智能材料論文

1、 燕 山 大 學(xué) 學(xué)院： 專業(yè)： 姓名：學(xué)號(hào)：摘要：本論文主要討論形狀記憶合金相關(guān)內(nèi)容,扼要地?cái)⑹隽诵螤钣洃浐辖鸬陌l(fā)現(xiàn)以及發(fā)展歷史和分類, 介紹了形狀記憶合金在工程中應(yīng)用的現(xiàn)狀以及發(fā)展前景。 關(guān)鍵詞：智能材料、形狀記憶合金正文：形狀記憶合金(Shape Memory Alloy ,SMA) 是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經(jīng)塑性形變并固定成另一種形狀后,通過(guò)加熱到某一臨界溫度以上又可恢復(fù)成初始形狀的一類合金。形狀記憶合金具有的能夠記住其原始形狀的功能稱形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect 

2、;,SME)。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形狀變化過(guò)程中產(chǎn)生較大回復(fù)應(yīng)變和較大形狀回復(fù)力的,才具有利用價(jià)值。到目前為止,應(yīng)用得最多的是Ni2Ti 合金和銅基合金(CuZnAl 和CuAlNi)。形狀記憶合金作為一種特殊的新型功能材料,是集感知與驅(qū)動(dòng)于一體的智能材料,因其功能獨(dú)特,可以制作小巧玲瓏、高度自動(dòng)化、性能可靠的元器件而備受矚目,并獲得了廣泛應(yīng)用。 一、形狀記憶合金的發(fā)展史 1932年,瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到"記憶"效應(yīng)，即合金的形狀被改變之后，一旦加熱到一定的躍變溫度時(shí)，它又

3、可以魔術(shù)般地變回到原來(lái)的形狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金。 1938年。當(dāng)時(shí)美國(guó)的在Cu-Zn合金小發(fā)現(xiàn)了馬氏體的熱彈件轉(zhuǎn)變。隨后，前蘇聯(lián)對(duì)這種行為進(jìn)行了研究。1951年美國(guó)的Chang相Read在Au47·5Cd(原子)合金中發(fā)現(xiàn)了行狀記憶效應(yīng)。這是最早觀察到金屬形狀記憶效應(yīng)的報(bào)道。數(shù)年后，Burkhart 在In-Ti 合金中觀察到同樣的現(xiàn)象。然而在當(dāng)時(shí)，這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)只被看作是個(gè)別材料的特殊現(xiàn)象而未能引起人們足夠的興趣和重視。直至1962年，美國(guó)海軍機(jī)械研究所r發(fā)現(xiàn)了Ni-Ti合金中的的形狀記憶效應(yīng)，才開(kāi)創(chuàng)了“形狀記憶”的實(shí)用階斷

4、。 1969年，美國(guó)一家 公司首次將Ni-Ti合金制成管接頭應(yīng)用于美國(guó)F14 戰(zhàn)斗機(jī)上；1970年，美國(guó)將Ti-Ni記憶合金絲制成宇宙飛船用天線。這些應(yīng)用大大激勵(lì)了國(guó)際上對(duì)形狀記憶合金的研究與開(kāi)發(fā)。20世紀(jì)7 年代，相繼開(kāi)發(fā)出了Ni-Ti 基、Cu-Al2-Ni 基和Cu-Zn-Al 基形狀記憶合金；80 年代開(kāi)發(fā)出了Fe-Mn-Si 基、不銹鋼基等鐵基形狀記憶合金，由于其成本低廉、加工簡(jiǎn)便而引起材料工作者的極大興趣。從20世紀(jì)90 年代至今，高溫形狀記憶合金、寬滯后記憶合金以及記憶合金薄膜等已

5、成為研究熱點(diǎn)。 從SMA 的發(fā)現(xiàn)至今已有四十余年歷史，美國(guó)、日本等國(guó)家對(duì)SMA 的研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)已較為成熟，同時(shí)也較早地實(shí)現(xiàn)了SMA 的產(chǎn)業(yè)化。我國(guó)從上世紀(jì)70 年代末才開(kāi)始對(duì)SMA 的研究工作，起步較晚，但起點(diǎn)較高。在材料冶金學(xué)方面，特別是實(shí)用形狀記憶合金的煉制水平已得到國(guó)際學(xué)術(shù)界的公認(rèn)，在應(yīng)用開(kāi)發(fā)上也有一些獨(dú)到的成果。但是，由于研究條件的限制，在SMA 的基礎(chǔ)理論和材料科學(xué)方面的研究我國(guó)與國(guó)際先進(jìn)水平尚有一定差距，尤其是在SMA 產(chǎn)業(yè)化和工程應(yīng)用方面與國(guó)外差距較大。 二、記憶合金主要分類 &

6、#160;（1）單程記憶效應(yīng)：形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀，這種只在加熱過(guò)程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。（2）雙程記憶效應(yīng)：某些合金加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)。 （3）全程記憶效應(yīng)：加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?，稱為全程記憶效應(yīng)。 SMA的形狀記憶效應(yīng)源于熱彈性馬氏體相變，這種馬氏體一旦形成，就會(huì)隨著溫度下降而繼續(xù)生長(zhǎng)，如果溫度上升它又會(huì)減少，以完全相反的過(guò)程消失。兩項(xiàng)自由能之差作為相變驅(qū)動(dòng)力。兩項(xiàng)自由能相等的溫度T0稱為平衡溫度。只有當(dāng)溫度低于平衡溫度T0時(shí)才會(huì)產(chǎn)

7、生馬氏體相變，反之，只有當(dāng)溫度高于平衡溫度T0時(shí)才會(huì)發(fā)生逆相變。     在SMA中，馬氏體相變不僅由溫度引起，也可以由應(yīng)力引起，這種由應(yīng)力引起的馬氏體相變叫做應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，且相變溫度同應(yīng)力呈線性關(guān)系。 至今為止發(fā)現(xiàn)的記憶合金體系 Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。 三、形狀記憶效應(yīng)的應(yīng)用 迄今為止,形

8、狀記憶合金在空間技術(shù)、醫(yī)療器械、機(jī)械器具、電子設(shè)備、能源開(kāi)發(fā)、汽車工業(yè)及日常生活各方面都得到了廣泛的應(yīng)用,總的來(lái)說(shuō),按使用特性的不同,可歸納為下面幾類: (1) 自由回復(fù)。 SMA 在馬氏體相時(shí)產(chǎn)生塑性形變,溫度升高自由回復(fù)到記憶的形狀。自由回復(fù)的典型例子是人造衛(wèi)星的天線和血栓過(guò)濾器。美國(guó)航空航天局(NASA) 將Ti2Ni 合金板或棒卷成竹筍狀或旋渦狀發(fā)條,收縮后安裝在衛(wèi)星內(nèi)。發(fā)射衛(wèi)星并進(jìn)入軌道后,利用加熱器或太陽(yáng)能加熱天線,使之向宇宙空間撐開(kāi)。血栓過(guò)濾器把Ni2Ti 合金記憶成網(wǎng)狀,低溫下拉直,通過(guò)導(dǎo)管插入靜脈腔,經(jīng)體溫

9、加熱后,形狀變?yōu)榫W(wǎng)狀,可以阻止凝血塊流動(dòng)。有人設(shè)想,利用形狀記憶合金制作宇宙空間站的可展機(jī)構(gòu),即以小體積發(fā)射,于空間展開(kāi)成所需的形狀,這是很有吸引力的機(jī)構(gòu)。 (2) 強(qiáng)制回復(fù)。強(qiáng)制回復(fù)最成功的例子是SMA 管接頭。事先把內(nèi)徑加工成比被接管外徑小4 % ,當(dāng)進(jìn)行連接操作時(shí),首先把管接頭浸泡在液態(tài)空氣中,在低溫保溫狀態(tài)下擴(kuò)徑后,把被接管從兩端插入,升高溫度,內(nèi)徑回復(fù)到擴(kuò)徑前的狀態(tài),把被接管牢牢箍緊。利用SMA 制作的腦動(dòng)脈瘤夾可夾住動(dòng)脈瘤根部,防止血液流入,使動(dòng)脈瘤缺血壞死。本田等人用厚度為015mm 的Ti2Ni 板

10、制作的Ag2TiNi 復(fù)合夾滿足小而輕、裝卸簡(jiǎn)便等要求,效果良好。此外,類似的用途還有電源連接器、自緊固螺釘、自緊固夾板、固定銷、密封墊圈、接骨板和脊柱側(cè)彎嬌形哈倫頓棒等。 (3) 動(dòng)力裝置。有些應(yīng)用領(lǐng)域,要求形狀記憶元件在多次循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)中對(duì)外產(chǎn)生力的作用。溫度繼電器和溫度保持器、自動(dòng)干燥箱、電子灶、熱機(jī)、衛(wèi)星儀器艙窗門自動(dòng)啟閉、自動(dòng)火警警報(bào)器、熱敏閥門、液氨泄漏探測(cè)器、煤氣安全閥、通風(fēng)管道緊急啟動(dòng)閘門、自動(dòng)收進(jìn)煙頭的煙灰盒及人工心臟等都屬于這種應(yīng)用類型。1997 年美國(guó)航空航天局(NASA) 的科學(xué)家利用長(zhǎng)3cm ,直徑0115m

11、m(01006) 的Ni-Ti SMA 驅(qū)動(dòng)火星探測(cè)器上的太陽(yáng)能電池?fù)醢?加熱SMA ,使其收縮,通過(guò)傳動(dòng)裝置,打開(kāi)太陽(yáng)能電池上的玻璃擋板,電池充電。充電結(jié)束后,偏置彈簧重新使擋板復(fù)位。擋板的有效開(kāi)合可起到防塵目的。 (4) 精密控制。因?yàn)镾MA 的相變發(fā)生在一定溫度范圍而不是某一固定溫度點(diǎn),我們往往只利用一部分形狀回復(fù),使機(jī)械裝置定位于指定的位姿。微型機(jī)器人、昆蟲(chóng)型生物機(jī)械、機(jī)器人手抓及微型調(diào)節(jié)器、筆尖記錄器及醫(yī)用內(nèi)窺鏡都屬于這一類。形狀記憶合金用作機(jī)器智能人的執(zhí)行器,集傳感、控制、換能、制動(dòng)于一身,具有仿真性好、控制靈活

12、、動(dòng)作柔順、無(wú)振動(dòng)噪聲、易于結(jié)構(gòu)微型集成化等優(yōu)點(diǎn)。日本的日立公司已研制出具有13個(gè)自由度的能揀取雞蛋的機(jī)器人。俄羅斯St1Petersburg 機(jī)器人及控制技術(shù)學(xué)院在Cu-Al-Ni 基合金材料的研究基礎(chǔ)上,研制出了擬人機(jī)械手(115m 長(zhǎng)) ,其手爪能移動(dòng)200kg的物體。該研究小組還給出了手爪的精確控制系統(tǒng)。醫(yī)學(xué)上用到的具有多自由度能彎曲轉(zhuǎn)入腸道內(nèi)診斷疾病,進(jìn)行手術(shù)的機(jī)器人也屬于這一類型。現(xiàn)有的大腸鏡的直徑為1020mm ,這種內(nèi)窺鏡的直徑為13mm ,因此它特別適用于作大腸鏡。診斷過(guò)程中,醫(yī)生一邊看纖維鏡中的圖象,一邊移動(dòng)操縱桿

13、給出前端的第1 ,2 節(jié)彎曲角指令和內(nèi)窺鏡前進(jìn)、后退指令,通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行柔性控制,使內(nèi)窺鏡能夠平滑地沿著通路前進(jìn)或后退,大大減小了患者的痛苦,也增加了診斷的準(zhǔn)確性。隨著目前超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展,可進(jìn)一步制成微米級(jí)甚至更小的超微仿生物。 (5) 超彈性應(yīng)用。SMA 的偽彈性在醫(yī)學(xué)上和日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用,市場(chǎng)上的很多產(chǎn)品都應(yīng)用了SMA 的偽彈性(超彈性) 性質(zhì)。主要有牙齒嬌形絲、人工關(guān)節(jié)用自固定桿、接骨用超彈性Ni2Ti 絲、玩具及塑料眼鏡鏡框等。Ni2Ti 絲用于嬌形上,即使應(yīng)變量高達(dá)10

14、 %也不會(huì)產(chǎn)生塑性變形,而且應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的過(guò)程中,應(yīng)變?cè)龃筝^多時(shí)矯正力卻增加很少。故能保持適宜的矯正力,既可保證療效,也可減輕患者的不適感。 四、存在的問(wèn)題和研究方向 在SMA 的研究和應(yīng)用中,目前存在許多有待解決的問(wèn)題,例如: (1) 由于SMA 的各種功能均依賴于馬氏體相變,需要不斷對(duì)其加熱、冷卻及加載、卸載,且材料變化具有遲滯性,因此SMA 只適用于低頻(10Hz 以下)窄帶振動(dòng)中,這就大大限制了材料的應(yīng)用。 (2) SMA 自身存在損傷和裂紋等缺陷,如何克服這些

15、缺陷,改善材料性能是當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。 (3) 現(xiàn)有的SMA 機(jī)構(gòu)模型在實(shí)際工程應(yīng)用中都還存在一些缺陷,如何克服這些缺點(diǎn),從而精確地模擬出SMA 的材料行為也是一個(gè)需要研究的重要課題; (4) 在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面,需繼續(xù)研究SMA 的生物相容性和細(xì)胞毒性。 (5) SMA 作為一種新型功能材料,其加工和制備工藝較難控制,目前還沒(méi)有形成一條SMA 自動(dòng)生產(chǎn)線,此外材料成本也相當(dāng)昂貴。 (6) 為了提高應(yīng)用水平,SMA 元器件還需要進(jìn)一步微型化,提高反應(yīng)速度和控制精度,在這方面仍有許多工作要做。 SMA 研究今后的發(fā)展方向和趨勢(shì)可歸納為以下幾方面:  (1) 充分發(fā)掘、改進(jìn)和完善現(xiàn)有SMA 的性能; (2) 研究開(kāi)發(fā)新的具有形狀記憶效應(yīng)的合金材料; (3) SMA 薄膜的研究與應(yīng)用; (4) SMA 智能復(fù)合材料的研究與開(kāi)發(fā); (5) 高溫SMA 的開(kāi)發(fā)。