Інтелектуальні сплави з особливими магнітними і електричними властивостями

До такого типу відносять матеріали з великими магнітострикційними, електрострикційних, п'єзоелектричні властивості. "Інтелект" цих матеріалів проявляється в тому, що зміна зовнішніх умов (магнітного або електричного напруги) викликає зміна їх розмірів, тобто виконується робота. І навпаки, при додатку напруги виникає електричне або магнітне поле. При цьому мається жорстка кореляція між величиною сигналу на вході і реакцією на виході.

П'єзоелектрики . П'єзоелектричний ефект виникає в диполі, тобто в кристалах, в яких центри позитивних і негативних зарядів нс збігаються (рис. 14.12). Асиметрія створюється позитивним іоном "В", розташованим поза центром. Розрізняють прямий і зворотний пьезоеффекти.

Прямий п'єзоелектричний ефект полягає в появі різнойменних електричних зарядів на поверхні кристала при додатку до нього механічного навантаження (рис. 14.13, а). Зворотний п'єзоелектричний ефект полягає в зміні розмірів кристала (його деформації) під дією електричного поля (рис. 14.13, б).

Слабкий п'єзоелектричний ефект спостерігається в багатьох природних матеріалах - кварці, турмалін,

схема диполя

Мал. 14.12. схема диполя

сульфате літію та ін. Важливим класом пьезоелектріков з сильним п'єзоелектричним ефектом є сегнетоелектрики - кристалічні речовини, що володіють при певних температурах спонтанної (мимовільної) поляризацією (ефект був виявлений в сегнетової солі, звідси назва - сегнетоелектрики).

У промисловості використовують сегнетоелектрік - титанат барію (ВаТiO3). При високих температурах він має симетричну кубічну структуру (тобто кристал не є диполем): атоми барію розташовані в кутах куба, атоми кисню - в центрах граней, атом титану - в центрі куба (рис. 14.14, а ) При температурі 120 ° С (точка Кюрі) відбувається поліморфний перетворення, решітка стає тетрагональной, атом титану наближається до одного з атомів кисню (рис. 14.14, б), в результаті чого мимовільно утворюється диполь, що володіє п'єзоелектричній активністю.

П'єзоелектричний ефект (схема)

Мал. 14.13. П'єзоелектричний ефект (схема):

а - прямий; б - зворотний

Поряд з монокристалами використовують п'єзокераміка, одержувану спеканием сегнетоелектриків. Після спікання і охолодження отримують кераміку з розміром зерен від декількох нанометрів до мікрометра, розташованих хаотично. Оскільки диполі орієнтовані, вони взаємно гасяться, тобто в такому стані матеріал не є п'єзоелектриком, хоча окремо кожне зерно - пєг- нетоелектрік. Для додання кераміці необхідних п'єзоелектричних властивостей її піддають впливу сильного електричного поля, яке орієнтує диполі.

У промисловості використовують і прямий, і зворотний п'єзоелектричний ефект. Прямий - в датчиках тиску, вібрацій, деформацій і т.д. Виникає ЕРС пропорційна навантаженні, що викликає появу ЕРС. Основні переваги датчиків - здатність сприймати коливання навантаження з частотою від десятків Гц до десятків МГц. Ці датчики в меншій мірі придатні для вимірювань стаціонарних (або повільно змінюються) параметрів, так як в таких умовах (при постійному навантаженні) починає змінюватися величина зарядів.

П'єзоперетворювачі на реактивних літаках дозволяють знизити витрату палива майже на 30% (не витрачається паливо на вироблення електроенергії), в результаті прямого п'єзоефекту в електроенергію перетворюються коливання і вібрація фюзеляжу і крил. Всім відома побутова запальничка для запалювання газу: від натискання на клавішу зусилля передається на п'єзоелементи, від чого відбувається іскроутворення між контактами, розташованими всередині П'єзозапальнички.

Використання зворотного п'єзоефекту (перетворення електричної енергії в механічну) дозволяє осу-

Кристалічна осередок BaTiO3

Мал. 14.14. Кристалічна осередок BaTiO 3 :

а - вище точки Кюрі; б - нижче точки Кюрі

вати переміщення на вельми малі величини - частки мікрометра і навіть нанометра, що неможливо реалізувати за допомогою механічних систем. Це досягається за рахунок високої чутливості п'єзоелементів. Залежність переміщення від напруженості поля лінійна: r = dE, де r - переміщення; E - напруженість нуля; d - п'єзоелектричний модуль. Для BaTiO3 d • 10 12 = 191 м / В, тобто напруга в 10 В викликає деформацію, рівну 191 • 10-11 м (~ 2 нм); можна подавати і менші напруги, отримуючи переміщення в частках нанометра. Це використовують в скануючому тунельному мікроскопі для переміщення зонда.

Магнітострикційні сплави. Магнітострикція це зміна розмірів кристалів (тел) під дією магнітного поля. Ефект найбільш помітно проявляється у магнитомягких матеріалів - ферромагнетиков і феримагнетиків (феритів) (див. 10.7.3).

При намагнічуванні розмір домена / змінюється в напрямку поля на величину Δ l. Відносне зміна розміру λ називається коефіцієнтом лінійної магнитострикции, тобто λ = Δ l / l.

Коефіцієнт лінійної магнитострикции може бути позитивним або негативним, тобто під дією магнітного поля можливо як збільшення, так і зменшення розмірів. Більш того, в залежності від напруженості магнітного поля і його напряму один і той же матеріал може мати або позитивний, або від'ємне значення коефіцієнта λ (рис. 14.15).

Ефект магнитострикции звернемо: механічна деформація тіла з магнитострикционного матеріалу викликає зміна його магнітних властивостей.

У техніці знайшли застосування магнітострикційні ферити. Їх основа - нікелеві ферити з малими добавками оксидів кобальту (CoO) - до 1,25%, міді (CuO) - до 0,15%, ванадію (V2O5) - до 0,5%.

Прямий і зворотний магнітострикційний ефекти лежать в основі великої кількості магнітострикційних приладів: реле, перетворювачів, манометрів і ін. Ці прилади мають високу чутливість.

Широке застосування знайшли магнітострикційні вібратори. При намагнічуванні в змінному магнітному полі розміри тіла (деталі) змінюються з частотою, рівній подвоєній частоті поля. Це дозволяє отримувати потужні ультразвукові коливання з частотою до декількох мегагерц. Такі вібратори застосовують для ультразвукової обробки (наприклад, очищення), в ехолота для вимірювання глибин водойм та ін.

Вплив напруженості магнітного поля на магнітострикційний ефект залізонікелевого сплаву (36% Ni, 64% Fe)

Мал. 14.15. Вплив напруженості магнітного поля на магнітострикційний ефект залізонікелевого сплаву (36% Ni, 64% Fe):

1 - в поздовжньому напрямку; 2 - в поперечному напрямку

Прямий магнітострикційний ефект, так само як п'єзоефект, може бути використаний для здійснення малих переміщень, які неможливо здійснити, використовуючи чисто механічні системи. Так, абсолютне подовження зразка довжиною 10 мм з залізонікелевого сплаву (64% Fe, 36% Ni) при напруженості поля - 80 000 А / м (- 1000 Е) складе 10 6 м, тобто 1 мкм, як це видно з рис. 14.15.

Зворотний магнітострикційний ефект використовують в тензометрії для визначення пружних деформацій і напружень зі зміни магнітних властивостей тензометрического датчика.

Тензометрія - це вимір деформацій елементів конструкцій, розрахунок напружень за допомогою тензодатчиків. "Інтелект" матеріалу тензодатчика проявляється в строгій залежності між деформацією і електричним опором матеріалу.

Принцип дії металевих тензодатчиков заснований на зміні електричного опору матеріалу провідника під дією деформації (тензоеффект). Принципово датчик являє собою тонкий металевий провідник (дріт діаметром 20 ... 50 мкм, фольга), жорстко закріплений на досліджуваній деталі. При деформації деталі деформується і датчик, змінюються його довжина і площа перетину, що призводить до зміни електричного опору датчика, фіксуючи яке, визначають деформації, розраховують напруги.

Опір металевих провідників в межах пружних деформацій пропорційно поздовжньої деформації. Це означає, що залежність між зміною електроопору δ ( R ) і подовженням датчика δ ( l ) лінійна: 8 (R) = К т δ ( l ), де Κ τ - коефіцієнт тензочутливості.

Найбільше значення До Т = 4,1 (тобто і найбільша чутливість) досягається для сплаву "пермаллой - вольфрам", для більшості металевих сплавів його значення не перевищують 2 ... 2,5.

Тензометричні вимірювання забезпечують високу чутливість (можливо вимір малих деформацій) і точність, їх використовують для вирішення найрізноманітніших наукових і виробничих завдань: як в будівельних конструкціях, так і в прецизионном металообробне обладнання. Наприклад, за допомогою тензометрії вирішуються питання вибору оптимальних технологій (старіння, термоудар і ін., Див. 7.3), що забезпечують стабільність в часі розмірів базових деталей верстатів - станин; без сталості їх розмірів неможливо забезпечити точність обладнання.

Термо електродний сплави. "Інтелект" цих сплавів грунтується на термоелектричному ефекті. Ефект проявляється у виникненні електрорушійної сили в замкнутому контурі з різнорідних провідників (сплавів), якщо місця контактів цих провідників (спаї) мають різну температуру. Виникає внаслідок різниці температур спаїв електрорушійну силу називають термоЕРС (ТЕДС), її величина практично прямо пропорційна різниці температур гарячого і холодного спаїв. Ефект використовується для визначення температури. Датчик температури - термопара - це два електроди (зазвичай у вигляді дроту) з різних матеріалів. Зварені (спаяні) кінці електродів утворюють так званий гарячий спай термопари. Два інші кінця (холодний спай) приєднуються до електровимірювальних приладів, утворюючи замкнуту ланцюг. При приміщенні гарячого спаю термопари в середу або при зіткненні з деталлю, температуру якої слід виміряти, в замкнутому ланцюзі виникає термоЕРС, величина якої вимірюється електровимірюваннях приладом. На рис. 14.16, а й 14.16, б представлені відповідно схема вимірювання і конструкція термопари. Термопари використовують і для періодичного вимірювання температури в ручному режимі, і в системах автоматичного регулювання температури.

Термопара: а - схема;  б - конструкція

Мал. 14.16. Термопара: а - схема; б - конструкція:

1 - гарячий спай; 2 - фарфоровий наконечник; 3 - електроди; 4 - ізоляційні намиста; 5 - чохол; 6 - головка; 7 - пластмасова панель; 8 - клеми; 9 - кришка

Основні вимоги до сплавів для термопар: велике значення термоЕРС в парі з іншими металами або сплавами; стабільність термоелектричних властивостей; стійкість проти окислення в інтервалі робочих температур. Найбільш повно відповідають цим вимогам нікелеві та мідно-нікелеві сплави: алюмель - НМцАК 2-2-1 (95% Ni, 2% Μn, 2% Al, 1% Si), хромель - HX9,5 (90% Ni, 10% сг), копель - МНМц 43-0,5 (56,5% Cu, 43% Ni, 0,5% Μη).

Термопари на основі пар цих матеріалів використовують для вимірювання температур: ХК (хромель - копель) - до 600 ° С, ХА (хромель - алюмель) - до 1000 ° С.

Для вимірювання більш високих температур (до 1600 ... ... 1800 °) застосовують термопари ПП (платина - платинородій).

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >