Метод определения параметров обратимого эффекта памяти формы в аморфно-кристаллических лентах из сплава TiNiCu

Статья посвящена актуальной задаче создания эффективных микромеханических инструментов манипулирования микрообъектами для микроэлектромеханических систем. В последнее время для создания микропинцетов успешно применяют слоистые аморфно-кристаллические ленты из быстрозакалённого сплава TiNiCu с обратимым эффектом памяти формы. Описан метод и разработана оригинальная экспериментальная установка для определения параметров обратимого эффекта памяти формы таких лент. Исследованы термомеханические характеристики аморфно-кристаллического композита, полученного методом спиннингования расплава: толщина аморфного и кристаллического слоёв соответственно 25 и 7 мкм. Изучено влияние многократного термоциклирования в интервале проявления эффекта памяти формы. Полученная максимальная обратимая деформация ленты на изгиб превышает 0,2 %, что обеспечивает возможность создания микромеханических устройств (микропинцетов). Увеличение количества термоциклов от 1 до 100 приводит к заметному увеличению обратимой деформации (в 1,2 раза) и почти двукратному сужению температурного гистерезиса обратимого эффекта памяти формы. При этом характеристические температуры изменяются незначительно, за исключением заметно увеличивающейся температуры начала формоизменения при охлаждении. Полученные результаты позволяют улучшить функциональные характеристики микромеханических инструментов на основе аморфно-кристаллических лент из сплава TiNiCu, так как повышается надёжность и быстродействие таких инструментов, а также уменьшаются их габаритные размеры.

1. Sun H., Fu G., Xie H. A MEMS accelerometer-based real-time motion-sensing module for urological diagnosis and treatment. Journal of Medical Engineering & Technology, 37(2), 127–134 (2013). https://doi.org/10.3109/03091902.2012.753127

2. Leclerc J. MEMs for Aerospace Navigation. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 22(10), 31–36 (2007). https://doi.org/10.1109/MAES.2007.4385708

3. Kim K., Liu X., Zhang Y., Sun Y. Nanonewton force-controlled manipulation of biological cells using a monolithic MEMS microgripper with two-axis force feedback. Journal of micromechanics and microengineering, 18(5), 055013 (2008). https://doi.org/10.1088/0960-1317/18/5/055013

4. Horvath I., Panayotatos P., Lu Y. A Si MEMS microbearing with integrated safety sensors for surgical applications. Microelectronics journal, 32(1), 1–9 (2001). https://doi.org/10.1016/S0026-2692(00)00073-2

5. Elman N. M., Ho Duc H. L., Cima M. J. An implantable MEMS drug delivery device for rapid delivery in ambulatory emergency care. Biomedical microdevices, 11, 625–631 (2009). https://doi.org/10.1007/s10544-008-9272-6

6. Llewellyn-Evans H., Griffi ths C. A., Fahmy A. Microgripper design and evaluation for automated μ-wire assembly: a survey. Microsystem Technologies, 26, 1745–1768 (2020). https://doi.org/10.1007/s00542-019-04741-4

7. Chang B., Shah A., Routa I. et al. Low-height sharp edged patterns for capillary self-alignment assisted hybrid microassembly. Journal of Micro-Bio Robotics, 9, 1–10 (2014). https://doi.org/10.1007/s12213-014-0073-0

8. Ai W., Xu Q. Overview of fl exure-based compliant microgrippers. Advances in robotics research, 1(1), 1–19 (2014). https://doi.org/10.12989/arr.2014.1.1.001

9. Zhang R., Chu J., Wang H., Chen Z. A multipurpose electrothermal microgripper for biological micro-manipulation. Microsystem technologies, 19, 89–97 (2013). https://doi.org/10.1007/s00542-012-1567-0

10. Cecchi R., Verotti M., Capata R. et al. Development of micro-grippers for tissue and cell manipulation with direct morphological comparison. Micromachines, 6(11), 1710–1728 (2015). https://doi.org/10.3390/mi6111451

11. Ongaro F., Scheggi S., Yoon C. et al. Autonomous planning and control of soft untethered grippers in unstructured environments. Journal of micro-bio robotics, 12, 45–52 (2017). https://doi.org/10.1007/s12213-016-0091-1

12. Chen W., Zhang X., Fatikow S. A novel microgripper hybrid driven by a piezoelectric stack actuator and piezoelectric cantilever actuators. Review of Scientifi c Instruments, 87(11), 115003 (2016). https://doi.org/10.1063/1.4967218

13. Rao A., Srinivasa A. R., Reddy J. N. Design of shape memory alloy (SMA) actuators. Springer, Cham (2015).

14. Nespoli A., Besseghini S., Pittaccio S. et al. The high potential of shape memory alloys in developing miniature mechanical devices: A review on shape memory alloy mini-actuators. Sensors and Actuators A: Physical, 158(1), 149–160 (2010). https://doi.org/10.1016/j.sna.2009.12.020

15. Kohl M. Shape memory microactuators (microtechnology and MEMS). Springer Berlin, Heidelberg (2010).

16. Yang S., Xu Q. A review on actuation and sensing techniques for MEMS-based microgrippers. Journal of Micro-Bio Robotics, 13(1), 1–14 (2017). https://doi.org/10.1007/s12213-017-0098-2

17. Dochshanov A., Verotti M., Belfi ore N. P. A Comprehensive survey on microgrippers design: operational strategy. Journal of Mechanical Design, 139(7), 070801 (2017). https://doi.org/10.1115/1.4036352

18. Stachiv I., Alarcon E., Lamac M. Shape memory alloys and polymers for mems/nems applications: review on recent fi ndings and challenges in design, preparation, and characterization. Metals, 11(3), 415 (2021). https://doi.org/10.3390/met11030415

19. Shelyakov A., Sitnikov N., Saakyan S. et al. Study of two-way shape memory behavior of amorphous-crystalline TiNiCu melt-spun ribbons. Materials Science Forum, 738-739, 352–356 (2013). https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.738-739.352

20. Муслов С. А., Шеляков А. В., Андреев В. А. Cплавы с памятью формы: свойства, получение и применение в технике и медицине. Мозартика, Москва (2018).

21. Shelyakov A., Sitnikov N., Menushenkov A., Fominski V. Development of micromechanical device on the base of twoway shape memory alloy Ribbon. Acta Physica Polonica, 134(3), 708–713 (2018). https://doi.org/10.12693/APhysPolA.134.708

22. Shelyakov A., Sitnikov N., Borodako K. et al. Design of microgrippers based on amorphous-crystalline TiNiCu alloy with two-way shape memory. Journal of Micro-Bio Robotics, 16, 43–51 (2020). https://doi.org/10.1007/s12213-020-00126-3

23. Фон Гратовски С. В., Жуковская М. И., Луничкин А. М. и др. Система микроманипулирования сенсиллами насекомых на основе сплава Ti50Ni25Cu25 с эффектом памяти формы. Журнал технической физики, 93(8), 1223–1230 (2023). https://doi.org/10.21883/JTF.2023.08.55987.37-23

24. Antonov V. A., Shelyakov A. V. Spatial light modulator on the base of shape memory effect. SPIE Proceedings, 1474, 116–123 (1991).

25. Tong Y., Liu Y. Effect of precipitation on two-way shape memory effect of melt-spun Ti50Ni25Cu25 ribbon. Materials Chemistry and Physics, 120(1), 221-224 (2010). https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2009.10.051

26. Mehrabi K., Bruncko M., Kneissl A. C. Microstructure, mechanical and functional properties of NiTi-based shape memory ribbons. Journal of Alloys and Compounds, 526, 45-52 (2012). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.02.097

27. Otsuka K., Ren X. Physical metallurgy of Ti-Ni-based shape memory alloys. Progress in materials science, 50(5), 511–678 (2005). https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2004.10.001