Технологии в электронной промышленности №3'2012

Прямоугольные электрические соединители. Электрические контактные пары на основе сплавов с эффектом памяти формы

Сафонов Александр

Сафонов Леонид


Применение материалов с эффектом памяти формы для изготовления пружинных элементов электрических контактов позволит создать «интеллектуальные контактные пары» с запрограммированным изменением контактного давления, в зависимости от состояния контактирующих поверхностей и величины передаваемой ими мощности. Такое техническое решение особенно актуально для субминиатюрных и микроминиатюрных контактных пар, а также электрических соединителей с высокой плотностью контактов, где размещение каких-либо устройств коррекции контактного усилия в процессе эксплуатации практически невозможно.

Введение

На протяжении всей своей истории люди изготавливали изделия и инструменты из имеющихся в природе материалов или из материалов, полученных с помощью простейших технологических операций. Однако по мере накопления знаний о свойствах материалов люди также научились создавать материалы с заданными характеристиками. В настоящее время изучаются и широко используются так называемые интеллектуальные материалы.

Общей особенностью всех интеллектуальных материалов является способность преобразовывать один вид энергии в другой. Пьезоэлектрические материалы могут преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот. Прочие интеллектуальные материалы преобразуют другие виды энергии. Основным фактором для практического применения интеллектуальных материалов является то, что этим преобразованием энергии можно управлять. Именно поэтому материалы, реагирующие на изменение окружающей среды контролируемым способом, и называют интеллектуальными.

С точки зрения практического применения наиболее интересны материалы, преобразующие механическую энергию в тепловую, электрическую, магнитную или химическую энергию и наоборот. Наряду с пьезоэлектрическими материалами, преобразующими механическую энергию в электрическую, к другим практически используемым интеллектуальным материалам относятся сплавы с памятью формы, реагирующие механически на приложенное тепло, магнитореологические и магнитострикционные материалы, свойства которых контролируются путем наложения магнитных полей, и материалы, набухающие при химической активации.

Из этого перечня интеллектуальных материалов особый интерес для использования в контактных парах представляют сплавы с эффектом памяти формы. Их применение для изготовления контактов с пружинящими элементами позволит создать контактные пары с запрограммированным изменением контактного давления. Это в свою очередь обеспечит оптимальное контактное давление при сочленении-расчленении контактной пары, а также в процессе работы в зависимости от состояния контактирующих поверхностей и величины передаваемой мощности.

Термически активируемые материалы (или материалы с эффектом памяти формы ЭПФ)

Рассмотрим более подробно материалы, реагирующие на приложенное тепло.

Материалы с эффектом памяти формы (ЭПФ) являются представителями класса так называемых интеллектуальных материалов будущего. Помимо обычных, например для металлов, механических свойств они обладают также функциональными свойствами.

К ним относятся:

  • Свойство датчика (сенсора): оно позволяет материалу реагировать на изменение окружающей среды.
  • Свойство процессора, то есть возможность оценить ситуацию и сделать определенные выводы.
  • Исполнительное свойство (актюатор), при котором материал совершает действие или подает сигналы.

Чтобы понять эффект памяти формы, рассмотрим его проявление на простом примере:

  1. Возьмем металлическую проволоку и изогнем ее.
  2. Нагреем изогнутую проволоку.
  3. В процессе нагрева проволока начнет распрямляться, восстанавливая свою первоначальную форму.

Почему это происходит?

В исходном состоянии в материале существует определенная структура. На рис. 1а она обозначена в виде квадратов. При деформации, в данном случае изгибе, внешние слои проволоки растягиваются, а внутренние сжимаются, при этом средние слои остаются без изменения (рис. 1б). Деформированные структуры — это мартенситные пластины, что не является необычным для металлических сплавов. Необычно то, что в материалах с памятью формы мартенсит является термоупругой фазой и претерпевает фазовые превращения.

Суть эффекта памяти формы

Рис. 1. Суть эффекта памяти формы: а) исходное состояние; б) деформированное состояние (изгиб); в) нагрев; г) восстановление исходного состояния

Уточним, что представляет собой мартенсит и какие мартенситные превращения происходят в сплавах, обладающих эффектом памяти формы.

Мартенсит — структура кристаллических твердых тел, возникающая в результате сдвигового бездиффузионного полиморфного превращения при охлаждении. Такие превращения обычно происходят в сплавах при высоких механических напряжениях, но при наличии эффекта памяти или суперэластичности превращения могут происходить и при низких напряжениях. При разгрузке мартенсит становится нестабильным и переходит в аустенит, с компенсацией всех макроскопических напряжений.

Мартенситное превращение — полиморфное, при нем изменение взаимного расположения составляющих кристалл атомов происходит путем их упорядоченного перемещения, причем относительные смещения соседних атомов малы по сравнению с межатомным расстоянием. Перестройка кристаллической решетки в микрообластях обычно сводится к деформации ее ячейки, и конечная фаза мартенситного превращения — однородно деформированная исходная фаза. Величина деформации в этом случае мала (~1–10%), и соответственно мал, по сравнению с энергией связи в кристалле, энергетический барьер, препятствующий однородному переходу исходной фазы в конечную. Необходимым условием мартенситного превращения, которое развивается путем образования и роста областей более стабильной фазы в метастабильной, является сохранение упорядоченного контакта между фазами. Существенную роль при мартенситном превращении играют внутренние напряжения, возникающие из-за упругого приспособления кристаллических решеток, сопрягающихся по границам фаз.

Стремление к минимуму упругой энергии напряжений определяет морфологию, внутреннюю структуру и взаимное расположение мартенситных кристаллов. Новая фаза образуется в форме тонких пластинок, определенным образом ориентированных относительно кристаллографических осей. Пластинки, как правило, не являются монокристаллами, а представляют собой пакеты плоскопараллельных доменов — областей новой фазы, различающихся ориентировкой кристаллической решетки (двойники).

Дальнейшее уменьшение упругих полей достигается образованием ансамблей из закономерно расположенных пластин. То есть в результате мартенситного превращения образуется поликристаллическая фаза со своеобразным иерархическим порядком (ансамбли – пластины – домены) в расположении структурных составляющих. Рост внутренних напряжений в процессе мартенситного превращения в определенных условиях приводит к установлению двухфазного термоупругого равновесия, которое обратимо смещается при изменении внешних условий: под действием механических нагрузок или повышении (снижении) температуры размеры отдельных кристаллов и их число меняются.

При нагревании деформированной проволоки начинает проявляться термоупругость мартенситных пластин: в них возникают внутренние напряжения, которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние, то есть сжать вытянутые пластины и растянуть сжатые.

В связи с тем, что вытянутые мартенситные пластины сжимаются, а сжатые растягиваются, материал в целом проводит автодеформацию в обратную сторону и восстанавливает свою исходную структуру, а вместе с ней и первоначальную форму.

Сплавы с эффектом памяти формы известны уже с 1930-х годов. Однако технологическое применение это свойство сплавов было определено почти 30 лет спустя. В 1958 году Уильям Дж. Бюлер, инженер-металлург Лаборатории вооружений ВМС США (Naval Ordnance Laboratory, NOL), проводил исследования различных сплавов и установил, что никелево-титановый сплав обладает наивысшей ударной прочностью и другими высокими характеристиками, такими как упругость, ковкость и усталостная прочность. Бюлер назвал его нитинолом (Nitinol), составив название этого сплава из частей слов «никель» (Ni) и «титан» (Тi) и аббревиатуры названия Лаборатории вооружений (NOL).

Первым проявлением необычного состава нитинола стало обнаружение исключительной температурной зависимости затухания акустических колебаний в этом сплаве, предполагающей температурно-зависимые изменения в его атомной структуре. Но последний шаг к открытию эффекта памяти формы был сделан, когда после нагрева зигзагообразная лента из нитинола вытянулась в длину, приняв первоначальное состояние.

Еще несколько лет ушло на то, чтобы понять механизм эффекта памяти формы. Одним из важных открытий стало то, что нитинол может существовать в виде двух различных температурно-зависимых фаз, благодаря превращениям между которыми возможен этот эффект. Для того чтобы «научить» образец нитинола «запоминать» свою первоначальную форму, он должен быть зафиксирован в этой исходной форме и подвергнут отжигу (нагреванию) при температуре 500 °С в течение часа. При отжиге образуется неупругая твердая высокотемпературная фаза сплава, называемая аустенитом. Последующая закалка (охлаждение) образца вызывает образование упругой, легче деформируемой низкотемпературной фазы — мартенсита. Когда «обученный» образец снова деформируют и нагревают, тепловое движение атомов заставляет их выстраиваться в аустенитную решетку, что приводит к восстановлению первоначальной формы образца (рис. 2).

Механизм эффекта памяти формы

Рис. 2. Механизм эффекта памяти формы

При охлаждении высокотемпературная аустенитная фаза с гранецентрированной кубической решеткой переходит в низкотемпературную мартенситную фазу. В результате напряжений, испытываемых в процессе охлаждения, мартенсит, полученный из аустенита, претерпевает так называемое двойникование — образование соседних слоев с зеркально симметричным расположением атомов. Деформация устраняет двойникование: как говорят, происходит раздвойникование. Раздвойникованный мартенсит имеет тетрагональную кристаллическую решетку. При нагревании деформированный раздвойникованный мартенсит снова переходит в аустенитную фазу.

Рассмотренный выше пример описывает так называемый односторонний эффект памяти формы, при котором материал запоминает только одну форму. Однако возможны реверсивные эффекты памяти формы, или, как их еще называют, двусторонние эффекты памяти формы, когда материал при одной температуре «вспоминает» одну форму, а при другой температуре — другую.

Эффект памяти формы может проявляться в течение нескольких миллионов циклов, его можно усиливать предварительной термообработкой.

В процессе проявления эффекта памяти формы участвуют мартенситные превращения двух видов: прямое и обратное. Соответственно, каждое из них проявляется в своем температурном интервале (рис. 3): Мн и Мк — начало и конец прямого мартенситного превращения при деформации; Ан и Ак — начало и конец обратного мартенситного превращения при нагреве.

Влияние изменения химического состава сплава

Рис. 3. Влияние изменения химического состава сплава на величину интервалов температур и смещение их на шкале температур

Эффект памяти формы имеет два основных критерия:

  • марку сплава со строго выдержанным химическим составом;
  • температуру мартенситных превращений.

Температура мартенситных превращений является функцией как марки сплава, так и его химического состава. Небольшие изменения химического состава ведут к значительному сдвигу этих значений температур. Рассмотрим влияние этих изменений на примере сплава никелида титана (TiNi), или нитинола.

Из анализа диаграмм (рис. 3) следует, что для однозначного функционального проявления эффекта памяти формы необходимо иметь сплав со строго определенным химическим составом. Разброс всего в 1% по содержанию никеля в сплаве приводит к смещению начала мартенситного превращения на 125 °С.

Нужно также отметить, что чем выше температура обратного мартенситного превращения, тем в меньшей степени выражен эффект памяти формы.

В ряду функциональных свойств памяти формы важное теоретическое и практическое значение принадлежит явлению так называемой деформации ориентированного превращения. Смысл этого наследственного свойства заключается в следующем. Если охлаждаемое под напряжением тело разгрузить в области температур реализации пластичности прямого мартенситного превращения и не прекращать понижения температуры, то далеко не всегда продолжающееся охлаждение не будет вызывать макроскопического деформирования. Наоборот, чаще всего деформация продолжает накапливаться, как будто материал почти не разгружали. В других случаях имеет место возврат при охлаждении. Такие свойства материала, первое из которых принято называть деформацией ориентированного превращения, а второе — аномальным возвратом деформации, связывают с подрастанием возникших под нагрузкой кристаллов мартенсита: при деформации ориентированного превращения, кристаллов «положительной» ориентации, а при аномальном возврате — «отрицательной» ориентации. Названные явления могут быть инициированы, в частности, ориентированными микронапряжениями.

К концу ХХ века эффект памяти формы был обнаружен более чем у 20 сплавов. Кроме никелида титана (TiNi), эффект памяти обнаружен в системах: Au-Cd; Сu-Zn-Al; Cu-Al-Ni; Fe-Mn-Si; Fe-Ni; Cu-Al; Cu-Mn; Co-Ni; Ni-Al и др.

Некоторые исследователи полагают, что эффект памяти формы принципиально возможен у любых материалов, претерпевающих мартенситные превращения, в том числе и у чистых металлов: титана, циркония, кобальта и пр.

В настоящее время работа по дальнейшему изучению эффекта памяти формы продолжается, рассматриваются возможности его проявления и у других сплавов с различным сочетанием компонентов.

Преимущества при использовании материалов с эффектом памяти формы

При проектировании и изготовлении «интеллектуальных» контактных пар на базе сплавов с эффектом памяти формы, в зависимости от их конструкции и условий работы, можно использовать сплавы, которые работают на изгиб, растяжение, сжатие и кручение. Необходимо учесть, что работа сплавов с эффектом памяти формы на растяжение и сжатие позволяет создавать достаточно большие усилия, при этом, однако, их перемещения будут относительно небольшими. Для создания в этом случае больших перемещений потребуется рабочий элемент большей длины либо дополнительный механизм трансформации перемещений. Сплавы, эффект памяти формы у которых проявляется при работе на изгиб, обеспечивают большие перемещения, а выбор необходимого поперечного сечения пружинного элемента позволяет получить требуемое усилие на рабочем элементе контакта.

Поскольку в данном случае организация создания усилий и перемещений реализуется на уровне кристаллической решетки металла, то мы имеем дело с конструкцией электрического контакта принципиально нового типа, которая имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционной.

Контактная пара (рис. 4), изготовленная на базе сплавов с эффектом памяти формы:

  • имеет больший ресурс работы;
  • не требует дополнительных устройств корректировки контактного давления в процессе работы;
  • более эффективна, по сравнению с традиционной, при функционировании в экстремальных условиях, в состоянии сохранять работоспособность в условиях вакуума, невесомости, радиации, пониженного атмосферного давления и т. п.;
  • может находиться длительное время в режиме ожидания без проведения регламентных работ, сохраняя при этом свою работоспособность.
Схема контактной пары

Рис. 4. Схема контактной пары

Рассмотрим схему стандартной контактной пары и различные процессы, протекающие в ее элементах, в зависимости от конкретных условий эксплуатации.

Основное требование, которое предъявляется к контактной паре, — это обеспечение надежного контакта в течение установленного срока эксплуатации.

Понятие «надежный контакт» включает в себя большой перечень свойств, таких, например, как наличие минимального переходного сопротивления, минимального перегрева, минимального искажения передающего сигнала, способность работать в цепях с низким уровнем сигнала, соответствие определенному уровню статической и динамической нестабильности и др., а также сохранение их в течение всего срока эксплуатации.

Контактная пара при этом должна обладать минимальным усилием при сочленении-расчленении. Это очень важное свойство, которое позволит, во-первых, минимизировать износ контактирующих поверхностей при реализации заявленного количества циклов сочленения-расчленения; во-вторых, снизить суммарное усилие сочленения многоконтактных соединителей. Однако контактное давление нельзя снижать безгранично. Для каждой конструкции контактной пары есть предел минимального контактного давления, ниже которого контактная пара перестает обеспечивать надежное функционирование. Кроме того, для исключения влияния возможных отклонений, а также учета различных условий эксплуатации предусматриваются конструктивно-технологические запасы по контактному усилию. В итоге минимальное рабочее контактное давление можно определить следующим образом:

где Pmin.расч. — минимально необходимое расчетное контактное давление для надежного функционирования контактной пары в нормальных условиях; К — коэффициент, учитывающий отклонения реальных условий работы контактной пары от нормальных и дополнительно обеспечивающий определенный конструктивно-технологический запас по контактному давлению.

Учитывая вышесказанное, необходимо находить и другие возможности снижения усилий сочленения-расчленения и даже доведение их в отдельных случаях до нуля. На рис. 5 представлена контактная пара с нулевым усилием сочленения-расчленения.

Схема контактной пары с нулевым усилием сочленения

Рис. 5. Схема контактной пары с нулевым усилием сочленения: а) штыревой контакт (4) введен в гнездовой контакт, состоящий из двух пружинящих элементов (3) с зазором (контактное усилие равно нулю); б) за счет сухаря (2) пружинные элементы гнездового контакта (3) прижаты к штыревому контакту (4), тем самым между ними создано определенное контактное давление

Величина контактного давления Рк определяется перемещением сухаря (Δ) относительно корпуса (1) на необходимую величину (Δ).

Однако разработанные и разрабатываемые различные механизмы и устройства для регулировки контактного давления позволят решать лишь частные локальные проблемы. Они сравнительно громоздки и не могут обеспечить регулировку в миниатюрных, субминиатюрных и микроминиатюрных электрических соединителях, а также в соединителях с высокой плотностью расположения контактов.

Наиболее приемлемым вариантом оптимизации контактного давления является создание интеллектуальной контактной пары на основе материалов, обладающих эффектом памяти формы. В конструкции такой контактной пары необходимо будет лишь задать минимально необходимое контактное давление и закон изменения величины контактного давления в зависимости от рабочей температуры контактной пары. Наличие минимально необходимого контактного давления в начальный момент работы контактной пары требуется для «запуска» системы «автоматического регулирования» рабочего контактного давления в процессе функционирования контактной пары.

Установлено, что все контактные поверхности, за исключением находящихся в вакууме, всегда покрыты всякого рода пленками и различными загрязнениями, которые являются изоляторами и не проводят электрический ток. Для того чтобы при замыкании контактов через них начал течь электрический ток, необходимо удалить эти пленки, или разрушить их за счет прижатия контактов друг к другу (создать контактное давление) до образования на их поверхностях чистых металлических пятен, или обеспечить за счет сжатия пленок квазиметаллическую проводимость вследствие туннельного эффекта. Величина прижатия контактов друг к другу, которая обеспечит прохождение между ними электрического тока, и будет минимально необходимым контактным давлением.

Суть автоматического регулирования рабочего контактного давления в процессе функционирования контактной пары заключается в способности пружинящих элементов контактов, изготовленных из материалов, обладающих эффектом памяти формы, при одной температуре «вспоминать» одну первоначальную форму, а при другой температуре другую.

Повторяемость эффекта памяти формы может проявляться у конкретного контакта несколько миллионов циклов, кроме того, эффект памяти формы можно усилить предварительной термообработкой.

Обеспечение в контактной паре минимально необходимого контактного давления в момент сочленения и расчленения, а также максимально допустимого контактного давления в процессе ее функционирования позволяет значительно повысить ее технико-экономические показатели. Рассмотрим, в чем это конкретно выражается.

Начнем с минимально необходимого контактного давления. Для чего нужен именно такой уровень величины контактного давления, мы определили.

Заметим, что основной износ контактных поверхностей происходит при сочленении и расчленении контактной пары, и чем больше в данный момент контактное давление, тем интенсивнее протекает этот процесс. Поэтому, снижая контактное давление, мы уменьшаем износ контактов и, соответственно, увеличиваем ресурс контактной пары в режиме сочленения-расчленения.

Вторым очень важным следствием снижения контактного давления в контактной паре в момент сочленения и расчленения является уменьшение суммарного усилия сочленения и расчленения электрических соединителей, в состав которых входят эти контактные пары.

Сегодня, когда основным направлением в РЭА является магистрально-модульный принцип построения на основе электронных модулей и блоков, когда растет ее энергонасыщенность с одновременной миниатюризацией, что предусматривает использование большого количества многоконтактных электрических соединителей для внутреннего и межблочного соединений, снижение усилий сочленений-расчленений типовых элементов замены (ТЭЗов) в блоках, самих блоков в стойках аппаратуры приобретает первостепенное значение. Дело в том, что это напрямую связано с прочностью корпусов стоек, каркасами частичных и комплексных блоков, шасси и печатных плат, механизмов досылки и фиксации блоков, а соответственно, с надежностью функционирования аппаратуры, ее массо-габаритными характеристиками и стоимостью.

Таким образом, обеспечение минимально возможного контактного давления в момент сочленения-расчленения позволяет значительно сократить износ контактирующих поверхностей и максимально снизить суммарное усилие сочленения-расчленения многоконтактных соединителей, а значит, ТЭЗов и блоков РЭА.

Для обеспечения минимального переходного сопротивления, а соответственно, и минимального перегрева контактной пары, позволяющего гарантировать надежный контакт в течение заявленного срока эксплуатации и увеличить передаваемую мощность, необходимо кроме контактных материалов, обладающих хорошей проводимостью, иметь и максимально возможное контактное давление, которое позволит обеспечить максимальную площадь фактического контакта, за счет большей упруго-платической деформации, а также его максимальную герметизацию.

Максимально возможное контактное давление в конкретной контактной паре определяется способностью пружинных контактных элементов обеспечивать в течение заданного времени это давление. Величина этого давления будет зависеть от многих факторов:

  • конструкции контактной пары;
  • величины допустимых деформаций пружинных элементов;
  • условий эксплуатации;
  • химического состава и структуры металла контактов;
  • вида механического упрочнения;
  • термообработки и, соответственно, предела упругости металла пружинных элементов контактов.

Существует определенная для каждой конструкции контакта пороговая величина напряжения, начиная с которой в контакте появляется пластическая деформация.

Максимальное напряжение, при котором еще не возникают заметные остаточные деформации (относительная остаточная деформация не превышает 0,1%), называется пределом упругости. Поэтому режим работы контактной пары не должен превышать эту пороговую величину, то есть возникающие в контактах напряжения (нормальные или касательные — в зависимости от схемы и условий нагрузки) не должны достигать или превышать предельно допустимые.

Таким образом, применение в электрических соединителях «интеллектуальных» контактных пар на основе сплавов с эффектом памяти формы позволит решить многие проблемы, возникающие в процессе эксплуатации, а также повысит надежность и ресурс электрических соединителей, улучшит их массо-габаритные характеристики и снизит затраты на проведение регламентных работ в процессе эксплуатации.

Литература

  1. Материалы с эффектом памяти: Справочное издание под ред. В. А. Лихачева. Т. 1–4. СПб.: НИИХ СПб ГУ, 1997–1998.
  2. Лихачев В. А., Кузьмин С. Л., Каменцева З. П. Эффект памяти формы. Л.: Издательство ЛГУ, 1987.
  3. Оцука К., Симидзу К. Сплавы с эффектом памяти формы. М.: Металлургия, 1990.
  4. Вяххи И. Э., Прядко А. И., Пульнев С. А. Приводы и устройства, основанные на использовании монокристаллов Cu-Al-Ni с эффектом памяти формы // Материалы IX научно-технической конференции «Экстремальная робототехника». Санкт-Петербург. 1998.
  5. Тихонов А. С., Герасимов А. П., Прохорова И. И. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении. М.: Машиностроение, 1981.
  6. Лихачев В. А., Малинин В. Г. Структурно-аналитическая теория прочности. СПб.: Наука, 1993.
  7. Хачин В. Н. Память формы. М.: Знание, 1984.
  8. Шишкин С. В., Махутов Н. А. Расчет и проектирование силовых конструкций на сплавах с эффектом памяти формы. Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2007.
  9. Лободюк В. А., Эстрин Э. И. Мартенситные превращения. М.: Физматлит, 2009.

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо

Силикон для светодиодов
У нас вы можете подобрать светодиоды различных мощностей, разных цветов
electronic.bmptech.ru