Способ упрочнения молекулярных кристаллов Российский патент 2024 года по МПК B81B7/00 B25J7/00 

Изобретение относится к микроструктурным системам и может использоваться при создании микроманипуляторов и микророботов, а также для нужд измерительной техники.

В настоящее время существует устойчивый интерес к дистанционно управляемым устройствам, преобразующим термические, электрические или магнитные воздействия в механическую работу. Наряду с широко распространенными пьезолектрическими, магнитострикционными и биметаллическими преобразователями все чаще находят применение преобразователи на материалах с памятью формы или на магнитных суспензиях. Материалы, преобразующие полевое воздействие в перемещение исполнительного элемента, отличаются от обычных приводов минимумом деталей и соответственно высокой надежностью. Обзор таких материалов встречается в публикации [Encyсlopedia of smart materials. New York: John Wiley and Sons, Inc., 2002 – 1193 p.].

В публикации [RU 2771501 C1] рассмотрен термомеханический актуатор на основе материала с обратимой памятью формы (например, нитинол с добавками меди).

В публикации [Julie A. Jackson et al. Field responsive mechanical metamaterials. Science Advances, 2018, N4] рассмотрен способ управления упругостью композитного материала, образованный полимерными трубками, заполненными магнитной суспензией, при помощи магнитного поля. Материал демонстрирует обратимое изменение упругости в пределах более 2%, что позволяет в сочетании с возвратной пружиной использовать его как силовой привод (актуатор). Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.

Технический результат предлагаемого изобретения – расширение арсенала средств для управления механическими свойствами композитных материалов.

Технический результат достигается тем, что в качестве молекулярного кристалла выбирают молекулярный кристалл, образованный чередующимися фуллеренами с внедренными в них ионами, различающимися знаком заряда, прочность которого повышают путем воздействия высокочастотным электрическим полем круговой поляризации.

Достижимость технического результата обусловлена следующими факторами.

Как известно, молекулярный кристалл, образованный фуллеренами, называемый также фуллерит, представляет собой гранецентрированную кубическую структуру, составленную из фуллеренов, содержащих 60-70 атомов углерода. Основные свойства материала фуллерит приведены в источнике [И.В. Золотухин. Фуллерит – новая форма углерода. Соросовский образовательный журнал, № 2, 1996. с. 51-56].

В настоящее время разработаны технологии получения кристаллов фуллерита путем из фуллереновой сажи при давлении от 0,2 до 12 ГПа и температуре от 0 до 2000°С. Эти условия, аналогичные условиям получения искусственных алмазов, не считаются экстремальными и доступны для промышленного производства. Варианты технологии получения фуллерита рассмотрены в источнике [RU 2543891 C1].

Связь элементов структуры фуллерита осуществляется не полярными силами, как в обычных кристаллах, а более слабыми силами Ван дер Ваальса. Этим обусловлена относительно большая свобода фуллеренов, проявляющаяся в их способности вращаться. Чистые фуллерены электрически нейтральны, и их вращение не связано с внешними электрическими полями. Однако если в фуллерене присутствуют включения ионов, он приобретает дипольный момент и способность взаимодействовать с электрическим полем. Легирование фуллеренов, как правило, производится путем ионной имплантации.

Методы внедрения в фуллерены широкого ряда металлических и неметаллических включений обсуждаются в публикации [Елецкий А.В. Эндоэдральные структуры, УФН, 2000, т. 170 №2 с. 55-83]. В частности, указана возможность синтеза кристаллов фуллерита из раствора CS2. Таким способом получают макроскопические образцы, причем при комнатных температурах (см. источник: [https://22century.ru/chemistry-physics-matter/5880]).

Как правило, заряженный ион оказывается смещенным относительно центра фуллерена, в результате чего исходно нейтральный фуллерен приобретает электрический дипольный момент. Для целей изобретения существенна возможность внедрения в фуллерены ионов с различающимися знаками заряда: металлические включения имеют преимущественно положительный заряд, а неметаллические – преимущественно отрицательный заряд.

Пример осуществления

Современные технологии позволяют производить послойное формирование фуллереновых слоев с различающимися по знаку заряда включениями, получая, например, слоистые мембраны. Без внешнего электромагнитного воздействия фуллерены, составляющие такой материал и обладающие электрическими дипольными моментами, демонстрируют поведение, аналогичное поведению ионного кристалла типа NaCl, проявляя упругость, обусловленную кулоновским притяжением. Однако когда на материал производили воздействие высокочастотным электрическим полем круговой поляризации, отдельные фуллерены начинали синхронно вращаться в одном и том же направлении. При этом вращающиеся фуллерены, будучи диполями с различными по знаку зарядами внедренных ионов, приобретали противоположно направленные магнитные моменты, превращаясь в элементарные микромагниты. Таким образом, в наноразмерном масштабе реализуется управляемое воздействие на внутренние связи монолитного материала, аналогичное воздействию на магнитную суспензию в прототипе. В итоге предлагаемое техническое решение позволяет управлять механическими свойствами композитных материалов. Отличие принципа действия от принципа действия прототипа обусловлено рядом признаков:

- характером управления – высокочастотным электрическим полем круговой поляризации вместо постоянного магнитного поля;

- плавностью воздействия вместо дискретных состояний «намагничено-размагничено»;

- возможностью дистанционного управления, поскольку высокочастотные поля поддаются фокусировке, в то время как стационарное поле убывает в лучшем случае пропорционально квадрату расстояния.

Кроме того, вышеуказанную слоистую мембрану, нагруженную упругим возвратным элементом и меняющую силу сопротивления, а следовательно, равновесное положение, под действием высокочастотного электрического поля с круговой поляризацией, наряду с функцией актуатора можно использовать для модуляции отраженного оптического излучения и аналогичных измерительных целей.

Изобретение относится к микроструктурным системам и может использоваться при создании микроманипуляторов и микророботов, а также для нужд измерительной техники. Способ упрочнения молекулярных кристаллов, характеризующийся тем, что в качестве молекулярного кристалла выбирают молекулярный кристалл, образованный чередующимися фуллеренами с внедренными в них ионами, различающимися знаком заряда, прочность которого повышают путем воздействия высокочастотным электрическим полем круговой поляризации. Технический результат предлагаемого изобретения – расширение арсенала средств для управления механическими свойствами композитных материалов.

Способ упрочнения молекулярных кристаллов, характеризующийся тем, что в качестве молекулярного кристалла выбирают молекулярный кристалл, образованный чередующимися фуллеренами с внедренными в них ионами, различающимися знаком заряда, прочность которого повышают путем воздействия высокочастотным электрическим полем круговой поляризации.