Механические свойства метаматериалов и конструкций на основе сплавов с эффектом памяти формы

Актуальность исследования метаматериалов обусловлена потребностью в создании материалов с принципиально новыми свойствами, не встречающимися в природе. Способность проявлять аномальные механические характеристики открывает широкие возможности применения таких материалов в различных отраслях. Разработка метаматериалов на основе интеллектуальных сплавов, в частности никелида титана с эффектом памяти формы, позволяет создавать конструкции, сочетающие уникальную геометрию с функциональностью, что особенно востребовано при создании имплантатов нового поколения, энергопоглощающих систем и адаптивных механических элементов.

Цель. Исследование механических свойств конструкций, изготовленных из сплава на основе никелида титана с эффектом памяти формы, проявляющих положительные и отрицательные значения коэффициента Пуассона, как элементов конструкции метаматериала.

Материалы и методы. Эксперимент включал испытания на сжатие двух видов проволочных конструкций из сплава Ti-51 ат.% Ni.

Результаты. Установлено, что в зависимости от конструкции образцы демонстрировали как положительный, так и отрицательный коэффициент Пуассона. Деформационные кривые показали практически полное восстановление формы обеих конструкций после снятия нагрузки, что подтверждено экспериментально.

1. Мартенситные превращения / под ред. В.Д. Садовского. Свердловск : УФ АН СССР, 1980. 215 с.

2. Горячев О.А., Утевский Л.М. Мартенситные превращения в сплавах железа. Москва : Металлургия. 1986. 184 с.

3. Bhattacharya K. Microstructure of Martensite: Why It Forms and How It Gives Rise to the Shape-Memory Effect. Oxford : Oxford University Press, 2003. 196 p. DOI: 10.1093/oso/9780198509349.001.0001

4. Otsuka K., Wayman C.M. Shape Memory Materials. Cambridge : Cambridge University Press, 1998. 284 p.

5. Olander A. An electrochemical investigation of solid cadmium-gold alloys // Journal of the American Chemical Society. 1932. V. 54. P. 3819–3833. DOI: 10.1021/ja01349a004

6. Курдюмов Г.В. Явления закалки и отпуска стали. Москва : Металлургиздат, 1960. 255 с.

7. Гюнтер В.Э., Ходоренко В.Н., Клопотов А.А. Никелид титана: медицинский материал нового поколения. Томск : МИЦ, 2006. 296 с.

8. Wang H., Lyu Y., Bosiakov S., Zhu H., Ren Y. A review on the mechanical metamaterials and their applications in the field of biomedical engineering // Frontiers in Materials. 2023. V. 10. P. 1–17. DOI: 10.3389/fmats.2023.1146942. EDN: NDLKSF

9. Kolken H.M.A., Zadpoor A.A. Auxetic mechanical metamaterials // RSC Advances. 2017. V. 7. P. 5111–5129. DOI: 10.1039/C6RA27333E. EDN: YEALQG

10. Tang Y., Yin J. Design of cut unit geometry in hierarchical kirigami-based auxetic metamaterials for high stretchability and compressibility // Extreme Mechanics Letters. 2017. V. 12. P. 77–85. DOI: 10.1016/j.eml.2016.07.005

11. Шилько С.В. Аномально упругие материалы как компоненты адаптивных систем // Перспективные материалы. Витебск : УО ВГТУ, 2009. C. 419–448.

12. Daniel A., Bakhtiari H., Nouri A., Das B.K., Aamir M., Tolouei-Rad M. Fatigue properties of 3D-printed polymeric metamaterials: A review // Smart Materials in Manufacturing. 2025. V. 3. P. 20. DOI: 10.1016/j.smmf.2025.100076. EDN: AIVPTT

13. Lee J.H., Singer J.P., Thomas E.L. Micro-nanostructured mechanical metamaterials // Advanced materials. 2012. V. 24. I. 36. P. 4782–4810. DOI: 10.1002/adma.201201644. EDN: RMGSZB

14. Zheng X., et al. Ultralight, ultrastiff mechanical metamaterials // Science. 2014. V. 344. № 6190. P. 1373–1377. DOI: 10.1126/science.1252291

15. Hewage T.A., et al. Double-negative mechanical metamaterials displaying simultaneous negative stiffness and negative Poisson's ratio properties // Advanced materials. 2016. V. 28 (46). P. 10323–10332. DOI: 10.1002/adma.201603959

16. Wang Q., et al. Light weight mechanical metamaterials with tunable negative thermal expansion // Physical Review Letters. 2016. V. 117. P. 175901. DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.175901

17. Barnett E., et al. Auxetic fixation devices can achieve superior pullout performances compared to standard fixation concepts // Smart materials and Structures. 2024. V. 33. № 6. P. 065020. DOI: 10.1088/1361-665X/ad3d94. EDN: WLLMUY

18. Love A.E.H. A treatise on the mathematical theory of elasticity. New York: Dover Publications, 1944. 674 p.

19. Kolken H.M.A., et al. Rationally designed meta-implants: a combination of auxetic and conventional meta-biomaterials // Materials Horizons. 2018. V. 5. № 1. P. 28–35. DOI: 10.1039/C7MH00699A

20. Сысолятин П.Г., Темерханов Ф.Т., Пушкарев В.П., Клопотов А.А. и др. Сверхэластичные имплантаты с памятью формы в челюстно-лицевой хирургии, ортопедии и нейрохирургии. Томск : ТГУ, 1995. 224 с.