第11章機(jī)敏材料與智能材料

第十一章

機(jī)敏材料和智能材料

11.1機(jī)敏材料和智能材料的概念

智能材料是指對(duì)環(huán)境可感知、響應(yīng)和處理后，能適應(yīng)環(huán)境的材料。它是一種融材料技術(shù)和信息技術(shù)于一體的新概念功能材料。智能材料應(yīng)同時(shí)具備傳感(sensing)、處理(processing)和執(zhí)行(actuation)三種基本功能。（1）傳感功能。首先是對(duì)所處環(huán)境條件及其變化的感知，環(huán)境條件包括力、光、電、聲、磁、熱等物理、化學(xué)和生物條件。其次是把環(huán)境條件及其變化轉(zhuǎn)化為某種訊號(hào)傳導(dǎo)給處理器。（2）處理功能。包括信息積累、識(shí)別、比較、診斷、綜合、判斷和作出相應(yīng)的反應(yīng)，然后把反應(yīng)轉(zhuǎn)化為指令，傳達(dá)給執(zhí)行器。（3）執(zhí)行功能。包括報(bào)警、自檢測(cè)、自診斷、自監(jiān)控、自校正、自適應(yīng)、自分解、自增殖、自修復(fù)、自凈化、自愈合和自學(xué)習(xí)等。

機(jī)敏材料的英文原名為smartmaterial。對(duì)機(jī)敏材料也沒有統(tǒng)一的定義。有人認(rèn)為機(jī)敏材料就是智能材料，兩者之間并無(wú)區(qū)別，只是名稱不同。有人認(rèn)為機(jī)敏材料只有傳感和執(zhí)行兩種基本功能，比智能材料少一個(gè)處理功能。因而，從聰明程度來(lái)看，智能材料比機(jī)敏材料至少高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，機(jī)敏材料是一種較低階段的智能材料，所以一般把機(jī)敏材料和智能材料統(tǒng)稱為智能材料。

理論上講，智能材料可以從宏觀到微觀各種層次上來(lái)實(shí)現(xiàn)。宏觀層次上，單一的一種材料很難同時(shí)具備傳感、處理和執(zhí)行三種基本功能。往往要把幾種材料、元件或結(jié)構(gòu)組合在一起構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)才能同時(shí)具備上述的三種基本功能。這種結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)稱為智能結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)，它是由多種結(jié)構(gòu)材料（結(jié)構(gòu)）、功能材料（元件或結(jié)構(gòu)）所構(gòu)成。在微觀層次上如在分子、原子水平上，則有可能在一種材料中實(shí)現(xiàn)上述三種基本功能。這種材料才符合智能材料的定義。智能材料的基本功能隨著研究的進(jìn)展正在逐步豐富和發(fā)展，它的智能也從低級(jí)（如機(jī)敏材料）發(fā)展到比較高級(jí)（如仿生智能材料），最終可能發(fā)展到具有類似人類的部分智能。

研究智能材料最早的國(guó)家是美國(guó)和日本。隨后英、意、澳等也開展了智能材料的研究。我國(guó)對(duì)智能材料的研究也很重視，從1991年起就把智能材料列為國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家863計(jì)劃的研究項(xiàng)目，并已取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展。宏觀智能材料往往由結(jié)構(gòu)材料和具有傳感、處理或執(zhí)行功能的功能材料構(gòu)成。本章介紹幾種以前各章未講到的有傳感或執(zhí)行功能的材料，即形狀記憶材料、電流變流體、機(jī)敏窗口、刺激響應(yīng)型高聚物和高分子人工肌肉材料。有的文獻(xiàn)把這些材料也稱為智能材料，這不太確切。智能材料第一節(jié)智能材料基本原理1、什么是智能材料2、智能材料的特征3、智能材料的構(gòu)成4、智能材料的分類

智能材料是二十世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來(lái)的一類新型復(fù)合材料，將在21世紀(jì)得到廣泛研究和應(yīng)用的材料。

智能材料：是指具有感知環(huán)境（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）刺激，對(duì)之進(jìn)行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進(jìn)行適度響應(yīng)的具有智能特征材料。

1、什么是智能材料？目前，已經(jīng)實(shí)用化的智能材料包括：形狀記憶合金材料，如鎳—鈦材料，可用來(lái)制作汽車易損件、人造衛(wèi)星的天線等；電致、磁致變性材料等的應(yīng)用具體來(lái)說(shuō)，智能材料需具備以下內(nèi)涵：

(1)具有感知功能，能夠檢測(cè)并且可以識(shí)別外界(或者內(nèi)部)的刺激強(qiáng)度，如電、光、熱、應(yīng)力、應(yīng)變、化學(xué)、核輻射等；

智能材料的構(gòu)想來(lái)源于仿生學(xué)，它的目標(biāo)就是想研制出一種材料，使它成為具有類似于生物的各種功能的“活”的材料。因此智能材料必須具備感知、驅(qū)動(dòng)和控制這三個(gè)基本要素。但是現(xiàn)有的材料一般比較單一，難以滿足智能材料的要求，所以智能材料一般由兩種或兩種以上的材料復(fù)合構(gòu)成一個(gè)智能材料系統(tǒng)。

智能材料的設(shè)計(jì)、制造、加工和性能結(jié)構(gòu)特征均涉及到了材料學(xué)的最前沿領(lǐng)域，使智能材料代表了材料科學(xué)的最活躍方面和最先進(jìn)的發(fā)展方向。

智能材料應(yīng)用的簡(jiǎn)單事例：某些太陽(yáng)鏡的鏡片當(dāng)中含有智能材料，這種智能材料能感知周圍的光，并能夠?qū)獾膹?qiáng)弱進(jìn)行判斷，當(dāng)光強(qiáng)時(shí)，它就變暗，當(dāng)光弱時(shí)，它就會(huì)變的透明。2、智能材料的特征因?yàn)樵O(shè)計(jì)智能材料的兩個(gè)指導(dǎo)思想：是材料的多功能復(fù)合和材料的仿生設(shè)計(jì)。智能材料系統(tǒng)具有或部分具有如下的智能功能和生命特征：傳感功能（Sensor）

能夠感知外界或自身所處的環(huán)境條件，如負(fù)載、應(yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)、熱、光、電、磁、化學(xué)、核輻射等的強(qiáng)度及其變化。(2)反饋功能（Feedback）可通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)系統(tǒng)輸入與輸出信息進(jìn)行對(duì)比，并將其結(jié)果提供給控制系統(tǒng)。(3)信息識(shí)別與積累功能能夠識(shí)別傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信息并將其積累起來(lái)。(4)響應(yīng)功能

能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化，適時(shí)動(dòng)態(tài)地作出相應(yīng)的反應(yīng)，并采取必要行動(dòng)。(5)自診斷能力（Self-diagnosis）

能通過(guò)分析比較系統(tǒng)目前的狀況與過(guò)去的情況，對(duì)諸如系統(tǒng)故障與判斷失誤等問(wèn)題進(jìn)行自診斷并予以校正。（6）自修復(fù)能力（Self-recovery）

能通過(guò)自繁殖、自生長(zhǎng)、原位復(fù)合等再生機(jī)制，來(lái)修補(bǔ)某些局部損傷或破壞。（7）自調(diào)節(jié)能力（Self-adjusting）對(duì)不斷變化的外部環(huán)境和條件，能及時(shí)地自動(dòng)調(diào)整自身結(jié)構(gòu)和功能，并相應(yīng)地改變自己的狀態(tài)和行為，從而使材料系統(tǒng)始終以一種優(yōu)化方式對(duì)外界變化作出恰如其分的響應(yīng)。3、智能材料的構(gòu)成

一般來(lái)說(shuō)智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動(dòng)材料和信息處理器四部分構(gòu)成。（1）基體材料

基體材料擔(dān)負(fù)著承載的作用，一般宜選用輕質(zhì)材料。一般基體材料首選高分子材料，因?yàn)槠渲亓枯p、耐腐蝕，尤其具有粘彈性的非線性特征。其次也可選用金屬材料，以輕質(zhì)有色合金為主。（2）敏感材料

敏感材料擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)，其主要作用是感知環(huán)境變化（包括壓力、應(yīng)力、溫度、電磁場(chǎng)、pH值等）。常用敏感材料:如形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材料、電致變色材料、電流變體、磁流變體和液晶材料等。（3）驅(qū)動(dòng)材料

因?yàn)樵谝欢l件下，驅(qū)動(dòng)材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力，所以它擔(dān)負(fù)著響應(yīng)和控制的任務(wù)。常用有效驅(qū)動(dòng)材料如形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等。可以看出，這些材料既是驅(qū)動(dòng)材料又是敏感材料，顯然起到了身兼二職的作用，這也是智能材料設(shè)計(jì)時(shí)可采用的一種思路。（4）其它功能材料

包括導(dǎo)電材料、磁性材料、光纖和半導(dǎo)體材料等。4、智能材料的分類

智能材料是繼天然材料、人造材料、精細(xì)材料之后的第四代功能材料。

因?yàn)楝F(xiàn)在可用于智能材料的材料種類不斷擴(kuò)大，所以智能材料的分類也只能是粗淺的，分類方法有多種。若按智能材料的功能來(lái)分，可以分為光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金、壓電、電流變體和電（磁）致伸縮材料等。若按智能材料的化學(xué)成分來(lái)分，可以分為金屬系智能材料、無(wú)機(jī)非金屬系智能材料和高分子系智能材料。目前研究開發(fā)的金屬系智能材料主要有形狀記憶合金和形狀記憶復(fù)合材料兩大類；

無(wú)機(jī)非金屬系智能材料：在電流變體、壓電陶瓷、光致變色和電致變色材料等方面發(fā)展較快；常用的智能材料1、形狀記憶合金

一般金屬材料受到外力作用后，首先發(fā)生彈性變形，達(dá)到屈服點(diǎn)，就產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力消除后留下永久變形。但有些材料，在發(fā)生了塑性變形后，經(jīng)過(guò)合適的熱過(guò)程，能夠回復(fù)到變形前的形狀，這種現(xiàn)象叫做形狀記憶效應(yīng)（SME）。

形狀記憶材料兼有傳感和驅(qū)動(dòng)的雙重功能，可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的微型化和智能化，如機(jī)器人、毫米級(jí)超微型機(jī)械手等。21世紀(jì)將成為材料電子學(xué)的時(shí)代。形狀記憶合金的機(jī)器人的動(dòng)作，除了溫度外，不受任何環(huán)境條件的影響，可望在反應(yīng)堆、加速器、太空實(shí)驗(yàn)室等高技術(shù)領(lǐng)域大顯身手。2、電流變體和磁流變體

電致、磁致變體智能材料大多是由合成材料或陶瓷材料制成的，具有在電場(chǎng)或磁場(chǎng)的作用下發(fā)生變性的能力，其變化的大小與電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度有關(guān)?？茖W(xué)家研制成功一種電致變性材料，這種材料在接通電流時(shí)，可以從液體變?yōu)榻咏腆w。

電流變體：

1947年，一個(gè)叫溫斯洛的美國(guó)人發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象。他把石膏、石灰和炭粉加在橄欖油中，然后加水?dāng)嚦梢环N懸浮液，想看看這種懸浮液能不能導(dǎo)電。結(jié)果：這種懸浮液沒有加上電場(chǎng)時(shí)，可以像水或油一樣自由地流動(dòng)；可是一加上電場(chǎng)，自由流動(dòng)的液體變成固體，而且隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，固體的強(qiáng)度也在增加。當(dāng)撤消電場(chǎng)時(shí)，它又能立即由固體變回液體。

由于這種懸浮液可以用電場(chǎng)來(lái)控制，因此科學(xué)家們就把它叫做“電流變體”，并把這種現(xiàn)象稱為“溫斯洛現(xiàn)象”。軟體遙控器：采用了軟體的設(shè)計(jì)，看上去就像是癱死在那里一樣。不過(guò)一旦遙控器啟動(dòng)，它就會(huì)變得堅(jiān)硬起來(lái)，就像是復(fù)活了一樣。不僅如此，啟動(dòng)后，遙控器內(nèi)還會(huì)發(fā)出光亮，非常漂亮。

如果向空心復(fù)合梁中充入電流變性液體材料，在外電場(chǎng)的作用下，這種液體材料就會(huì)變硬，從而使梁變成僵硬狀。電致變性材料還可以用作在地震時(shí)能自動(dòng)加固建筑物的基礎(chǔ)。3、磁致伸縮材料

目前磁致伸縮智能材料的主流是稀土磁致伸縮材料，稀土超磁致伸縮材料是近期才發(fā)展起來(lái)的一種新型功能材料。

物質(zhì)有熱脹冷縮的現(xiàn)象。除了加熱外，磁場(chǎng)和電場(chǎng)也會(huì)導(dǎo)致物體尺寸的伸長(zhǎng)或縮短發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的磁致伸縮效應(yīng)后，人們就一直想利用這一物理效應(yīng)來(lái)制造有用的功能器件與設(shè)備。研究和發(fā)展了一系列磁致伸縮材料，主要有三大類：即：磁致伸縮的金屬與合金，如鎳基合金（Ni，Ni－Co合金，Ni－Co－Cr合金）和鐵基合金（如Fe－Ni合金，F(xiàn)e－Al合金，F(xiàn)e－Co－V合金等）和鐵氧體磁致伸縮材料。稀土超磁致伸縮材料磁致伸縮：指的是對(duì)軟磁體進(jìn)行磁化后，其形狀、大小會(huì)發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。磁致伸縮現(xiàn)象具有各向異性。當(dāng)長(zhǎng)度為l的磁性材料在磁化方向上的長(zhǎng)度變化為ΔL時(shí)，磁致伸縮率可表示為：λ=ΔL/l。由于磁致伸縮率一般在10-5以下，所以對(duì)磁致伸縮效應(yīng)的應(yīng)用遠(yuǎn)不如對(duì)壓電效應(yīng)的應(yīng)用廣泛。到20世紀(jì)60、70年代后，發(fā)現(xiàn)了伸縮率在10-3的超磁致伸縮材料。磁致伸縮效應(yīng)才重新受到重視。磁致伸縮材料在電磁場(chǎng)的作用下可以產(chǎn)生微變形或聲能，也可以將微變形或聲能轉(zhuǎn)化為電磁能。

聲波儀：發(fā)射機(jī)是一種聲源訊號(hào)的發(fā)射器，由它向電致材料（或磁制）制成的換能器輸送電脈沖，激勵(lì)換能器的晶片，使之振動(dòng)而產(chǎn)生聲波，向巖體發(fā)射。聲波在巖體中以彈性波形式傳播，然后由接收換能器加以接收，該換能器將聲能轉(zhuǎn)換成電子訊號(hào)送到接收機(jī)，經(jīng)放大后在接收機(jī)的示波管屏幕上顯示波形。若將接收機(jī)與微機(jī)連接，則可對(duì)聲波訊號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理。

磁致伸縮智能材料具有磁致伸縮值大、機(jī)械響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，在國(guó)防、航空航天和高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。磁致伸縮智能材料的主要用途（1）由于稀土超大磁致伸縮材料比傳統(tǒng)材料在性能上有了驚人的提高，所以在電器、家電、通訊器材、電腦等生產(chǎn)領(lǐng)域，稀土磁致伸縮材料逐漸取代了傳統(tǒng)的磁致伸縮材料和電致伸縮材料，使產(chǎn)品升級(jí)和更新?lián)Q代更加容易。對(duì)于磁致伸縮智能材料的應(yīng)用，目前，美國(guó)位居各國(guó)之首，其成功標(biāo)志在于開發(fā)出了一系列用于軍事目的的尖端產(chǎn)品，如艦艇水下聲納探測(cè)系統(tǒng)以及導(dǎo)彈發(fā)射控制裝置等。我國(guó)對(duì)磁致伸縮智能材料新產(chǎn)品的開發(fā)也呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢(shì)頭。如開發(fā)出的大功率巖體聲波探測(cè)器，應(yīng)用于三峽工程和地球物理勘探；開發(fā)出的井下物理法采油裝置；

光致變色玻璃

光致變色玻璃是一種能在光的激發(fā)下發(fā)生變色反應(yīng)的玻璃。

含鹵化銀的堿鋁硼硅酸鹽光色玻璃受到紫外光和可見光照射時(shí)，氯化銀晶體分解為Ag和Cl原子，析出的銀原子團(tuán)簇使玻璃顏色變深，從而阻止陽(yáng)光的透過(guò)。發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)如下：

式中，h1為短波激活光能；h2為長(zhǎng)波光源光能；△為加熱退色效應(yīng)。h1玻璃變色過(guò)程中，發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)如下：

在沒有紫外線照射時(shí)，原來(lái)分解產(chǎn)生的銀和鹵素原子又重新結(jié)合恢復(fù)為無(wú)色的氯化銀AgCl，原于團(tuán)簇解體，玻璃(鏡片)褪色。因此，變色眼鏡在陽(yáng)光下變深，在室內(nèi)則恢復(fù)透明。

若配料中加入少量敏化劑，就能顯著地提高敏感性，并增大光致變色的變暗能力。如加入Cu2O時(shí)，Cu+

是一種增感劑

Cu+在氯化銀晶體中作為空穴的捕獲中心，它的存在增加了光解銀原子Ag0的濃度，使玻璃的變暗靈敏度大大提高。h1

光致變色玻璃具有隨光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)光的透過(guò)率的自適應(yīng)特性，因而被稱為光敏型智能玻璃，除用作變色眼鏡外，還用作汽車防護(hù)玻璃、航天器窗口、激光防護(hù)、以及裝飾等。

高分子智能材料：成分是水和一種聚合物的混合物,低溫下是透明的膠狀半流體,當(dāng)天氣變曖時(shí),它就變成白色,這一變化過(guò)程是可逆的.聚合物的一部分是油質(zhì)成分,在低溫時(shí)油質(zhì)成分把水分子以一種冰凍的方式聚集在這種聚合物纖維的周圍,就像"一件冰茄克衫",這種像繩子似的聚合物是成串排列起來(lái)的,呈透明狀,可以透過(guò)90%的光線.

當(dāng)它被加熱時(shí),這種聚合物分子就像"面條在沸水里"那樣翻滾,并拋棄它們的像冰似的"冰茄克衫",使聚合物纖維得以聚在一起,此時(shí),"云膠"又從清澈透明變成為白色,可阻擋90%的光.這種變化可在兩三度溫差范圍內(nèi)完成.

建筑物如果具有像這樣的"皮膚",就可以適應(yīng)周圍的環(huán)境.當(dāng)天氣寒冷時(shí),它就變成透明的,讓陽(yáng)光照射進(jìn)來(lái);當(dāng)天氣暖和且必須把陽(yáng)光擋住時(shí),它就變得半透明.充滿云膠的多層玻璃,不僅可用作天花板,而且可用作墻壁.11.2形狀記憶材料一、形狀記憶材料的概念形狀記憶材料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。二、形狀記憶合金形狀記憶合金：通過(guò)熱彈性與馬氏體相變及其反轉(zhuǎn)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）形狀記憶合金的基本原理（二）形狀記憶合金的種類和發(fā)展（三）形狀記憶合金的應(yīng)用三、形狀記憶高聚物形狀記憶高聚物是由固定相（硬相）和軟化－硬化可逆相（軟相）構(gòu)成，通過(guò)可逆相的可逆變化而具有形狀記憶效應(yīng)。（一）形狀記憶高聚物的基本原理（二）形狀記憶高聚物的種類（三）形狀記憶高聚物的應(yīng)用一、形狀記憶效應(yīng)二、形狀記憶效應(yīng)的機(jī)理(Mechanism)三、相變超彈性(Pseudoelasticity)四、形狀記憶合金材料(SMAMaterials)

五、形狀記憶合金的應(yīng)用(Applications)六、材料學(xué)方面的問(wèn)題(Problems)形狀記憶合金形狀記憶效應(yīng):1961年美國(guó)海軍軍械實(shí)驗(yàn)室首先研究了Ni-Ti合金的形狀記憶效應(yīng)。在一次試驗(yàn)中他們將試驗(yàn)用彎曲的鎳-鈦合金絲拉直后升溫試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)被拉直的鎳-鈦合金絲突然又全部恢復(fù)到原來(lái)彎曲的形狀,而且和原來(lái)一模一樣,具有良好的形狀記憶效應(yīng)。?合金的這種記憶效應(yīng)是由合金的“相變化”來(lái)實(shí)現(xiàn)的，隨著溫度的改變，合金的結(jié)構(gòu)從一相轉(zhuǎn)變到另一相。?記憶合金的開發(fā)迄今不過(guò)20余年，但由于其在各領(lǐng)域的特效應(yīng)用，正廣為世人所矚目，被譽(yù)為"神奇的功能材料"。形狀記憶效應(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)。(1)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)。三種記憶效應(yīng)如下圖所示。

目前，已開發(fā)成功的形狀記憶合金有TiNi基形狀記憶合金、銅基形狀記憶合金、鐵基形狀記憶合金等。

鋼淬火變硬的現(xiàn)象圖11.1馬氏體相變晶體學(xué)模型f.c.c.b.c.c馬氏體相變二、形狀記憶效應(yīng)的機(jī)理馬氏體相變平面示意圖馬氏體相變的基本特征無(wú)擴(kuò)散切變型相變點(diǎn)陣不變平面應(yīng)變固定取向關(guān)系馬氏體片內(nèi)具有亞結(jié)構(gòu)相變具有可逆性臨界轉(zhuǎn)變溫度?馬氏體相變與其他相變一樣，具有可逆性。當(dāng)冷卻時(shí)，由高溫母相變?yōu)轳R氏體相，稱為冷卻相變，用Ms、Mf分別表示馬氏體相變開始與終了的溫度。?加熱時(shí)發(fā)生馬氏體逆變?yōu)槟赶嗟倪^(guò)程。該逆相變的起始和終止溫度分別用As與Af表示。馬氏體相變的一些臨界溫度?一般材料的相變溫度滯后（As-Ms）非常大，例如Fe-Ni合金約400℃。各個(gè)馬氏體片幾乎在瞬間就達(dá)到最終尺寸，一般不會(huì)隨溫度降低而再長(zhǎng)大。?在記憶合金中，相變滯后程度小，例如Au-47.5%Cd（原子分?jǐn)?shù)）合金的相變滯后僅為15℃。冷卻過(guò)程中形成的馬氏體會(huì)隨著溫度變化而繼續(xù)長(zhǎng)大或收縮，母相與馬氏體相的界面隨之進(jìn)行彈性式的推移。

形狀記憶效應(yīng)與其組織變化有關(guān)，這種組織變化就是馬氏體相變。形狀記憶合金應(yīng)具備以下三個(gè)條件：①馬氏體相變是熱彈性類型的；②馬氏體相變通過(guò)孿生(切變)完成，而不是通過(guò)滑移產(chǎn)生；③母相和馬氏體相均屬有序結(jié)構(gòu)。

由母相中形成馬氏體時(shí)，產(chǎn)生一定的應(yīng)變。顯然，不同取向的馬氏體變體的應(yīng)變?cè)谀赶嘀械姆较蚴遣煌?。?dāng)某一變體在母相中形成時(shí)，產(chǎn)生某一方向的應(yīng)變場(chǎng)，隨變體的長(zhǎng)大，應(yīng)變能不斷增加，變體的長(zhǎng)大越來(lái)越困難。為降低應(yīng)變能，在已形成的變體周圍會(huì)形成新的變體，新變體的應(yīng)變方向與已形成的變體的應(yīng)變場(chǎng)互相抵消或部分抵消。有均勻體積變化，無(wú)明顯形狀改變。馬氏體的自適應(yīng)形成

對(duì)組織為自適應(yīng)馬氏體的樣品施加外力時(shí)，在較小的應(yīng)力作用下，馬氏體變體以其應(yīng)變方向與外加應(yīng)力相適應(yīng)而再取向。

即變體的應(yīng)變方向與外加應(yīng)力方向最接近的變體通過(guò)吞并其它應(yīng)變方向與外加應(yīng)力不相適應(yīng)的變體而長(zhǎng)大，直至整個(gè)樣品內(nèi)的各個(gè)不同取向的變體最終轉(zhuǎn)變成一個(gè)變體。樣品顯示出宏觀形狀的變化。卸去應(yīng)力后，變形保持下來(lái)。

馬氏體的再取向

只有將其加熱到Af以上，由于熱彈性馬氏體在晶體學(xué)上可逆性，也就是在相變中形成的各個(gè)馬氏體變體和母相的特定位向的點(diǎn)陣存在嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此逆相變時(shí)，只能回到原有的母相狀態(tài)，這樣也就回復(fù)到原狀。這就是形狀記憶的基本原理。由上述討論可知，具有形狀記憶效應(yīng)的合金應(yīng)具備如下條件：①馬氏體相變是熱彈性的；但只是必要條件②馬氏體點(diǎn)陣的不變切變?yōu)閷\變，亞結(jié)構(gòu)為孿晶或位錯(cuò)；⑦母相和馬氏體均為有序點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；④相變時(shí)在晶體學(xué)上具有完全可逆性。?必須指出的是：近來(lái)開發(fā)的鐵系等少量合金通過(guò)非熱彈性馬氏體相變也可顯示形狀記憶效應(yīng)，因此熱彈性馬氏體并不是具有形狀記憶效應(yīng)的必要條件。?近年來(lái)，在陶瓷材料、高分子材料也發(fā)現(xiàn)了記憶效應(yīng)。三、相變超彈性

馬氏體還可由應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生，在高于Ms的某一溫度（Md）以下對(duì)合金施加外力引起馬氏體相變所形成的馬氏體稱應(yīng)力誘發(fā)馬氏體。應(yīng)力去除后，變形馬氏體又變回該溫度下的穩(wěn)定母相，恢復(fù)母相原來(lái)形狀，應(yīng)變消失,這種現(xiàn)象稱超彈或偽彈性?應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的合金的馬氏體數(shù)量為外加應(yīng)力的函數(shù)，即當(dāng)施加的外應(yīng)力增加時(shí)，母相轉(zhuǎn)變成馬氏體相的數(shù)量增加，當(dāng)應(yīng)力減少時(shí)則進(jìn)行逆相變使母相增多。?外應(yīng)力對(duì)誘發(fā)相變的作用不僅與合金種類有關(guān)，而且受試驗(yàn)溫度的影響。在Ms以上，某一定溫度以下，應(yīng)力或形變會(huì)導(dǎo)致馬氏體的形成，將此溫度稱為Md溫度。

形狀記憶過(guò)程馬氏體自適應(yīng)形（Ms

–Mf）宏觀均勻變形，無(wú)明顯形狀變化馬氏體再取向（Mf以下施加一定限度內(nèi)的應(yīng)力），有明顯形狀變化馬氏體逆轉(zhuǎn)變回母相，形狀變化消失施加應(yīng)力馬氏體沿應(yīng)力方向擇優(yōu)形成（Md以下），有明顯形狀變化卸除應(yīng)力馬氏體逆轉(zhuǎn)變回母相（Af以上），形狀變化消失超彈性過(guò)程四、形狀記憶合金材料

已發(fā)現(xiàn)的形狀記憶合金種類很多，可以分為Ti-Ni系、銅系、鐵系合金三大類。目前已實(shí)用化的形狀記憶合金只有Ti-Ni系合金和銅系合金。1、Ni-Ti形狀記憶合金

基本特點(diǎn)：具有良好的力學(xué)性能，抗疲勞，耐磨損，抗腐蝕。記憶效應(yīng)優(yōu)良、生物相容性好等一系列的優(yōu)點(diǎn)。但制造過(guò)程較復(fù)雜、價(jià)格高昂。

用極薄的記憶合金材料先在正常情況下按預(yù)定要求做好，然后降低溫度把它壓成一團(tuán)，裝進(jìn)登月艙帶上天去。放到艙面上以后，在陽(yáng)光照射下溫度升高，當(dāng)達(dá)到轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，天線又“記”起了自己的本來(lái)面貌，變成一個(gè)巨大的半球形。

注意：實(shí)用成分的TiNi合金在固溶處理后，如果隨后的冷卻不夠快(如爐冷)，就會(huì)產(chǎn)生Ti2Ni和Ni3Ti這三個(gè)金屬間化合物，由于這兩種相不具有可逆性，因而破壞了形狀記憶效果。需要盡量避免該類相的產(chǎn)生?；鞠啵璗iNi相：?表征材料記憶性能的主要參數(shù)：包括記憶合金隨溫度變化所表現(xiàn)出的形狀回復(fù)程度，回復(fù)應(yīng)力，使用中的疲勞壽命，也就是經(jīng)歷一定熱循環(huán)或應(yīng)力循環(huán)后記憶特性的衰減情況。此外，相變溫度及正、逆相變的溫度滯后更是關(guān)鍵參數(shù)。?影響記憶特性主要參數(shù)的因素有：合金的成分、成材工藝、熱處理(包括冷、熱加工)條件及其使用情況等。

1)成分：是最敏感因素之一：Ni含量每增加0.1％，相變溫度降低10℃。2)第三元素:Fe、Co可降低Ms；Cu置換Ni可減少相變滯后，節(jié)約合金成本；Nb使相變滯后明顯增加；開發(fā)的寬滯后記憶合金。3)雜質(zhì)元素:碳、氫、氧等降低Ms。4)時(shí)效溫度、時(shí)效時(shí)間明顯影響相變溫度。(2)影響相變溫度的因素(3)合金制備

?由高純電介鎳與海綿鈦?zhàn)髟?，采用高頻感應(yīng)爐與自耗爐(電弧熔煉法)或等離子體與電弧熔煉法獲得了TiNi合金鑄錠。?隨后在700~800℃進(jìn)行熱加工，包括模鍛、擠壓及軋制。絲狀產(chǎn)品可通過(guò)冷拔，每次加工率小于20％，為消除加工硬化，冷加工期間可在700-800℃進(jìn)行多次退火。五、形狀記憶合金的應(yīng)用(Applications)

形狀記憶合金在工程上的應(yīng)用很多，最早的應(yīng)用就是作各種結(jié)構(gòu)件，如緊固件、連接件、密封墊等。另外，也可以用于一些控制元件，如一些與溫度有關(guān)的傳感及自動(dòng)控制。1.工業(yè)上的應(yīng)用⑴連接件：用作連接件，是形狀記憶合金用量最大的一項(xiàng)用途。連接方法是預(yù)先將管接頭內(nèi)徑做成比待接管外徑小4%，在Ms以下馬氏體非常軟，可將接頭擴(kuò)張插入管子，在高于As的使用溫度下，接頭內(nèi)徑將復(fù)原。(a)成型(T>Af)(b)彎曲應(yīng)變(T<Mf)

(c)插入(T<Mf)

(d)加熱(T>Af工作溫度)

形狀記憶合金鉚接件鉚接示意圖

利用形狀記憶合金也可以制作成消防報(bào)警裝置及電器設(shè)備的保安裝置。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，記憶合金制成的彈簧發(fā)生形變，啟動(dòng)消防報(bào)警裝置，達(dá)到報(bào)警的目的。SMA火災(zāi)報(bào)警器

在航天上，可用形狀記憶合金制作航天用天線，將合金在母相狀態(tài)下焊成拋物面形，在馬氏體狀態(tài)下壓成團(tuán)，送上太空后,在陽(yáng)光加熱下又恢復(fù)拋物面形。此外，超彈性合金作為機(jī)械儲(chǔ)能材料也很有前景。利用超彈性可制作手機(jī)天線、眼鏡架、胸衣托架、耳機(jī)托架等。用記憶合金制作的眼鏡架。當(dāng)這種眼鏡架彎曲時(shí)，只要將它放入55。C的溫水中，即可恢復(fù)到原來(lái)的形狀。各種醫(yī)用引導(dǎo)絲和支架MedicalcatheterandStents六、材料學(xué)方面的問(wèn)題形狀記憶合金在應(yīng)用上還存在不少材料學(xué)方面的問(wèn)題.⑴相變點(diǎn)調(diào)整：相變點(diǎn)與合金種類、成分及熱處理?xiàng)l件有關(guān),尤其對(duì)成分非常敏感。如Ti-Ni合金Ni含量(at)由50%變到51%時(shí)，Ms點(diǎn)則由60℃變到-30℃，As點(diǎn)由78℃變到-12℃。對(duì)Ti-Ni合金可用不同相變點(diǎn)粉末混合,使相變點(diǎn)控制在±2℃之內(nèi)。⑵淬透性：合金緩冷時(shí)大多要發(fā)生共析分解，需要提高淬透性,可通過(guò)合金化解決。如在Cu-Zn合金中加Al.11.3電流變流體一、電流變流體的概念在電場(chǎng)作用下，材料的流變性質(zhì)發(fā)生變化，稱之為電場(chǎng)致流變效應(yīng)，簡(jiǎn)稱電流變效應(yīng)。具有電流變效應(yīng)的流體均可稱為電流變流體。電流變流體是指一種含有兩相或兩相以上的懸浮體，在外加電場(chǎng)作用下，能在極短時(shí)間內(nèi)，其流變性能發(fā)生顯著變化，如表觀粘度和彈性模量劇增幾個(gè)數(shù)量級(jí)，由液體向固體轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變是可逆的，電場(chǎng)除去后，固體很快變回成液體。二、電流變效應(yīng)的機(jī)理三、電流變流體的組成和種類四、電流變流體的應(yīng)用前景11.4機(jī)敏窗口一、機(jī)敏窗口的概念電色窗口是一種利用電致變色原理，由基體玻璃和電致變色系統(tǒng)構(gòu)成的一種窗口。這種窗口在外電場(chǎng)作用下，引起顏色的可逆變化，從而可調(diào)節(jié)其對(duì)光的吸收率、透過(guò)率和反射率三者的比例關(guān)系。因而是一種光、熱可調(diào)性窗口。由于具有調(diào)節(jié)執(zhí)行功能，又稱之為機(jī)敏窗口。二、機(jī)敏窗口的特征值和對(duì)它的要求三、機(jī)敏窗口的結(jié)構(gòu)四、機(jī)敏窗口的調(diào)光和調(diào)熱原理五、電致變色層（一）無(wú)機(jī)電致變色材料（二）高聚物電致變色材料（三）復(fù)合型電致變色材料六、離子導(dǎo)體層七、離子儲(chǔ)存層八、透明導(dǎo)電層九、機(jī)敏窗口的制備方法十、機(jī)敏窗口的種類、發(fā)展方向和應(yīng)用前景11.5刺激效應(yīng)型高聚物一、刺激響應(yīng)型高聚物的概念刺激響應(yīng)型高聚物是一類對(duì)于外界環(huán)境微小物理或化學(xué)刺激能發(fā)生迅速響應(yīng)，而使自身的某些物理或化學(xué)性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)突變的聚合物。二、刺激響應(yīng)水凝膠（一）高聚物水凝膠的溶脹機(jī)理（二）刺激響應(yīng)水凝膠的種類三、其他刺激響應(yīng)型高聚物（一）溫度響應(yīng)高聚物（二）刺激響應(yīng)高聚物水溶液（三）載體表面的刺激響應(yīng)高聚物（四）刺激響應(yīng)高聚物膜（五）刺激響應(yīng)高聚物的應(yīng)用11.6高分子人工肌肉材料一、高分子人工肌肉材料的概念天然肌肉的主要特征之一是將化學(xué)能等溫高效地直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。高分子人工肌肉材料：具有天然肌肉將化學(xué)能等溫高效地直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的特性的材料。(收縮性差距)二、高分子人工肌肉的特征值和對(duì)它的要求三、高分子人工肌肉的種類、發(fā)展動(dòng)向和應(yīng)用前景（一）MC型人工肌肉（二）EMC型人工肌肉11.