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形狀記憶材料 報告人 孫桂山學(xué)號 151610010023 人們蓋上用記憶合金絲混合羊毛織成的毛毯后 如毛毯溫度過熱 它就會自動掀開一部分 適當降低溫度 使人睡得更安穩(wěn) 記憶毛毯 記憶釘子 菲力浦公司研制了一種由 記憶金屬 制成的釘子 把它安在汽車外胎上 當氣溫降低 公路結(jié)冰時 釘子會 自動 從外胎里伸出來 防止車輪打滑 用這種 記憶金屬 造出汽車 萬一被撞癟 只要澆上一桶熱水就可恢復(fù)到原來的形狀 汽車 意大利一家公司利用形狀記憶合金纖維造出一件能 善解人意 的襯衫 據(jù)報道這種襯衣使用鎳鈦合金纖維和尼龍混織而成 比例為五根尼龍絲配一根鎳鈦合金絲 當周圍溫度升高時 這件襯衣的袖子會自動卷起來 而且這種襯衣還不怕起皺 即使揉成亂糟糟的一團 用電吹風(fēng)一吹 馬上就能恢原樣 甚至人的體溫也能把它熨平 形狀記憶材料 ShapeMemoryMaterials 是指具有一定初始形狀的材料經(jīng)形變并固定成另一種形狀后 通過熱 光 電等物理刺激或化學(xué)刺激的處理又可恢復(fù)成初始形狀的材料 a 原始形狀 b 拉直 c 加熱后恢復(fù) 形狀記憶效應(yīng)簡易演示實驗 形狀記憶材料的發(fā)現(xiàn) 1932 1938 1951 瑞典人歐勒特在觀察某種金鎘合金的性能時首次發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng) 哈佛大學(xué)的研究人員在一種銅鋅合金中發(fā)現(xiàn)了一種隨溫度的升高和降低而逐漸增大或縮小的形狀變化 但當時并未引起人們的重視 美國里德等人在金鎘合金的研究中發(fā)現(xiàn)該合金的形狀記憶效應(yīng) 隨后在銦鈦合金中也發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng) 形狀記憶材料的發(fā)現(xiàn) 1962 1963 1970 美國海軍軍械研究所成員研究鎳鈦合金時無意發(fā)現(xiàn)被彎曲的鎳鈦合金絲靠近雪茄火焰的部分自己伸直了 軍械研究所宣布在鎳鈦合金絲中發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng) 人們在銅鋁鎳合金中也發(fā)現(xiàn)了形狀記憶現(xiàn)象 并明確這種現(xiàn)象是能產(chǎn)生熱彈性馬氏體相變的合金所共有的特性 形狀記憶材料的發(fā)現(xiàn) 1984 1988 1989 法國CDFChimie公司開發(fā)出了一種新型材料聚降冰片烯 該材料的分子量很高 300萬以上 是一種典型的熱致型形狀記憶聚合物 日本的可樂麗公司合成出了形狀記憶聚異戊二烯 同年 日本三菱重工開發(fā)出了由異氰酸酯 多元醇和擴鏈劑三元共聚而成的形狀記憶聚合物PUR 日本杰昂公司開發(fā)出了以聚酯為主要成分的聚酯 合金類形狀記憶聚合物 Back 形狀記憶材料的種類 形狀記憶合金 形狀記憶陶瓷 形狀記憶聚合物 形狀記憶材料 1 1形狀記憶效應(yīng)具有一定形狀 初始形狀 的固體材料 在某一低溫狀態(tài)下經(jīng)過塑性變形后 另一形狀 通過加熱到這種材料固有的某一臨界溫度以上時 材料又恢復(fù)到初始形狀 這種效應(yīng)稱為形狀記憶效應(yīng) 形狀記憶效應(yīng)示意圖 對于普通金屬材料 受到外力作用時 當應(yīng)力超過屈服強度時 產(chǎn)生塑性變形 應(yīng)力去除后 塑性變形永久保留下來 不能恢復(fù)原狀 形狀記憶效應(yīng) 如左圖 材料加載過程中 應(yīng)變隨應(yīng)力增加 OA段為彈性變形的線性段 AB為非線性段 由B點卸載時 殘余應(yīng)變?yōu)镺C 將此材料在一定溫度加熱 則殘余應(yīng)變降為零 材料全部恢復(fù)原狀 單程形狀記憶效應(yīng) 雙程形狀記憶效應(yīng) 全程形狀記憶效應(yīng) 形狀記憶效應(yīng) 按形狀恢復(fù)情況可分為 單程形狀記憶效應(yīng)材料在高溫 奧氏體狀態(tài) 下制成某種形狀 在低溫 馬氏體狀態(tài) 時將其任意變形 再加熱時恢復(fù)高溫相形狀 而重新冷卻時不能恢復(fù)低溫相的形狀 雙程形狀記憶效應(yīng)又稱可逆形狀記憶效應(yīng) 材料加熱時恢復(fù)高溫相形狀 冷卻時恢復(fù)低溫相形狀 即通過溫度升降自發(fā)可逆地反復(fù)地恢復(fù)高低溫相的形狀 全程形狀記憶效應(yīng)材料加熱時恢復(fù)高溫相形狀 冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹母邷叵嘈螤?它是一種特殊的雙程形狀記憶效應(yīng) 只能在富鎳的Ti Ni合金中出現(xiàn) 1 2形狀記憶機理 有序點陣結(jié)構(gòu)的母相與馬氏體相變的孿生結(jié)構(gòu)具有共格性 在母相 馬氏體 母相的轉(zhuǎn)變循環(huán)中 母相完全可以恢復(fù)原狀 這就是單程記憶效應(yīng)的原因 其晶體結(jié)構(gòu)變化模型如圖11 5 a 將母相冷卻到發(fā)生馬氏體相變 形成24種馬氏體變體 由于相鄰變體可協(xié)調(diào)生成 微觀上相變應(yīng)變相互抵消 無宏觀變形 b 馬氏體受外力作用時 變體界面移動 相互吞食 形成馬氏體單晶 出現(xiàn)宏觀變形 c 由于變形前后馬氏體結(jié)構(gòu)沒有變化 當去除外力時 無形狀改變 d 當加熱發(fā)生逆相變 馬氏體通過逆轉(zhuǎn)變恢復(fù)到母相形狀 雙程和全程記憶效應(yīng)機理比較復(fù)雜 有許多問題尚未搞清 形狀記憶過程中晶體結(jié)構(gòu)的變化 從微觀來看 形狀記憶效應(yīng)是晶體結(jié)構(gòu)的固有變化規(guī)律 通常金屬合金在固態(tài)時 原子按照一定規(guī)律排列起來 而形狀記憶合金的原子排列規(guī)律是隨著環(huán)境條件的改變而改變的 形狀恢復(fù)的推動力是由在加熱溫度下母相和馬氏體相的自由能之差產(chǎn)生的 具有形狀記憶效應(yīng)的合金叫形狀記憶合金 ShapeMemoryAlloy 簡稱SMA 它是通過熱彈性與馬氏體相變及其逆相變而具有形狀記憶效應(yīng)的由兩種以上金屬元素所構(gòu)成的材料 一般來說 給金屬施加外力使它變形 之后取消外力或改變溫度 金屬通常不會恢復(fù)原形 而這種合金在外力作用下雖會產(chǎn)生變形 當把外力去掉 在一定的溫度條件下 能恢復(fù)原來的形狀 由于它具有百萬次以上的恢復(fù)功能 因此叫做 記憶合金 二 形狀記憶合金 人們發(fā)現(xiàn)的具有形狀記憶效應(yīng)的合金有50多種 按組成和相變特征可分為三大類 Ti Ni系形狀記憶合金 TiNi Ti2Ni TiNi3 近年又開發(fā)了Ti Ni Cu Ti Ni Fe Ti Ni Cr Ti Ni Pb Ti Ni Nb等新型合金 銅基系形狀記憶合金 主要有Cu Zn Al Cu Al Ni Cu Au Zn 鐵基系形狀記憶合金 應(yīng)用前景最好的是Fe Mn Si Cr Ni Fe Mn Co Ti SMA的特性集傳感 驅(qū)動 控制 換能于一身機械性質(zhì)優(yōu)良 能恢復(fù)的形變可高達10 而一般金屬材料只有0 1 以下有確定的轉(zhuǎn)變溫度在加熱時產(chǎn)生的回復(fù)應(yīng)力非常大 可達500MPa對環(huán)境適應(yīng)能力強 不受溫度以外的其他因素影響無振動噪聲 無污染抗疲勞 回憶變形500萬次不疲勞變形 目前研究得最全面 記憶性能最好 實用性強的合金材料優(yōu)點 記憶效應(yīng)優(yōu)良 性能穩(wěn)定 生物相容性好是目前唯一作為生物醫(yī)學(xué)材料的形狀記憶合金 缺點 制造過程較復(fù)雜 價格高昂 Ti Ni合金通過在1000 左右固溶后 在400 進行時效處理 再淬火得到馬氏體 2 1Ti Ni系形狀記憶合金 2 2銅基系形狀記憶合金 在已發(fā)現(xiàn)的形狀記憶材料中銅基合金占的比例最多 它們的一個共同點是母相均為體心立方結(jié)構(gòu) 主要由Cu Zn和Cu A1兩個二元系發(fā)展而來 通過第三元素可以有效地提高形狀記憶合金的相變溫度 發(fā)展了一系列的Cu Zn X X Al Ge鍺 Si Sn錫 Be鈹 Ni 三元合金 24 性能特點優(yōu)點 制造加工容易 價格便宜 相變點可在一定溫度范圍內(nèi)調(diào)節(jié) 不同成分的Cu Zn A1合金相變溫度不同 缺點 強度較低 形狀記憶穩(wěn)定性及耐疲勞性能差 不具有生物相容性 改善銅基系合金的循環(huán)特性 提高記憶性能 可采取 a 加入適量稀土和Ti Mn V B等元素 細化晶粒 提高滑移形變抗力 b 微晶銅基系形狀記憶合金 采用粉末冶金和快速凝固法等 25 a 沒放入熱水前 b 放入熱水后 c 涼至室溫后雙程CuZnAl記憶合金花的動作變化情況 以熱水或熱風(fēng)為熱源 開放溫度為65 85 閉合溫度為室溫 花蕾直徑80mm 展開直徑200mm 2 3鐵基系形狀記憶合金繼Ti Ni和銅基系以后 20世紀70年代以來 在許多鐵基合金中發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng) 分為兩類 1 熱彈性馬氏體相變Fe Pt Fe Pd Fe Ni Co Ti合金等 2 應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變 非熱彈性馬氏體 Fe Mn Si Fe Cr Ni Mn Si Co合金等 鐵基合金的形狀記憶效應(yīng) 既有通過熱彈性馬氏體相變來獲得 也有通過應(yīng)力誘發(fā) 馬氏體相變 非熱彈性馬氏體 而產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng) 例如 Fe Mn Si合金經(jīng)淬火處理所得的馬氏體為非熱彈性馬氏體 屬應(yīng)力誘導(dǎo)型記憶合金 其雙程記憶效應(yīng)甚小 用于單程形狀記憶 價格較低 易加工 鐵基系中工業(yè)應(yīng)用首選材料 28 形狀記憶材料應(yīng)用 在理論研究不斷深入的同時 形狀記憶材料的應(yīng)用研究也取得了長足進步 其應(yīng)用范圍涉及機械 電子 宇航 能源 醫(yī)療和日常生活等許多領(lǐng)域 美國以在航空航天的應(yīng)用為代表 日本以日用產(chǎn)品為代表 而中國以醫(yī)療器械為代表 工程應(yīng)用 1 緊固件 連接件 密封墊 管件接頭等 30 圖形狀記憶合金用作鉚釘?shù)墓ぷ髟韴D 31 高技術(shù)應(yīng)用 人造衛(wèi)星天線 圖Ti Ni形狀記憶合金制造的人造衛(wèi)星天線 美國宇航局的月面天線計劃 在室溫下用形狀記憶合金制成拋物面天線 然后把它揉成直徑5厘米以下的小團 放入阿波羅11號的艙內(nèi) 在月面上經(jīng)太陽光的照射加熱使它恢復(fù)到原來的拋物面形狀 從而能用空間有限的火箭艙運送體積龐大的天線 32 醫(yī)學(xué)應(yīng)用 TiNi合金的生物相容性很好 利用其形狀記憶效應(yīng)和超彈性的醫(yī)學(xué)實例相當多 如血栓過濾器 脊柱矯形棒 牙齒矯形絲 腦動脈瘤夾 接骨板 髓內(nèi)針 人工關(guān)節(jié) 心臟修補元件 人造腎臟用微型泵等 33 記憶合金用于骨骼固定 在醫(yī)學(xué)上 鎳 鈦合金與生物體有好的相容性 可以在人體內(nèi)作為固定折斷骨骼的插銷 做成接骨板 使斷骨緊緊相接 用記憶合金做成精細的網(wǎng)絡(luò) 然后降低溫度壓成細絲 插入血管 由于體溫使它恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)形狀 在血管里起血栓的過濾作用 34 人工關(guān)節(jié) 用超彈性TiNi合金絲和不銹鋼絲做的牙齒矯正絲 其中用超彈性TiNi合金絲是最適宜的 通常牙齒矯形用不銹鋼絲CoCr合金絲 但這些材料有彈性模量高 彈性應(yīng)變小的缺點 為了給出適宜的矯正力 在矯正前就要加工成弓形 而且結(jié)扎固定要求熟練 如果用TiNi合金作牙齒矯形絲 即使應(yīng)變高達10 也不會產(chǎn)生塑性變形 而且應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變 stress inducedmartensite 使彈性模量呈現(xiàn)非線型特性 即應(yīng)變增大時矯正力波動很少 這種材料不僅操作簡單 療效好 也可減輕患者不適感 牙齒矯形絲 脊柱側(cè)彎矯形采用形狀記憶合金制作的哈倫頓棒 只需要進行一次安放矯形棒固定 如果矯形棒的矯正力有變化 以通過體外加熱形狀記憶合金 把溫度升高到比體溫約高5 就能恢復(fù)足夠的矯正力 a 消化道內(nèi)支架