторов для контроля степени поврежденности композита.
...
Ниже описана возможность изгиба балки путем включения в ее струк­туру силового преобразователя из СЭП. В этом случае изменение раз­меров активного элемента из сплава как бы управляет «формой» балки. Если силовые преобразователи размещены симметрично относительно нейтральной оси балки, они могут работать друг против друга, изгибая ее в нужном направлении. Были продемонстрированы также два допол­нительных способа управления формой, не связанные с деформацией преобразователей. Они были названы методами активного изменения свойств (АИС) и активного изменения упругой энергии (АИУЭ).
...
В методе АИС изменяется не форма, а жесткость при нагревании до температуры перехода. Например, переход от мартенситной к родитель­ской фазе приводит к увеличению эффективной жесткости СЭП более чем на 200%. Такие изменения могут влиять на жесткость контролиру­емой конструкции и, как следствие, на величину изгиба под нагрузкой. Моделирование показало, что с помощью СЭП прогиб балки из квази-изотронного углепластика может быть уменьшен на 6%, хотя объемная доля сплава для этого должна быть весьма высокой (-50%). Для получе­ния максимального эффекта активатор в этом случае должен быть пра­вильно ориентирован.
...
В случае АИУЭ в композите появляются микродеформации, однако изменения формы не происходит, так как небольшие преобразователи распределены макрооднородно по объему композита. Это приводит к появлению внутренних напряжений. Моделирование продемонстриро­вало, что таким способом может быть уменьшен прогиб опертой балки, причем при этом требуется гораздо меньшая объемная доля СЭП, чем в случае АИС. Например, в квазиизотропной пластине из углепластика прогиб может быть уменьшен примерно на 80% при использовании только 10 об.% материала с памятью формы. Величина прогиба зависит также и от восстанавливающей силы в активном материале.
...
Ниже описана возможность изгиба балки путем включения в ее струк­туру силового преобразователя из СЭП. В этом случае изменение раз­меров активного элемента из сплава как бы управляет «формой» балки. Если силовые преобразователи размещены симметрично относительно нейтральной оси балки, они могут работать друг против друга, изгибая ее в нужном направлении. Были продемонстрированы также два допол­нительных способа управления формой, не связанные с деформацией преобразователей. Они были названы методами активного изменения свойств (АИС) и активного изменения упругой энергии (АИУЭ).
...
В методе АИС изменяется не форма, а жесткость при нагревании до температуры перехода. Например, переход от мартенситной к родитель­ской фазе приводит к увеличению эффективной жесткости СЭП более чем на 200%. Такие изменения могут влиять на жесткость контролиру­емой конструкции и, как следствие, на величину изгиба под нагрузкой. Моделирование показало, что с помощью СЭП прогиб балки из квази-изотронного углепластика может быть уменьшен на 6%, хотя объемная доля сплава для этого должна быть весьма высокой (-50%). Для получе­ния максимального эффекта активатор в этом случае должен быть пра­вильно ориентирован.
...
В случае АИУЭ в композите появляются микродеформации, однако изменения формы не происходит, так как небольшие преобразователи распределены макрооднородно по объему композита. Это приводит к появлению внутренних напряжений. Моделирование продемонстриро­вало, что таким способом может быть уменьшен прогиб опертой балки, причем при этом требуется гораздо меньшая объемная доля СЭП, чем в случае АИС. Например, в квазиизотропной пластине из углепластика прогиб может быть уменьшен примерно на 80% при использовании только 10 об.% материала с памятью формы. Величина прогиба зависит также и от восстанавливающей силы в активном материале.
...
Пример активного управления формой иллюстрируется рис. 5.9. Управление используется для изменения угла атаки крыла из стекло­пластика. Введение лишь двух силовых преобразователей из СЭП в вер­хнюю плоскость крыла (под углом 45° к главной оси) позволяет активно регулировать угол атаки в реальном масштабе времени.
...
Эти примеры иллюстрируют не только различные принципы приве­дения в движение, но и возможности размещения преобразователей в композите.
...
Еще одной областью применения сплавов с памятью формы в интел­лектуальных композитах является контроль вибрации. Основной упор при разработке интеллектуальных композитов делался на использова­нии пьезоэлектрических широкополосных преобразователей с низким уровнем деформации. Однако имеется потребность и в узкополосных силовых преобразователях с высоким уровнем деформации (для управ­ления низкочастотными колебаниями). Управление вибрацией в ин­теллектуальных структурах требует измерения амплитуды вибрации и создания противодействующей силы с помощью системы контроля. С этой целью успешно использовали СЭП и соответствующую программу управления. Эта технология хорошо отработана и применяется сейчас уже достаточно широко. Однако имеются и другие возможности ис­пользования СЭП в композиционных материалах.
...
Обычные системы управления позволяют создать обратную связь тензодатчиков и пьезоэлектрических преобразователей, но не могут со­здать адаптивные материалы. Это можно сделать, вводя в структуру ком­позиционного материала СЭП, например если резонансные частоты ко­лебаний можно регулировать посредством изменения некоторого внешнего параметра. Принцип действия состоит не в реагировании на деформацию (чтобы подавить вибрацию), как в случае пьезоэлектри­ческих преобразователей, а в изменении свойств композиционного ма­териала и смещении резонансной частоты за пределы возбуждающих частот. Было показано, что эффективную жесткость при изгибе можно изменить при помощи методов АИС и АИУЭ, причем для управления резонансной частотой можно использовать оба метода. АИС позволяет сдвигать наиболее низкие резонансные частоты колебаний углепласти-ковой пластины. Резонансная частота зависит от способа активации, ориентации активного материала и его объемной доли. Композиты с введенными в них СЭП при использовании АИС изменяют не только частоту резонанса, но и тип колебаний.
...
Неудивительно, что и АИУЭ может управлять частотой резонанса и типом колебаний. Сообщалось об изменении моды колебаний и уд­воении первой собственной частоты колебаний за счет введения лишь 10 об.% СЭП в квазиизотропную углепластиковую пластину.
...
Пример активного управления формой иллюстрируется рис. 5.9. Управление используется для изменения угла атаки крыла из стекло­пластика. Введение лишь двух силовых преобразователей из СЭП в вер­хнюю плоскость крыла (под углом 45° к главной оси) позволяет активно регулировать угол атаки в реальном масштабе времени.
...
Эти примеры иллюстрируют не только различные принципы приве­дения в движение, но и возможности размещения преобразователей в композите.
...
Еще одной областью применения сплавов с памятью формы в интел­лектуальных композитах является контроль вибрации. Основной упор при разработке интеллектуальных композитов делался на использова­нии пьезоэлектрических широкополосных преобразователей с низким уровнем деформации. Однако имеется потребность и в узкополосных силовых преобразователях с высоким уровнем деформации (для управ­ления низкочастотными колебаниями). Управление вибрацией в ин­теллектуальных структурах требует измерения амплитуды вибрации и создания противодействующей силы с помощью системы контроля. С этой целью успешно использовали СЭП и соответствующую программу управления. Эта технология хорошо отработана и применяется сейчас уже достаточно широко. Однако имеются и другие возможности ис­пользования СЭП в композиционных материалах.
...
АИС и АИУЭ приводят к появлению напряжений в плоскости компо­зиционной структуры, которые изменяют не только их жесткость при изгибе и вызывают сдвиг резонансных частот, но и условия потери ус­тойчивости пластины при сжатии. Например, введение АИС в компо­зит [49] увеличивает сжимающую нагрузку при потере устойчивости благодаря более высокому модулю упругости NiTi по сравнению с ис­ходным композитом. Моделирование АИУЭ продемонстрировало на­личие широких возможностей управления, зависящих от ориентации внедренных активных элементов относительно направления приложен­ной силы.
...
Рассматривалась также потеря устойчивости структур, используемых в космической технике. В частности, методом конечных элементов ис­следовали потерю устойчивости пластин и Т-образных панелей. Введе­ние NiTi-преобразователей обеспечивает увеличение нагрузки при по­тере устойчивости [50]. При высоких деформациях мартенситного перехода критическая нагрузка возрастает на 12% для Т-образных пане­лей и на 4% для плоских пластин. Если в пластину вводится множество активных элементов, напряжение при потере устойчивости может быть увеличено еще больше.
...
Помимо управления формой, вибрацией и напряжением потери устой­чивости, АИС и АИУЭ могут изменять характер излучаемого акусти­ческого шума [49, 43]. Композиты, армированные проволокой из СЭП, могут изменять акустическую прозрачность, затухание и направленность излучаемого и проходящего звука. Процессы управления в этом случае состоят в сдвиге минимальной частоты в спектре потерь, а также в из­менении затухания различных гармоник. Это весьма перспективно для управления величиной излучаемой звуковой энергией и «регулировки» акустических характеристик панели.
...
Еще одним направлением использования СЭП является активный конт­роль степени поврежденности. Для обнаружения трещин и других де­фектов используют датчики, а функция СЭП состоит в снижении степе­ни их опасности. Для решения этой задачи используют два подхода. В первом нагреванием активируют введенные в структуру композиционно­го материала проволоки из СЭП. В результате нагрева они сокращаются и изменяется поле внутренних напряжений. Теоретический анализ пока­зал, что в этих условиях восстанавливающая сила действует как сосредо­точенная сила на свободной кромке композита [52, 53]. Для снижения концентрации напряжения в вершине трещины данный подход не очень
...
АИС и АИУЭ приводят к появлению напряжений в плоскости компо­зиционной структуры, которые изменяют не только их жесткость при изгибе и вызывают сдвиг резонансных частот, но и условия потери ус­тойчивости пластины при сжатии. Например, введение АИС в компо­зит [49] увеличивает сжимающую нагрузку при потере устойчивости благодаря более высокому модулю упругости NiTi по сравнению с ис­ходным композитом. Моделирование АИУЭ продемонстрировало на­личие широких возможностей управления, зависящих от ориентации внедренных активных элементов относительно направления приложен­ной силы.
...
Рассматривалась также потеря устойчивости структур, используемых в космической технике. В частности, методом конечных элементов ис­следовали потерю устойчивости пластин и Т-образных панелей. Введе­ние NiTi-преобразователей обеспечивает увеличение нагрузки при по­тере устойчивости [50]. При высоких деформациях мартенситного перехода критическая нагрузка возрастает на 12% для Т-образных пане­лей и на 4% для плоских пластин. Если в пластину вводится множество активных элементов, напряжение при потере устойчивости может быть увеличено еще больше.
...
эффективен из-за малости возникающих внутренних напряжений [54], если только проволоки не соединяют противоположные плоскости тре­щины. В последнем случае проволоки несут растягивающую нагрузку, уменьшая интенсивность напряжения в кончике трещины.
...
Второй подход также связан с введением в композит проволоки из СЭП. При постепенном приближении кончика трещины к проволоке начинается ее пластическое течение. Когда проволоки активируют, они восстанавливают свою длину и напряжение в композите снижается. Этот подход основан на большой величине деформации матрицы около про­волоки, что инициирует ее пластическое течение, а эффект односто­ронней памяти используют для восстановления формы. Согласно рабо­те [55] этот механизм должен быть более эффективным для композитов на основе высокодеформативных термопластичных матриц по сравне­нию с хрупкими термореактивными матрицами.
...
В этой главе обсуждалось использование сплавов с памятью формы в интеллектуальных конструкциях. Некоторые свойства СЭП обеспечи­вают возможность их инновационного применения. Однако для успеш­ного использования СЭП нужно учитывать как их технологические свой­ства, так и рыночные возможности. Основной интерес к СЭП связан с использованием двух проявлений эффекта памяти. В медицинском сек­торе основные применения и патенты связаны с суперэластичностью, а в интеллектуальных структурах — с возможностью многократного изме­нения формы активных приводящих элементов.
...
Производители медицинского оборудования и разработчики интел­лектуальных структур нуждаются в более высоких эксплуатационных характеристиках материалов. Достижения в этих областях уже обусло­вили интенсивные исследования, направленные на разработку СЭП, которые, вероятно, усилятся еще больше с ростом потребности в ин­теллектуальных технологиях.
...
Пьезоэлектрический эффект известен уже более столетия. В 1880 году Жак и Пьер Кюри сделали сообщение в Академии наук Франции о новом открытии: при сжатии кристалла с полярной осью (несим­метричного относительно изменения направления) они наблюдали проявление электрического заряда на его поверхностях. В таких кри­сталлах ранее уже наблюдался пироэлектрический эффект, состоя­щий в появлении поверхностного электрического заряда при нагре­вании кристалла. Братья Кюри поняли, что причина эффекта та же: изменение температуры приводит к изменению размера, которое в конечном счете оказывается ответственным за появление электри­ческих зарядов.
...
Пьезоэлектрический эффект может наблюдаться в кристаллах, не имеющих центра симметрии. Если элементарная ячейка кристалли­ческой решетки такова, что «центр тяжести» положительных ионов не совпадает с центром тяжести отрицательных зарядов, то создает­ся постоянный «диполь», и ячейка становится электрически асим­метричной, как показано на рис. 6.1. Пьезоэлектрический эффект может наблюдаться и при отсутствии исходного диполя решетки, поскольку диполь может появиться вследствие поляризации под дей­ствием внешнего электрического поля или механической нагрузки. Так ведут себя кристаллы кварца. Макроскопическая поляризация появляется, если диполи ориентированы преимущественно в одном направлении. Внешняя механическая нагрузка изменяет поляриза­цию диполей, и на поверхности кристалла появляются электричес­кие заряды. Это называют прямым пьезоэлектрическим эффектом (рис. 6.2, а).
...
Пьезоэлектрический эффект известен уже более столетия. В 1880 году Жак и Пьер Кюри сделали сообщение в Академии наук Франции о новом открытии: при сжатии кристалла с полярной осью (несим­метричного относительно изменения направления) они наблюдали проявление электрического заряда на его поверхностях. В таких кри­сталлах ранее уже наблюдался пироэлектрический эффект, состоя­щий в появлении поверхностного электрического заряда при нагре­вании кристалла. Братья Кюри поняли, что причина эффекта та же: изменение температуры приводит к изменению размера, которое в конечном счете оказывается ответственным за появление электри­ческих зарядов.
...
Рис. 6.1. В элементарной ячейке некоторых кристаллов «центры» поло­жительных и отрицательных зарядов не совпадают, в результате чего образуется электрический диполь.
...
Пьезоэлектрический эффект наблюдается во многих природных материалах - кварце, турмалине, сульфате лития и тартрате калия. В этих кристаллах пьезоэлектрический эффект, однако, проявляется не слишком сильно.
...
Важным классом пьезоэлектриков являются сегнетоэлектрики, эле­ментарная ячейка которых представляет собой электрический диполь, который при некоторых обстоятельствах может быть «включен» или переориентирован. При высоких температурах эти кристаллы имеют высокую симметрию, но при температуре Кюри в них происходит изменение кристаллической структуры. Низкотемпературная крис­таллическая структура (соответствующая сегнетоэлектрическому со­стоянию) имеет симметрию, которая является подгруппой высоко­температурной структуры (соответствующей параэлектрическому состоянию). Стоит отметить, что этот переход аналогичен измене­нию магнитных свойств от ферромагнитных к парамагнитным.
...
Рис. 6.1. В элементарной ячейке некоторых кристаллов «центры» поло­жительных и отрицательных зарядов не совпадают, в результате чего образуется электрический диполь.
...
Пьезоэлектрический эффект наблюдается во многих природных материалах - кварце, турмалине, сульфате лития и тартрате калия. В этих кристаллах пьезоэлектрический эффект, однако, проявляется не слишком сильно.
...
Важным классом пьезоэлектриков являются сегнетоэлектрики, эле­ментарная ячейка которых представляет собой электрический диполь, который при некоторых обстоятельствах может быть «включен» или переориентирован. При высоких температурах эти кристаллы имеют высокую симметрию, но при температуре Кюри в них происходит изменение кристаллической структуры. Низкотемпературная крис­таллическая структура (соответствующая сегнетоэлектрическому со­стоянию) имеет симметрию, которая является подгруппой высоко­температурной структуры (соответствующей параэлектрическому состоянию). Стоит отметить, что этот переход аналогичен измене­нию магнитных свойств от ферромагнитных к парамагнитным.
...
Примером сегаетоэлектрика, сыгравшего важную роль в изучении этого явления, является титанат бария (BaTi03). Этот кристалл имеет структуру перовскита. При высоких температурах он имеет симметричную куби­ческую структуру. Атомы кислорода находятся в вершинах пирамиды, в центре которой находится атом Ti, как показано на рис. 6.3, а. Когда температура снижается до 120°С (температуры Кюри), симметрия крис­талла понижается и решетка становится тетрагональной. В результате перехода элементарная ячейка становится вытянутой вдоль одной из осей, и положительно и отрицательно заряженные ионы смещаются в противоположных направлениях. Наиболее значительно перемещается атом титана, который приближается к одному из атомов кислорода в направлении растяжения (рис. 6.3, Ь).
...
Сегнетоэлектрический переход наблюдается и в других материалах. Важной особенностью сегнетоэлектрического состояния является ори­ентация в одном направлении электрических диполей в некоторой мик­роскопической области кристалла, называемой доменом. Домены ориен­тированы в различных направлениях. Поэтому, хотя в каждом домене диполи ориентированы в одном направлении, на макроскопическом уров­не кристалл изотропен. Приложение внешнего электрического поля во время охлаждения ориентирует диполи в одном направлении (этот про­цесс называют поляризацией). Как следствие, кристалл в целом стано­вится пьезоэлектрически активным. Хотя кристалл имеет внутреннюю поляризацию, в условиях равновесия она отсутствует, поскольку поверх­ностные электрические заряды компенсируются ионами противополож­ного знака, поступающими из воздуха или самого кристалла. Как след­ствие, внутренние диполи гасятся. Приложение внешнего механического напряжения изменяет поляризацию до достижения нового равновесного состояния (за счет диффузии внутренних или адсорбции внешних заря­дов). Как следствие, на поверхности появляется электрический заряд, что является прямым пьезоэлектрическим эффектом.
...
Рис. 6.3. Кристаллическая структура BaTi03 выше (а) и ниже (Ь) темпера­туры Кюри. Кубическая элементарная ячейка удлиняется и ста­новится тетрагональной.
...
Примером сегаетоэлектрика, сыгравшего важную роль в изучении этого явления, является титанат бария (BaTi03). Этот кристалл имеет структуру перовскита. При высоких температурах он имеет симметричную куби­ческую структуру. Атомы кислорода находятся в вершинах пирамиды, в центре которой находится атом Ti, как показано на рис. 6.3, а. Когда температура снижается до 120°С (температуры Кюри), симметрия крис­талла понижается и решетка становится тетрагональной. В результате перехода элементарная ячейка становится вытянутой вдоль одной из осей, и положительно и отрицательно заряженные ионы смещаются в противоположных направлениях. Наиболее значительно перемещается атом титана, который приближается к одному из атомов кислорода в направлении растяжения (рис. 6.3, Ь).
...
Сегнетоэлектрический переход наблюдается и в других материалах. Важной особенностью сегнетоэлектрического состояния является ори­ентация в одном направлении электрических диполей в некоторой мик­роскопической области кристалла, называемой доменом. Домены ориен­тированы в различных направлениях. Поэтому, хотя в каждом домене диполи ориентированы в одном направлении, на макроскопическом уров­не кристалл изотропен. Приложение внешнего электрического поля во время охлаждения ориентирует диполи в одном направлении (этот про­цесс называют поляризацией). Как следствие, кристалл в целом стано­вится пьезоэлектрически активным. Хотя кристалл имеет внутреннюю поляризацию, в условиях равновесия она отсутствует, поскольку поверх­ностные электрические заряды компенсируются ионами противополож­ного знака, поступающими из воздуха или самого кристалла. Как след­ствие, внутренние диполи гасятся. Приложение внешнего механического напряжения изменяет поляризацию до достижения нового равновесного состояния (за счет диффузии внутренних или адсорбции внешних заря­дов). Как следствие, на поверхности появляется электрический заряд, что является прямым пьезоэлектрическим эффектом.
...
Рис. 6.3. Кристаллическая структура BaTi03 выше (а) и ниже (Ь) темпера­туры Кюри. Кубическая элементарная ячейка удлиняется и ста­новится тетрагональной.
...
Уникальность пьезоэлектриков состоит в сильной связи их механичес­ких и электрических характеристик. Вследствие этого механическое поведение пьезоэлектрика тесно связано с электрическими параметра­ми внешней цепи. Например, когда на пьезоэлектрик действует сжима­ющая сила, на поверхности появляются электрические заряды вслед­ствие прямого пьезоэлектрического эффекта. Наведенные заряды приводят к появлению деформации вследствие обратного пьезоэлект­рического эффекта. Как следствие, увеличивается модуль упругости материала за счет вклада электрических зарядов. С другой стороны, если на поверхность образца нанести электроды и замкнуть их, заряды ком­пенсируют друг друга, и жесткость материала будет ниже, определяясь лишь механическими эффектами. Как будет показано в следующем па­раграфе, это можно проверить экспериментально, определив собствен­ную частоту колебаний пьезоэлектрического кристалла в разомкнутом и закороченном состояниях.
...
Братья Кюри исследовали естественные кристаллы типа турмалина, то­паза, диоксида кремния и сегнетовой соли, причем в двух последних пьезоэлектрический эффект является достаточно сильным. Еще сильнее эффект проявляется в искусственных кристаллах. Особенно силен он в семействе перовскита: титанате бария (ВаТЮ3), титанате свинца (PbTi03) и особенно титанате циркониевокислого свинца Pb(Zr,Ti)03 и титанате цирконата лантана. Аналогичную кристаллическую структуру имеет так­же ниобат лития (LiNb03) и танталат лития (LiTa03).
...
Вырастить большие монокристаллы сегнетоэлектрического материа­ла достаточно трудно, и поэтому их используют в виде керамики. Кера­мики представляют собой агрегаты микрокристаллов {зерен) размером от нескольких нанометров до микрона. Обычно их получают обжигом уп­лотненного порошка тонко размолотых компонентов. Этот процесс на­зывается спеканием. Так как зерна имеют случайную ориентацию, для придания керамике пьезоэлектрических свойств ее нужно поляризовать.
...
Поскольку спекание происходит при очень высоких температурах, при охлаждении до температуры Кюри образующиеся диполи не имеют преимущественной ориентации. Как следствие, керамика не проявляет пьезоэлектрического эффекта. Таким образом, сегнетоэлектрики нуж­но поляризовать. Этого достигают воздействием сильного электричес­кого поля, ориентирующего диполи в нужном направлении. Идеальной ориентации диполей достичь невозможно, так как они могут быть ори­ентированы лишь в некоторых специфических направлениях относи­тельно направления ориентации зерен, которая фиксируется в процес-
...
се спекания. Тем не менее можно добиться уровня поляризации 80% и даже немного выше. Полученные таким способом пьезокерамики ис­пользуют в электромеханических преобразователях. При этом керамике можно придать нужную форму.
...
Пьезоэлектриками являются не только неорганические вещества, но и полимеры, в том числе и природные типа шерсти и шелка. Сильные пьезоэлектрические свойства имеют лишь полярные вещества, молеку­лы которых имеют диполи. Примером служит искусственно синтезиро­ванный полимер поливинилидендифторид (ПВДФ), дипольный момент мономерного звена которого, -CF2-CH2-, превышает дипольный мо­мент диоксида кремния (кварца). Хотя он менее активен, чем керами­ческие перовскиты, и действующая сила относительно невелика, его преимуществом является низкий удельный вес и легкость формования изделий различной формы. Для получения максимального пьезоэффекта ПВДФ ориентируют методом экструзии и последующей вытяжкой. Из-за низкого значения показателя диэлектрической проницаемости пье-зоконстанта g
...
Пьезоэлектрические свойства характеризуют при помощи набора пьезоконстант, описывающих связь величины приложенного элект­рического поля и возникающую механическую деформацию. Удли­нение материала в некотором направлении вызывает сокращение его поперечных размеров. Аналогично, в пьезоэлектриках электрическое поле может вызвать появление не только растягивающей, но и сдви­говой деформации. По этой причине мы должны определить набор значений пьезоконстант d,
...
се спекания. Тем не менее можно добиться уровня поляризации 80% и даже немного выше. Полученные таким способом пьезокерамики ис­пользуют в электромеханических преобразователях. При этом керамике можно придать нужную форму.
...
Пьезоэлектриками являются не только неорганические вещества, но и полимеры, в том числе и природные типа шерсти и шелка. Сильные пьезоэлектрические свойства имеют лишь полярные вещества, молеку­лы которых имеют диполи. Примером служит искусственно синтезиро­ванный полимер поливинилидендифторид (ПВДФ), дипольный момент мономерного звена которого, -CF2-CH2-, превышает дипольный мо­мент диоксида кремния (кварца). Хотя он менее активен, чем керами­ческие перовскиты, и действующая сила относительно невелика, его преимуществом является низкий удельный вес и легкость формования изделий различной формы. Для получения максимального пьезоэффекта ПВДФ ориентируют методом экструзии и последующей вытяжкой. Из-за низкого значения показателя диэлектрической проницаемости пье-зоконстанта g
...
личных направлениях. В общем случае материал характеризуется 18 независимыми пьезоэлектрическими константами. Однако вследствие симметрии одни из них равны нулю, а другие эквивалентны, что зна­чительно уменьшает число независимых констант. Например, из-за симметрии d32
...
Введем систему координат, как показано на рис. 6.4. Пусть пьезо-керамический материал поляризуется вдоль оси 3. Для описания пол­ного набора пьезоконстант обычно используют нижние индексы. На­пример, константа J33 связывает электрическое поле в направлении 3 с величиной создаваемой в этом же направлении деформации. Кон­станта d3]
...
Как описано выше, прямой пьезоэлектрический эффект состоит в по­явлении электрических зарядов под действием механической нагрузки. Величина этих зарядов пропорциональна прилагаемой силе, что может быть использовано для измерения ее величины.
...
Рис. 6.5. Прямой пьезоэлектрический эффект используют для измерения величины ускорения На фотографии показан пьезоэлектричес­кий элемент, смонтированный на одной интегральной схеме вместе с электронным устройством обработки сигнала [12]
...
Благодаря своей высокой резонансной частоте датчики силы, ос­нованные на пьезоэффекте, имеют очень малое время реагирования и очень хороши для измерения быстро меняющихся сил С другой сто­роны, они плохо работают на низких частотах из-за электропроводно­сти Одно из основных применений таких датчиков — акселерометры, в которых измерение силы позволяет определить ускорение тела изве­стной массы Производство пьезоэлектрических акселерометров раз­вито настолько хорошо, что они имеют вид миниатюрной интеграль­ной схемы, содержащей датчик и электронное устройство обработки сигнала (рис 6 5)
...
Прямой пьезоэлектрический эффект в высокотехнологичных изде­лиях применяется менее широко Разность потенциала, возникающего в пьезоэлектрике при деформации, достигает нескольких тысяч вольт Это используется для зажигания горючего при помощи маломощной искры
...
Важной областью совместного применения прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта являются пьезоэлектрические трансфор­маторы Идея, предложенная Розеном в 1950-х годах, заключается в том, чтобы возбудить пьезоэлектрик электрическим сигналом в одной точке, а принять его в другой точке, механически связанной с первой [13] Такие устройства работают очень эффективно в резонансном ре­жиме и широко используются, например, для питания подсветки пор­тативных компьютеров
...
Рис. 6.5. Прямой пьезоэлектрический эффект используют для измерения величины ускорения На фотографии показан пьезоэлектричес­кий элемент, смонтированный на одной интегральной схеме вместе с электронным устройством обработки сигнала [12]
...
Благодаря своей высокой резонансной частоте датчики силы, ос­нованные на пьезоэффекте, имеют очень малое время реагирования и очень хороши для измерения быстро меняющихся сил С другой сто­роны, они плохо работают на низких частотах из-за электропроводно­сти Одно из основных применений таких датчиков — акселерометры, в которых измерение силы позволяет определить ускорение тела изве­стной массы Производство пьезоэлектрических акселерометров раз­вито настолько хорошо, что они имеют вид миниатюрной интеграль­ной схемы, содержащей датчик и электронное устройство обработки сигнала (рис 6 5)
...
Прямой пьезоэлектрический эффект в высокотехнологичных изде­лиях применяется менее широко Разность потенциала, возникающего в пьезоэлектрике при деформации, достигает нескольких тысяч вольт Это используется для зажигания горючего при помощи маломощной искры
...
Важной областью совместного применения прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта являются пьезоэлектрические трансфор­маторы Идея, предложенная Розеном в 1950-х годах, заключается в том, чтобы возбудить пьезоэлектрик электрическим сигналом в одной точке, а принять его в другой точке, механически связанной с первой [13] Такие устройства работают очень эффективно в резонансном ре­жиме и широко используются, например, для питания подсветки пор­тативных компьютеров
...
6 2 Использование прямого пьезоэлектрического эффекта
...
Рис. 6.6. Промышленно производимые пьезоэлектрические силовые пре­образователи: (A-D) - многослойные; (E-G) - двуслойные; (Н) - однослойный.
...
ние является прямым, в отличие от соленоидов и магнитострикци-онных преобразователей, в которых электрическая энергия сначала преобразуется в энергию магнитного поля, а в случае сплавов с па­мятью формы - в тепловую энергию. Это обеспечивает преимуще­ства таких преобразователей, как, например, низкий уровень элект­ромагнитных помех и высокая плотность энергии.
...
Ниже пойдет речь идет об использовании пьезоэлектриков в каче­стве источника механического движения и будут описаны некоторые схемы таких пьезопреобразователей.
...
По принципу действия двуслойный пьезопреобразователь напоминает биметаллическую пластину. В обоих случаях изгибающий момент воз­никает вследствие различного сокращения или удлинения двух соеди­ненных вместе пластин. Если биметаллическая пластина изгибается за счет разности коэффициентов теплового расширения, то в двуслой­ных пьезопреобразователях — разности поперечных пьезоэлектричес­ких коэффициентов </31, связывающих величину электрического поля с деформацией в перпендикулярном направлении. Прикладывая по­стоянное электрическое поле к двум соединенным друг с другом пла­стинам с различными знаками поляризации, в одной из них вызыва­ется сокращение, а в другой - удлинение и, как следствие, изгиб всей системы.
...
Рис. 6.6. Промышленно производимые пьезоэлектрические силовые пре­образователи: (A-D) - многослойные; (E-G) - двуслойные; (Н) - однослойный.
...
ние является прямым, в отличие от соленоидов и магнитострикци-онных преобразователей, в которых электрическая энергия сначала преобразуется в энергию магнитного поля, а в случае сплавов с па­мятью формы - в тепловую энергию. Это обеспечивает преимуще­ства таких преобразователей, как, например, низкий уровень элект­ромагнитных помех и высокая плотность энергии.
...
Ниже пойдет речь идет об использовании пьезоэлектриков в каче­стве источника механического движения и будут описаны некоторые схемы таких пьезопреобразователей.
...




    Наплавка и напыление
    Термическая обработка сплавов: Справочник
    Цветные металлы и сплавы: Справочник
    Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение
    Индукционная наплавка твердых сплавов
    Ультразвуковая дефектоскопия: Справ. пособие
    Процессы цементации в цветной металлургии

    rss
    Карта