形狀記憶材料

1、報(bào)告人：孫桂山學(xué) 號(hào)：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(guò)熱，它就會(huì)自動(dòng)掀開一部分，適當(dāng)降低溫度，使人睡得更安穩(wěn)。記憶毛毯記憶毛毯記憶釘子 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(dāng)氣溫降低、公路結(jié)冰時(shí)，釘子會(huì)“自動(dòng)”從外胎里伸出來(lái)，防止車輪打滑。 用這種“記憶金屬”造出汽車，萬(wàn)一被撞癟，只要澆上一桶熱水就可恢復(fù)到原來(lái)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(bào)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(dāng)周圍溫度升高時(shí)，這件襯衣的袖子會(huì)自動(dòng)卷起來(lái)。而且這

2、種襯衣還不怕起皺，即使揉成亂糟糟的一團(tuán)，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。形狀記憶材料形狀記憶材料(Shape Memory Materials)： 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(guò)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(jiǎn)易演示實(shí)驗(yàn)形狀記憶效應(yīng)簡(jiǎn)易演示實(shí)驗(yàn) 形狀記憶材料的發(fā)現(xiàn)形狀記憶材料的發(fā)現(xiàn)193219381951瑞典人歐勒特在瑞典人歐勒特在觀察某種金鎘合觀察某種金鎘合金的性能時(shí)首次金的性能時(shí)首次發(fā)現(xiàn)形狀記憶效發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。應(yīng)。哈佛大學(xué)的研究哈佛大學(xué)的研究

3、人員在一種銅鋅人員在一種銅鋅合金中發(fā)現(xiàn)了一合金中發(fā)現(xiàn)了一種隨溫度的升高種隨溫度的升高和降低而逐漸增和降低而逐漸增大或縮小的形狀大或縮小的形狀變化，但當(dāng)時(shí)并變化，但當(dāng)時(shí)并未引起人們的重未引起人們的重視。視。美國(guó)里德等人在美國(guó)里德等人在金鎘合金的研究金鎘合金的研究中發(fā)現(xiàn)該合金的中發(fā)現(xiàn)該合金的形狀記憶效應(yīng)，形狀記憶效應(yīng)，隨后在銦鈦合金隨后在銦鈦合金中也發(fā)現(xiàn)了形狀中也發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)。記憶效應(yīng)。形狀記憶材料的發(fā)現(xiàn)形狀記憶材料的發(fā)現(xiàn)196219631970美國(guó)海軍軍械研美國(guó)海軍軍械研究所成員研究鎳究所成員研究鎳鈦合金時(shí)無(wú)意發(fā)鈦合金時(shí)無(wú)意發(fā)現(xiàn)被彎曲的鎳鈦現(xiàn)被彎曲的鎳鈦合金絲靠近雪茄合金絲靠近雪茄火焰的部

4、分自己火焰的部分自己伸直了。伸直了。軍械研究所宣布軍械研究所宣布在鎳鈦合金絲中在鎳鈦合金絲中發(fā)現(xiàn)了形狀記憶發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)。效應(yīng)。人們?cè)阢~鋁鎳合人們?cè)阢~鋁鎳合金中也發(fā)現(xiàn)了形金中也發(fā)現(xiàn)了形狀記憶現(xiàn)象，并狀記憶現(xiàn)象，并明確這種現(xiàn)象是明確這種現(xiàn)象是能產(chǎn)生熱彈性馬能產(chǎn)生熱彈性馬氏體相變的合金氏體相變的合金所共有的特性。所共有的特性。形狀記憶材料的發(fā)現(xiàn)形狀記憶材料的發(fā)現(xiàn)198419881989法國(guó)法國(guó)CDFChimie公司開發(fā)出了一種公司開發(fā)出了一種新型材料聚降冰片新型材料聚降冰片烯，該材料的分子烯，該材料的分子量很高量很高（300萬(wàn)以萬(wàn)以上），是一種典型上），是一種典型的熱致型形狀記憶的熱致型形狀記

5、憶聚合物聚合物日本的可樂麗公司日本的可樂麗公司合成出了形狀記憶合成出了形狀記憶聚異戊二烯。同年聚異戊二烯。同年，日本三菱重工開，日本三菱重工開發(fā)出了由異氰酸酯發(fā)出了由異氰酸酯，多元醇和擴(kuò)鏈劑，多元醇和擴(kuò)鏈劑三元共聚而成的形三元共聚而成的形狀記憶聚合物狀記憶聚合物PUR。日本杰昂公司日本杰昂公司開發(fā)出了以聚開發(fā)出了以聚酯為主要成分酯為主要成分的聚酯的聚酯合合金類形狀記憶金類形狀記憶聚合物。聚合物。Back形狀記憶材料的種類形狀記憶材料的種類形狀記憶合金形狀記憶合金形狀記憶陶瓷形狀記憶陶瓷形狀記憶聚合物形狀記憶聚合物1.11.1形狀記憶效應(yīng)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

6、溫狀態(tài)下經(jīng)過(guò)塑性變形后（另一形狀），通過(guò)加熱到這種材料固有的某一臨界溫度以上時(shí)，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(duì)于普通金屬材料，受到外力作用時(shí)，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力去除后，塑性變形永久保留下來(lái)，不能恢復(fù)原狀。 形狀記憶效應(yīng)，如左圖，材料加載過(guò)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(diǎn)卸載時(shí)，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)單程形狀記憶效應(yīng)雙程形狀記憶效應(yīng)雙程形狀記憶效應(yīng)全程形狀記憶效應(yīng)全程形狀記憶效應(yīng)按按形狀恢復(fù)情況形狀恢復(fù)情況可分為：可分為： 單

7、程形狀記憶效應(yīng)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(shí)將其任意變形，再加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，而重新冷卻時(shí)不能恢復(fù)低溫相的形狀。 雙程形狀記憶效應(yīng)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(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)恢復(fù)低溫相形狀，即通過(guò)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)全程形狀記憶效應(yīng) 材料加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹母邷叵嘈螤睢?它是一種特殊的雙程形狀記憶效應(yīng)，只能在富鎳的富鎳的Ti-NiTi-Ni合金合金中出現(xiàn)。1.2 形狀記憶機(jī)理形狀記憶機(jī)理 有序點(diǎn)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，

8、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(wú)宏觀變形；（b）馬氏體受外力作用時(shí)，變體界面移動(dòng)，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(dāng)去除外力時(shí)，無(wú)形狀改變；（d）當(dāng)加熱發(fā)生逆相變，馬氏體通過(guò)逆轉(zhuǎn)變恢復(fù)到母相形狀。 雙程和全程記憶效應(yīng)機(jī)理比較復(fù)雜，有許多問(wèn)題尚未搞清。形狀記憶過(guò)程中晶體結(jié)構(gòu)的變化 從微觀來(lái)看，形狀記憶效應(yīng)是晶體結(jié)構(gòu)的固有固有變化規(guī)律。通常金屬合金在固態(tài)時(shí)，原子按照一定規(guī)

9、律排列起來(lái)，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(dòng)力是由在加熱溫度下母母相和馬氏體相的自由能之差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)的合金叫具有形狀記憶效應(yīng)的合金叫形狀記憶合金形狀記憶合金(Shape (Shape Memory AlloyMemory Alloy，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱SMASMA) )。它是通過(guò)熱彈性與馬。它是通過(guò)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。種以上金屬元素所構(gòu)成的材料。 一般來(lái)說(shuō)，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(huì)恢復(fù)

10、原形；而這種合金在外力作用下雖會(huì)產(chǎn)生變形，當(dāng)把外力去掉，在一定的溫度條件下，能恢復(fù)原來(lái)的形狀。由于它具有百萬(wàn)次以上的恢復(fù)功能，因此叫做記記憶合金憶合金。二、二、 形狀記憶合金形狀記憶合金 人們發(fā)現(xiàn)的具有形狀記憶效應(yīng)的合金有5050多多種種。按組成和相變特征組成和相變特征可分為三大類：Ti-NiTi-Ni系形狀記憶合金系形狀記憶合金：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：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：

11、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。 SMASMA的特性的特性集傳感、驅(qū)動(dòng)、控制、換能于一身機(jī)械性質(zhì)優(yōu)良，能恢復(fù)的形變可高達(dá)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(shí)產(chǎn)生的回復(fù)應(yīng)力非常大，可達(dá)500MPa對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，不受溫度以外的其他因素影響無(wú)振動(dòng)噪聲，無(wú)污染抗疲勞，回憶變形500萬(wàn)次不疲勞變形目前研究得最全面、記憶性能最好、實(shí)用性強(qiáng)的合金材料目前研究得最全面、記憶性能最好、實(shí)用性強(qiáng)的合金材料 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：記憶效應(yīng)優(yōu)良、性能穩(wěn)定、生物相容性好記憶效應(yīng)優(yōu)良、性能穩(wěn)定、生物相容性好是目前唯一是目前唯一作為生物醫(yī)學(xué)材料的形狀

12、記憶合金。作為生物醫(yī)學(xué)材料的形狀記憶合金。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：制造過(guò)程較復(fù)雜，價(jià)格高昂制造過(guò)程較復(fù)雜，價(jià)格高昂Ti-Ni合金通過(guò)在合金通過(guò)在1000左右固溶后，在左右固溶后，在400 進(jìn)行時(shí)效處理，再淬火得到馬氏體。進(jìn)行時(shí)效處理，再淬火得到馬氏體。2.1 Ti-Ni2.1 Ti-Ni系形狀記憶合金系形狀記憶合金2.2 2.2 銅基系形狀記憶合金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?cè)谝寻l(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(gè)共同點(diǎn)是母相均為體心立方結(jié)構(gòu)。的一個(gè)共同點(diǎn)是母相均為體心立方結(jié)構(gòu)。 主要由主要由Cu-Zn和和Cu-A1兩個(gè)二元系發(fā)展而來(lái)。兩個(gè)二元系

13、發(fā)展而來(lái)。 通過(guò)第三元素可以有效地提高形狀記憶合金的相變溫通過(guò)第三元素可以有效地提高形狀記憶合金的相變溫度，發(fā)展了一系列的度，發(fā)展了一系列的Cu-Zn-X (X= Al, Ge鍺鍺 , Si, Sn錫錫, Be鈹鈹, Ni)三元合金。三元合金。24 性能特點(diǎn)性能特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：制造加工容易，價(jià)格便宜，相變點(diǎn)可在一定溫優(yōu)點(diǎn)：制造加工容易，價(jià)格便宜，相變點(diǎn)可在一定溫度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，不同成分的度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，不同成分的Cu-Zn-A1合金相變溫合金相變溫度不同。度不同。缺點(diǎn)：強(qiáng)度較低，形狀記憶穩(wěn)定性及耐疲勞性能差，缺點(diǎn)：強(qiáng)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。不具有生物相容性。 改善銅基系

14、合金的循環(huán)特性，提高記憶性能，可采?。焊纳沏~基系合金的循環(huán)特性，提高記憶性能，可采?。?a. 加入適量稀土和加入適量稀土和Ti、Mn、V、B等元素等元素(細(xì)化晶粒，提高滑細(xì)化晶粒，提高滑移形變抗力；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）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(dòng)作變化情況 以熱水或熱風(fēng)為熱源，開放溫度為以熱水或熱風(fēng)為熱源，開放溫度為6585，閉合溫，閉合溫度為室溫?；ɡ僦睆蕉葹槭覝亍；ɡ僦睆?0mm,展開直展開直徑徑200mm。 2.3 鐵

15、基系形狀記憶合金鐵基系形狀記憶合金 繼繼TiTiNiNi和銅基系以后，和銅基系以后，2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代以來(lái)，在許多鐵基合年代以來(lái)，在許多鐵基合金中發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)。金中發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)。 分為兩類：分為兩類： （1）熱彈性馬氏體相變熱彈性馬氏體相變 Fe-Pt, Fe-Pd, Fe-Ni-Co-Ti合金等；合金等； （2）應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變（非熱彈性馬氏體），（非熱彈性馬氏體）， Fe-Mn-Si, Fe-Cr-Ni-Mn-Si-Co合金等。合金等。 鐵基合金的形狀記憶效應(yīng)，既有通過(guò)熱彈性馬鐵基合金的形狀記憶效應(yīng)，既有通過(guò)熱彈性馬氏體相變來(lái)獲得，也有通過(guò)應(yīng)力誘發(fā)

16、氏體相變來(lái)獲得，也有通過(guò)應(yīng)力誘發(fā)-馬氏體相馬氏體相變變( (非熱彈性馬氏體非熱彈性馬氏體) )而產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)。而產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)。 例如，例如，F(xiàn)e-Mn-SiFe-Mn-Si合金經(jīng)淬火處理所得的馬氏體合金經(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(jià)格較低、程記憶效應(yīng)甚小，用于單程形狀記憶。價(jià)格較低、易加工，鐵基系中工業(yè)應(yīng)用首選材料。易加工，鐵基系中工業(yè)應(yīng)用首選材料。28 在理論研究不斷深入的同時(shí)，形狀記憶在理論研究不斷深入的同時(shí)，形狀記憶材料的應(yīng)用研究也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，其應(yīng)用材料的應(yīng)用研

17、究也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，其應(yīng)用范圍涉及機(jī)械、電子、宇航、能源、醫(yī)療和范圍涉及機(jī)械、電子、宇航、能源、醫(yī)療和日常生活等許多領(lǐng)域。美國(guó)以在航空航天的日常生活等許多領(lǐng)域。美國(guó)以在航空航天的應(yīng)用為代表，日本以日用產(chǎn)品為代表，而中應(yīng)用為代表，日本以日用產(chǎn)品為代表，而中國(guó)以醫(yī)療器械為代表。國(guó)以醫(yī)療器械為代表。：（1 1）緊固件、連接件、密封墊、管件接頭等。）緊固件、連接件、密封墊、管件接頭等。30 圖圖 形狀記憶合金用作鉚釘?shù)墓ぷ髟韴D形狀記憶合金用作鉚釘?shù)墓ぷ髟韴D31 高技術(shù)應(yīng)用：人造衛(wèi)星天線高技術(shù)應(yīng)用：人造衛(wèi)星天線 圖圖 Ti-NiTi-Ni形狀記憶合金制造的人造衛(wèi)星天線形狀記憶合金制造的人造衛(wèi)星天線美

18、國(guó)宇航局的月面天線計(jì)劃：美國(guó)宇航局的月面天線計(jì)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 5厘米以下的小團(tuán)，放入阿波羅厘米以下的小團(tuán)，放入阿波羅1111號(hào)的艙內(nèi)，在月面上經(jīng)太陽(yáng)光號(hào)的艙內(nèi)，在月面上經(jīng)太陽(yáng)光的照射加熱使它恢復(fù)到原來(lái)的拋物面形狀的照射加熱使它恢復(fù)到原來(lái)的拋物面形狀, ,從而能用空間有限的從而能用空間有限的火箭艙運(yùn)送體積龐大的天線?；鸺撨\(yùn)送體積龐大的天線。32 TiNi合金的生物相容性很好，利用其形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(shí)例相當(dāng)多。狀記憶效應(yīng)和超彈性的醫(yī)學(xué)實(shí)例相當(dāng)多。 如血栓過(guò)

19、濾器、脊柱矯形棒、牙齒矯形如血栓過(guò)濾器、脊柱矯形棒、牙齒矯形絲、腦動(dòng)脈瘤夾、接骨板、髓內(nèi)針、人工關(guān)絲、腦動(dòng)脈瘤夾、接骨板、髓內(nèi)針、人工關(guān)節(jié)、心臟修補(bǔ)元件、人造腎臟用微型泵等。節(jié)、心臟修補(bǔ)元件、人造腎臟用微型泵等。33 記憶合金用于骨骼固定記憶合金用于骨骼固定在醫(yī)學(xué)上，鎳在醫(yī)學(xué)上，鎳鈦合金與鈦合金與生物體有好的相容性，可以生物體有好的相容性，可以在人體內(nèi)作為固定折斷骨骼在人體內(nèi)作為固定折斷骨骼的插銷，做成接骨板，使斷的插銷，做成接骨板，使斷骨緊緊相接；骨緊緊相接； 用記憶合金做成精細(xì)的網(wǎng)用記憶合金做成精細(xì)的網(wǎng)絡(luò)，然后降低溫度壓成細(xì)絲，絡(luò)，然后降低溫度壓成細(xì)絲，插入血管，由于體溫使它恢插入血管，由于體溫使它恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)形狀，在血管里起血復(fù)網(wǎng)絡(luò)形狀，在血管里起血栓的過(guò)濾作用。栓的過(guò)濾作用。34 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(diǎn)。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