形狀記憶材料與智能材料課件

2023/12/141

形狀記憶材料與智能材料2023/12/142形狀記憶材料和智能材料Ti-Ni形狀記憶合金制造的人造衛(wèi)星天線2023/12/143形狀記憶效應(yīng)(ShapeMemoryEffect,簡稱SME)形狀記憶效應(yīng)——將材料在一定條件下進行一定限度以內(nèi)的變形后，再對材料施加適當(dāng)?shù)耐饨鐥l件，材料的變形隨之消失而回復(fù)到變形前的形狀的現(xiàn)象。具有形狀記憶效應(yīng)的材料——形狀記憶材料形狀記憶材料2023/12/144具有形狀記憶效應(yīng)的金屬，通常是由2種以上的金屬元素構(gòu)成的合金，故稱為形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloys，簡稱SMA)。

20世紀(jì)80年代先后在高分子聚合物、陶瓷材料、超導(dǎo)材料中發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。形狀記憶材料2023/12/145形狀記憶效應(yīng)可分為3種類型：①單程形狀記憶效應(yīng)②雙程形狀記憶效應(yīng)③全程形狀記憶效應(yīng)

形狀記憶材料2023/12/146單程形狀記憶效應(yīng)——材料在高溫下制成某種形狀，在低溫相時將其任意變形，再加熱時恢復(fù)為高溫相形狀，而重新冷卻時卻不能恢復(fù)低溫相時的形狀。

形狀記憶材料圖1單程形狀記憶效應(yīng)2023/12/147雙程形狀記憶效應(yīng)——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)恢復(fù)上下溫相形狀的現(xiàn)象，或稱為可逆形狀記憶效應(yīng)。形狀記憶材料圖2雙程形狀記憶效應(yīng)2023/12/148全程形狀記憶效應(yīng)——當(dāng)加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹母邷叵嘈螤畹默F(xiàn)象。只能在

富鎳的Ti-Ni合金中出現(xiàn)。

形狀記憶材料圖3全程形狀記憶效應(yīng)2023/12/149Ti-Ni基形狀記憶合金Cu基形狀記憶合金

Fe基形狀記憶合金

形狀記憶合金的應(yīng)用

形狀記憶材料4.1.2主要幾類形狀記憶合金2023/12/14101、Ti-Ni基形狀記憶合金

優(yōu)點：記憶效應(yīng)優(yōu)良、性能穩(wěn)定、生物相容性好缺點：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。形狀記憶材料2023/12/14112、Cu基形狀記憶合金主要由Cu-Zn和Cu-A1兩個二元系開展而來。通過第三元素可以有效地提高形狀記憶合金的相變溫度，開展了一系列的Cu-Zn-X(X=Al,Ge,Si,Sn錫,Be鈹,Ni)三元合金。Cu-Zn-A1基形狀記憶合金Cu-A1-Ni基形狀記憶合金形狀記憶材料2023/12/1412性能特點優(yōu)點：制造加工容易，價格廉價，具有良好的記憶性能，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，穩(wěn)定性及耐疲勞性能差，不具有生物相容性。形狀記憶材料2023/12/14133、Fe基形狀記憶合金

分為兩類：

〔1〕熱彈性馬氏體相變Fe-Pt,Fe-Pd鈀,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〕，F(xiàn)e-Mn-Si,Fe-Cr-Ni-Mn-Si-Co合金等。

形狀記憶材料2023/12/1414性能特點：價格較Ti-Ni系和Cu基系合金廉價，原料易得，可以采用現(xiàn)有的鋼鐵工藝進行冶煉和加工，強度高，剛性好，適用作結(jié)構(gòu)材料，也可作特種用途材料，在應(yīng)用方面具有明顯的競爭優(yōu)勢。形狀記憶特性比Ti-Ni合金差。形狀記憶材料2023/12/14154、形狀記憶合金的應(yīng)用形狀記憶材料2023/12/1416①高技術(shù)中的應(yīng)用：制造人造衛(wèi)星天線

圖12Ti-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方案：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。形狀記憶材料2023/12/1417②工程應(yīng)用:緊固件、連接件、密封墊、管件接頭等圖13形狀記憶合金用作鉚釘?shù)墓ぷ髟韴D形狀記憶材料2023/12/1418③醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用:牙齒矯形絲、血栓過濾器、動脈瘤

夾、接骨板等〔Ti-Ni合金〕圖14支撐性與柔韌性完美協(xié)調(diào)的Ti-Ni記憶合金食道支架形狀記憶材料2023/12/1419圖15記憶金屬Ti-Ni合金支架治療食管狹窄支架形狀的回復(fù)力對組織產(chǎn)生持續(xù)而柔和的擴張作用，支架植入后患者的進食困難病癥明顯減輕，由于生物相容性好，可較長期放置體內(nèi)。主要適應(yīng)癥包括：中晚期食道癌、食道癌術(shù)后復(fù)發(fā)和食道癌放療后引起的吞咽困難等。治療后10分鐘內(nèi)可解除吞咽困難，增加進食量，明顯改善生活質(zhì)量。形狀記憶材料2023/12/1420形狀記憶材料圖16Ti-Ni合金制作的多種支架(a)尿道支架(b)食道支架(c)膽道支架(d)氣管支架2023/12/1421④智能應(yīng)用

形狀記憶合金是一種集感知和驅(qū)動雙重功能為一體的新型材料，可廣泛應(yīng)用于各種自動調(diào)節(jié)和控制裝置，如各種智能、仿生機械。形狀記憶材料2023/12/14224.1.3形狀記憶陶瓷〔ZrO2陶瓷〕1、氧化鋯陶瓷的根本結(jié)構(gòu)與相變隨溫度的變化純ZrO2有三種晶型，按溫度由高到低，其結(jié)構(gòu)分別為立方晶系、四方晶系(t相)、單斜晶系(m相)形狀記憶材料2023/12/1423相變過程：

1170℃

2370℃

2715℃單斜ZrO2

?

四方ZrO2

?

立方ZrO2

?

液體ZrO2(m相)(t相)可逆馬氏體相變有約5％的體積變化注意體積效應(yīng)太大晶型穩(wěn)定化處理在ZrO2中加入CaO、MgO、Y2O3、CeO2(氧化鈰)等穩(wěn)定劑，可以使立方相和四方相保持到低溫。形狀記憶材料2023/12/1424三種結(jié)構(gòu)的ZrO2陶瓷(添加劑數(shù)量與種類的不同)：

①完全穩(wěn)定化的ZrO2陶瓷：立方相在冷卻過程不發(fā)生相變，穩(wěn)定保存到低溫。 ②局部穩(wěn)定化的ZrO2陶瓷：由立方相和四方相組成的混合結(jié)構(gòu)，立方相不發(fā)生相變，穩(wěn)定保存到低溫。四方(t)相在冷卻時或應(yīng)力作用下可轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡?m)相。③四方ZrO2多晶體：在室溫下全部為四方(t)相，四方(t)相在冷卻時或應(yīng)力作用下可轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡?m)相。

陶瓷相變增韌：利用了②③中發(fā)生的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變2023/12/1425陶瓷的形狀記憶效應(yīng)與合金相比存在的主要差異：〔1〕形狀記憶變形的量較?。弧?〕每次記憶循環(huán)中都有較大的不可恢復(fù)變形，隨循環(huán)次數(shù)的增加，累積變形增加，最終導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)；〔3〕沒有雙程記憶效應(yīng)形狀記憶材料2023/12/1426智能材料的概念智能材料的根本結(jié)構(gòu)智能變色材料智能材料的應(yīng)用智能材料2023/12/14274.2.1智能材料的概念材料的開展和應(yīng)用歷史：智能材料圖17材料科學(xué)的發(fā)展演化過程2023/12/1428智能材料(Intelligentmaterial，Smartmaterial)——是一種能從自身的表層或內(nèi)部獲取關(guān)于環(huán)境條件及其變化的信息，并進行判斷、處理和作出反響，以改變自身的結(jié)構(gòu)與功能并使之很好地與外界相協(xié)調(diào)的具有自適應(yīng)性的材料系統(tǒng)。智能材料智能材料是繼天然材料、人造材料、精細材料之后的第四代功能材料。2023/12/1429智能材料需具備以下內(nèi)涵：

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

〔2〕具有驅(qū)動功能，能夠響應(yīng)外界變化；

〔3〕能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng)；

〔4〕反響比較靈敏、及時和恰當(dāng)；

〔5〕當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。2023/12/1430智能材料必須具備感知、控制和驅(qū)動三個根本要素。智能材料一般由兩種或兩種以上的材料復(fù)合構(gòu)成一個智能材料系統(tǒng)。

智能材料2023/12/1431智能材料大體來說，智能材料就是指具有感知環(huán)境〔包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境〕刺激，對之進行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進行適度響應(yīng)的智能特征的材料。2023/12/14324.2.2智能材料的根本結(jié)構(gòu)智能材料不是一種單一的材料，而是一個由多種材料組元通過有機緊密復(fù)合或嚴(yán)格地科學(xué)組裝而構(gòu)成的材料系統(tǒng)，是一種智能機構(gòu)。傳感器執(zhí)行器控制器智能機構(gòu)材料自身能夠探測到外部環(huán)境狀態(tài)的變化能夠自動地執(zhí)行改變材料狀態(tài)的指令能夠?qū)μ綔y到的外部環(huán)境的變化作出判斷，并給出相應(yīng)的改變材料狀態(tài)的指令2023/12/1433智能材料的構(gòu)成

智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動材料和信息處理器四局部構(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。首選高分子材料，因為其重量輕、耐腐蝕。其次也可選用金屬材料，以輕質(zhì)有色合金為主。2023/12/1434(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、PH值等〕。常用敏感材料：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。2023/12/1435(3)驅(qū)動材料

因為在一定條件下驅(qū)動材料可產(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)動材料：形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等。(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。2023/12/1436如：將光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金和鎵砷化合物半導(dǎo)體控制電路埋入復(fù)合材料中。光導(dǎo)纖維傳感元件(檢測結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變和溫度)形狀記憶合金執(zhí)行元件

(使結(jié)構(gòu)動作改變性狀)半導(dǎo)體控制電路控制系統(tǒng)(根據(jù)傳感元件的信息驅(qū)動元件動作)智能材料2023/12/1437智能材料的設(shè)想來源于仿生學(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)動和控制這三個根本要素。2023/12/1438圖14智能結(jié)構(gòu)的動作流程圖識別分析判斷行動驅(qū)動元件自適應(yīng)地改變結(jié)構(gòu)形狀、剛度、位置、應(yīng)力狀態(tài)、固有頻率等智能材料2023/12/14394.2.3智能變色材料由于光、電、熱等外界條件的作用，使料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而改變材料對光波吸收的特性，使材料呈現(xiàn)出不同的顏色。光色玻璃電致變色薄膜智能材料2023/12/14401、光色玻璃(變色玻璃)

能夠隨照射光強的變化而改變顏色。原因：含有在光照下能發(fā)生可逆變化的亞穩(wěn)態(tài)色心：在光波的照射下，色心的光吸收特性發(fā)生改變，從而使光色玻璃表現(xiàn)出隨光照而改變顏色的特性。同相型光色玻璃異相型光色玻璃智能材料2023/12/1441同相型光色玻璃——亞穩(wěn)態(tài)色心與玻璃基質(zhì)具有相同的相。如：光學(xué)玻璃的組分中參加氧化鈰〔選擇吸收〕色心：能變價的鈰離子紫藍光波4f5d鈰離子內(nèi)電子躍遷鈰離子恢復(fù)電子狀態(tài)4f5d光減弱玻璃逐漸由高透明態(tài)轉(zhuǎn)向深黃褐色玻璃逐漸恢復(fù)高透明態(tài)2023/12/1442光色玻璃的應(yīng)用：圖18變色太陽鏡汽車、飛機、船舶的前向玻璃或觀察窗玻璃，起防眩作用等。智能材料2023/12/14432、電致變色薄膜電致變色現(xiàn)象(Electrochromism)——材料在電場作用下所引起的顏色變化，這種變化是可逆的、連續(xù)可調(diào)的(透過率、吸收率、反射率三者比例關(guān)系可調(diào)〕。應(yīng)用：智能窗(調(diào)節(jié)玻璃透光特性)機理：一些氧化物薄膜在電場的作用下能夠發(fā)生電子的交換，導(dǎo)致顏色的改變。

智能材料2023/12/1444圖19智能窗結(jié)構(gòu)示意圖著色和退色的電化學(xué)反應(yīng)如下：

Ni1-xO(初始態(tài))+yM++ye-→MyNi1-xO(著色態(tài))MyNil-xO(著色態(tài))→My-2N1-xO(退色態(tài))+2M++2e-氧化還原的電化學(xué)反應(yīng)玻璃基片透明電極(氧化銦錫膜)離子注入膜快離子導(dǎo)體隔膜電致變色膜(α-WO3、NiO薄膜)

藍色、灰色2023/12/1445圖20法拉利首款自動硬頂敞篷車玻璃車頂采用了利用電場變化來改變顏色的電致變色技術(shù)，可對透過率進行5級調(diào)整。智能窗的應(yīng)用：智能材料2023/12/1446圖21汽車防眩目后視鏡汽車夜間行駛時根據(jù)后面行駛車輛前大燈射出的光線照射到后視鏡上產(chǎn)生的眩目光程度，自動控制后視鏡的透光度，以減少后視鏡鏡面的反射光強度，使駕駛員既能舒服的通過后視鏡了解后面行駛車輛及行人的情況，又能平安駕駛汽車。汽車防眩目后視鏡是當(dāng)前玻璃制造業(yè)前沿產(chǎn)品-電致變色玻璃在汽車上的應(yīng)用。智能材料2023/12/14474.2.4智能材料的應(yīng)用在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用智能材料與住宅智能化與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相聯(lián)系的智能材料主動控振結(jié)構(gòu)智能材料2023/12/1448〔1〕智能蒙皮光纖作為智能傳感元件用于飛機機翼的智能蒙皮中，或者在武器平臺的蒙皮中植入傳感元件、驅(qū)動元件和微處理控制系統(tǒng)制成的智能蒙皮，可用于預(yù)警、隱身和通信。2023/12/1449〔2〕結(jié)構(gòu)監(jiān)測和壽命預(yù)測智能結(jié)構(gòu)可用于實時測量結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變、溫度、裂紋，探測疲勞和受損傷情況，從而能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進行監(jiān)測和壽命預(yù)測例如，采用光纖傳感器陣列和聚偏氟乙烯傳感器的智能結(jié)構(gòu)可對機翼、機架以及可重復(fù)使用航天運載器進行全壽命期實時監(jiān)測、損傷評估和壽命預(yù)測；空間站等大型在軌系統(tǒng)采用光纖智能結(jié)構(gòu)，可實時探測由于交會對接碰撞、隕石撞擊或其他原因引起的損傷，對損傷進行評估，實施自診斷。

2023/12/1450〔3〕環(huán)境自適應(yīng)結(jié)構(gòu)智能結(jié)構(gòu)制成的自適應(yīng)機翼，能夠?qū)崟r感知外界環(huán)境的變化，并可以驅(qū)動機翼彎曲、扭轉(zhuǎn)，從而改變翼型和攻角，以獲得最正確氣動特性，降低機翼阻力系數(shù)，延長機翼的疲勞壽命。在機翼結(jié)構(gòu)中使用磁致伸縮致動器，可使機翼阻力降低85%。2023/12/1451〔3〕在藥物自動投入系統(tǒng)上的應(yīng)用

科學(xué)家正在研制一種能根據(jù)血液中的葡萄糖濃度而擴張收縮的聚合物，這種聚合物可制成人造胰細胞，將它注入糖尿病患者的血液中，小球就可模擬胰細胞工作，使病人的血糖濃度始終保持在平常的水平上。2023/12/1452圖22形狀記憶合金的主動控振系統(tǒng)

主動控振結(jié)構(gòu)主動控振的智能材料系統(tǒng)模型智能材料圖23固定有Ni-Ti記憶合金絲的懸臂梁振幅衰減圖

未通電通電2023/12/14532、智能材料與住宅智能化未來的住宅可能是這樣的：墻壁可以隨心所欲的變換顏色；椅子可以隨人體不同的需要改變溫度和形狀；一切的電器都是觸摸式的，永遠不會再有觸電的危險；可視帶有傳感功能；……。2023/12/1454隨著智能材料的開展，尤其是毫微塑料設(shè)想的提出，有可能設(shè)計出智能化住宅。雖然目前還處于設(shè)想階段，但是已經(jīng)開始著手進行研究，并且必然將在不久的將來成為現(xiàn)實。幾種未來的智能產(chǎn)品如下：2023/12/1455〔1〕多功能磚具有變通性和智能性。主要由四個分層構(gòu)成：第一層是功能層，能感受來自周圍的聲能、熱能、光能，并能控制這些能量的輸出；第二層是通訊層，能為居住者提供內(nèi)外通信聯(lián)系的通道；第三層是輸送通道，可以用來輸送水和其它材料；第四層面膜是磚材的最上層，也具有多功能性。如壁膜可以使墻壁產(chǎn)生不同的色彩和圖案；傳感膜可以接收聲波、熱能和可見光并予以減弱或增強；地膜可產(chǎn)生耐久的色彩和圖案；界面膜可連接內(nèi)外通信線路。2023/12/1456〔2〕座椅用毫微塑料制作的坐椅不僅功能將大大增加，而且也將增加舒適程度。使用毫微塑料能改變椅座面的柔韌性和彈性，也可以形成各種型式的椅座面。毫微塑料可以形成所需的任何圖案或結(jié)構(gòu)，還能改變座椅本身的結(jié)構(gòu)。由于不同年齡段的人對溫度舒適性的要求有很大區(qū)別，座椅還可以隨心所欲地升溫和降溫，甚至對人們喜愛的舒適溫度具有記憶功能。

2023/12/1457〔3〕食物器皿在毫微塑料的桌面上旋轉(zhuǎn)的碗不僅能測知食物的存在，而且可以根據(jù)用戶的需要自行形成各種形狀的碟子，供準(zhǔn)備、烹調(diào)和上菜時使用。并且這種盛食物的碗還具有保溫和在不使用冰箱的情況下保鮮的功能。2023/12/1458〔4〕衛(wèi)生間在衛(wèi)生間里，常見設(shè)施是洗臉盆、抽水馬桶和淋浴器。采用了智能結(jié)構(gòu)的衛(wèi)生間是這樣的：2023/12/1459在洗漱時，人們只要接觸洗臉盆支架外表的任何區(qū)域，就能調(diào)節(jié)控制水溫、水速和水流的狀態(tài)〔集中噴射的水流或?qū)掗煹乃煚畹取彻┤藗冞x擇。洗臉盆上方的鏡子能照出人的正常反轉(zhuǎn)象，還能照出真實的非反轉(zhuǎn)象。2023/12/1460

抽水馬桶的形狀和大小可隨使用者的不同而自動變化；

坐墊自動加熱至舒適的溫度，整個結(jié)構(gòu)十分輕便。2023/12/1461在電腦住宅的廁所里，安裝了一臺檢查身體的電腦系統(tǒng)，每當(dāng)有人上廁所時，與馬桶相連的體檢裝置即自動分析大小便的情況，如發(fā)現(xiàn)異常，電腦會立即發(fā)出警報，以便及時到醫(yī)院去看病。2023/12/1462

淋浴設(shè)備只要和多功能磚相連接，上下水、水溫和水流都能得到自動控制和調(diào)節(jié)。

綜上所述，未來的智能化住宅必將顯著提高人們的生活質(zhì)量。2023/12/14633、與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相聯(lián)系的智能材料〔1〕人造肌肉

〔2〕人造皮膚〔3〕在藥物自動投入系統(tǒng)上的應(yīng)用〔4〕智能材料的兩種抗癌應(yīng)用2023/12/1464〔1〕人造肌肉

生物彈性材料能模擬活體生物，而且其力量和反響速度均接近于人體的肌肉。生物彈性材料可以應(yīng)用于人體組織的修復(fù)，具有與生物體的相容性，隨著傷口的愈合，這種聚合物就會在體內(nèi)逐漸降解，最后將會消失。2023/12/1465〔2〕人造皮膚

意大利比薩大學(xué)的科研人員為了使機器人與真人更接近，讓它的皮膚具有感覺功能，研制成功一種人造皮膚智能材料。

材料可以感知溫度、熱流的變化以及各種應(yīng)力的大小，并且有良好的空間分辨力。這種智能材料還可以分辨外表狀況，例如，粗糙度、摩擦力等。2023/12/1466(3)在藥物自動投入系統(tǒng)上的應(yīng)用科學(xué)家正在研制一種能根據(jù)血液中的葡萄糖濃度而擴張收縮的聚合物，這種聚合物可制成人造胰細胞，將它注入糖尿病患者的血液中，小球就可模擬胰細胞工作，使病