记忆合金海底火山口热液采样器

　　0　引言

　　为了对深海火山口喷发出的热液进行化学成分分析与研究,世界上已经开发了几种海底火山喷发热液采取器,如major sampler (VonDammera,l 1985);modified multi-sampler (eg·Ishibashiera,l 1995)等。这些采样器都利用实时在线温度测量方法来保证准确取样。该方法最突出的问题是海底作业时能源(电能驱动)消耗量大,能源供给困难。为避开能源供给问题,我们研究开发了一种无需消耗电能的、环保型的海底火山口热液采样器。该装置工作环境条件:海底3500m火山喷发口附近,火山口最高温度为380℃左右,周围海水温度为3℃左右。该装置利用形状记忆合金(即SMA)的形状记忆特性,通过海底火山口的温度使记忆合金元件产生驱动力使阀芯动作而控制采样器工作。

　　1　形状记忆合金(SMA)

　　形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy,简称SMA)是具有形状记忆效应的金属材料。形状记忆效应是指合金经变形后,在一定条件下仍能恢复到变形前形状的能力。形状记忆效应利用合金的马氏体相变与其逆转变的特性,在高温下将处理成一定形状的合金急冷下来,在确定的温度下经塑性变形成另一种形状,当记忆合金材料被加热到它的某一临界温度以上,此时合金产生马氏体相变,并逐渐恢复到低温变形前的原始状态。通常形状记忆合金的这种马氏体相变为可逆的热弹性马氏体相变,在相变过程中,马氏体的增加不是依靠新生的马氏体相,而是依靠旧马氏体相的长大,即随温度下降马氏体长大,温度升高马氏体缩小,马氏体的长大和缩小随温度改变而弹性地发生变化。

　　到目前为止,已经发现有很多种具有形状记忆效应的合金,应用较多的有NiTi合金和Cu-Zn-Al系合金以及铁基记忆合金。但它们的性能有很大差别,其中NiTi记忆合金具有良好的生化稳定性及超弹性,因此在生物、医药、化工等领域应用广泛。NiTi合金中Ni元素与Ti元素原子比不同,其应力-应变-温度(σ-ε-T)的关系有很大差别[2]。我们选用NiTi记忆合金。根据使用环境温度范围要求(180 ~380℃),选取记忆合金元件材料的Ni、Ti原子比为50·18∶49·82,最终加工完成后,经试验测定,其相变触发温度为112℃,即它在112℃时恢复到变形前的原始形状。

　　2　采样器工作原理

　　水下3500m深处压力约为35MPa,火山喷发口附近热液温度约为380℃,海水温度约为3℃。由于取样目的是为了对火山口附近的热液进行生化分析,因此,要避免采集的样品与空气接触发生化学反应;要保证样品所处环境条件始终和在海底火山口附近条件相同。根据这些要求,我们研制了该环境下使用的一种采样器,图1为其工作原理图。

　　蓄能器和取样缸通过活塞杆连接,根据采样液量的要求,预先给蓄能器充有一定压力的氮气,使活塞在氮气压力作用下贴紧取样缸右壁,将空气排出取样缸。关闭充氮口和出样口。采样器由水下机器人携带进入海底火山喷发口附近的区域,由于环境温度超过形状记忆合金拉杆的触发温度112℃,拉杆收缩,使球形阀芯单向阀2反向打开,样液在环境压力和取样阀压力差值作用下进入取样阀,打开单向阀1,由于样液压力高于氮气压力,样液推动活塞进入取样缸,氮气被压缩,最终蓄能器的氮气压力达到35MPa,使样液在该压力下被带回陆地。