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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划形状记忆材料应用第七章形状记忆材料形状记亿材料是一种特殊功能材料，这种集感知和驱动于一体的新型材料可以成为智能材料结构，而备受世界瞩目。1951年美国Read等人在AuCd合金中首先发现形状记忆效应(ShapeMemoryEffect，简称SME)。1953年在InT1合金中也发现了同样的现象，但当时未能引起人们的注意！直到1964年布赫列等人发现TiNi合金具有优良的形状记忆性能，并研制成功实用的形状记忆合金“Nitinol”,引起了人们的极大关注，世界各国科学工作者和工程技术人员
2、进行了广泛的理论研究和应用开发。形状记忆合金已广泛用于人造卫星天线、机器人和自动控制系统、仪器仪表、医疗设备和能量转换材料。近年来，又在高分子聚合物、陶瓷材料、超导材料中发现形状记忆效应，而且在性能上各具特色，更加促进了形状记忆材料的发展相应用。第一节形状记忆效应一、形状记忆效应具有一定形状的固体材料，在某一低温状态下经过塑性变形后，通过加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，材料又恢复到初始形状的现象，称为形状记忆效应。具有形状记忆效应的材料称为形状记忆材料。例如，在高温时将处理成一定形状的金属急冷下来，在低温相状态下经塑性变形成另一种形状，然后加热到高温相成为稳定状态的温度时通过马氏体逆相
3、变会恢复到低温塑性变形前的形状。具有这种形状记忆效应的金属，通常是由2种以上的金属元素构成的合金，故称为形状记忆合金(ShapeMemoryAlloys，简称SMA)。形状记忆效应可分为3种类型：单程形状记忆效应、双程形状记忆效应和全程形状记忆效应。图4l表示3种不同类型形状记忆效应的对照。所谓单程形状记忆效应就是材料在高温下制成某种形状，在低温时将其任意变形，再加热时恢复为高温相形状，而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状。若加热时恢复高温相时的形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降自发可逆的反复恢复高低温相形状的现象称为双程形状记忆效应。当加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相
4、反的高温相形状的现象称为全程形状记忆效应。它是一种特殊的双程形状记忆效应，只能在富Ti-Ni合金中出现。1二、形状记忆效应机理大部分合金和陶瓷记忆材料是通过马氏体相变而呈现形状记忆效应。马氏体相变具有可逆性，将马氏体向高温相的转变称为逆转变。形状记忆效应是热弹性体马氏体相变产生的低温相在加热时向高温相进行可逆转变的结果。设Ms、Mf分别表示冷却时奥氏体向马氏体转变的开始温度和终了温度，As、Af表示加热时马氏体向奥氏体逆转变的开始温度和终了温度。具有马氏体逆转变，且Ms和As温度相差很小的合金，将其冷却到Ms点以下，马氏体晶核随着温度下降而逐渐长大；温度回升时，马氏体相变又反过来同步的随温度上
5、升而缩小，马氏体相的数量随温度的变化而发生变化，这种马氏体称为热弹性马氏体。在Ms以上某一温度对合金施加外力也可以引起马氏体的相转变，所形成的马氏体叫应力诱发马氏体。若热弹性马氏体相变驱动力小，在低于Ms点的温度下，通过降温进行热弹性马氏体相变，从而呈现形状记忆效应。这种特性与参数关系见图4-2。因此，形状记忆效应是热弹性马氏体相变产生的低温相在加热时向高温相进行可逆转变的结果2研究表明，合金呈现形状记忆效应必须具备如下条件：(1)马氏体相交是热弹性的；(2)母相与马氏体相呈现有序点阵结构；(3)马氏体内部是李晶变形的；(4)相变时在晶体学上具有完全可逆性。由于有序点阵结构的母相与马氏体相变的
6、孪生结构具有共格性，在母相马氏体母相的转变循环中，母相完全可以恢复原状。这就是单程记忆效应的原因。形状记忆时晶体结构变化的模型如图4-3。形状记忆效应历程可用图44表示，图中：1、将母相冷却到Ms点以下进行马氏体相变，形成24种马氏体变体，由于相邻变体可协调地生成，微观上相变应变相互抵消、无宏观变形；2、马氏体受外力作用时(加载)，受体界面移动，相互吞食，形成马氏体单晶、出现宏观变形()；3、由于变形前后马氏体结构没有发生变化，当去除外应力时(卸载)无形状改变；4、当加热高于Af点的温度时，马氏体通过逆转变恢复到母相形状。双程记忆效应和全程记忆效应的机理比较复杂，有许多问题尚未搞清楚。3第二节
7、形状记忆合金迄今为止，人们发现具有形状记忆的合金有50多种。按照合金组成和相变特征，具有较完全形状记忆效应的合金可分为3大系列：钛-镍系形状记忆合金，铜基系形状记忆合金和铁系形状记忆合金。它们的重要性能见下表表4-1部分形状记忆合金性能比较4一、TiNi系形状记忆合金Ti-Ni合金是目前所有形状记忆合金中研究得最全面、记忆性能最好、实用性强的5形状记忆材料摘要：材料是现代社会发展的三大支柱产业之一，本文介绍了形状记忆材料的概念，发展历史，记忆效应产生的原理和分类应用。形状记忆材料主要分为三种：形状记忆合金、形状记忆陶瓷、形状记忆聚合物。由于形状记忆效应的独特记忆效应的性质，广泛的应用于工业领域
8、和医学领域。关键词：形状记忆材料、记忆效应、形状记忆合金、形状记忆陶瓷、形状记忆聚合物一引言材料、信息、能源被称为现代社会发展的三大支柱产业，材料对当代社会的进步和发展起着十分重要的作用。科技的不断进步对材料各个方面的性能的要求越来越高，智能化的材料已经成为一种趋势，而形状记忆材料的更是引起了国内外的研究热潮。自上个世纪以来，形状记忆材料独特的性能引起了人们的极大的兴趣。由于形状记忆材料具有形状记忆效应、高温复形变、良好的抗震性和适应性等优异性能，有着传统驱动器不可比拟的性能优点，形状记忆合金由于具有许多优异的性能，而广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领
9、域。二形状记忆材料的概念形状记忆材料1是指具有一定初始形状的材料经过形变并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物理或化学刺激处理又恢复成初始形状的材料。三形状记忆材料的发展史1932年，瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到了“记忆”效应，即合金形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般的回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。1938，当时的美国在Cu-Zn合金里发现了马氏体的热弹件转变，随后前诉苏联对这种行为进行了研究。1951年美国的里德等人在金镉合金中也发现了形状记忆效应，然而在当时，这些现象的发现只被看作是个别材料的特殊现象而未能引起人们的足够兴趣和
10、重视。直到1962年，美国海军机械研究所的一个研究小组从仓库领来一些镍钛合金丝做实验。在实验的过程中，他们发现，当温度升到一定数值时，这些已经拉直的镍钛合金丝突然又恢复到原来的弯曲状态，他们反复做了多次实验，结果证明了这些细丝确实具有“记忆”。发现了Ni-Ti合金中的形状记忆效应，才开创了“形状记忆”的实用阶段。四形状记忆效应机理形状记忆效应2可分为三种类型：单程记忆效应：形状记忆材料较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。双程记忆效应：某些材料加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。全程记忆效应：加热(来自:
11、写论文网:形状记忆材料应用)时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。大部分合金和陶瓷记忆材料是通过热弹性马氏体相变而呈现形状记忆效应的。马氏体相变具有可逆性，将马氏体向高温相的转变称为逆转变。形状记忆效应是热弹性马氏体相变产生的低温相在加热时向高温相进行可逆转变的结果。这种可逆转换是具有一定条件的：马氏体相变是热弹性的。母体与马氏体相呈现有序点阵结构。马氏体内部是栾晶变形的。相变时在晶体学上具有完全可逆性。图1.三种变形示意图五形状记忆材料的分类及应用常见的形状记忆材料有形状记忆合金(ShapeMemoryAlloys，SMAs)、形状记忆陶瓷(Shape
12、MemoryCeramics，SMCs)以及形状记忆聚合物(ShapeMemoryPolymers，SMPs)LlJ。形状记忆合金具有形状记忆效应的合金叫形状记忆合金3(ShapeMemoryAlloy，简称SMA)。它是通过热弹性与马氏体相变及其逆相变而具有形状记忆效应的由两种以上金属元素所构成的材料。一般来说，给金属施加外力使它变形，之后取消外力或改变温度，金属通常不会恢复原形；而这种合金在外力作用下虽会产生变形，当把外力去掉，在一定的温度条件下，能恢复原来的形状。由于它具有百万次以上的恢复功能，因此叫做记忆合金。人们发现的具有形状记忆效应的合金有50多种。按组成和相变特征可分为三大类：T
13、i-Ni系形状记忆合金：TiNi、Ti2Ni、TiNi3，近年又开发了Ti-Ni-Cu、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Cr、Ti-Ni-Pb、Ti-Ni-Nb等新型合金；铜基系形状记忆合金：主要有Cu-Zn-Al、Cu-Al-Ni、Cu-Au-Zn；铁基系形状记忆合金：应用前景最好的是Fe-Mn-Si-Cr-Ni、Fe-Mn-Co-Ti。形状记忆合金主要应用于工业领域和医学领域4。在工业领域中：利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天线、套环等。外因性双向记忆恢复。即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作，如热敏元件、机器人、接线柱等。内因性双向记忆恢复。即利用双程记忆效应
14、随温度升降做反复动作，如热机、热敏元件等。但这类应用记忆衰减快、可靠性差，不常用。超弹性的应用。如弹簧、接线柱、眼镜架等。在医学中的应用：TiNi合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、避孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。形状记忆陶瓷氧化铝、氧化硅等陶瓷5有很好的耐热性、耐腐蚀性、耐磨性和机械强度。但在室温或相近温度下没有塑性变形，不能进行象金属加工上用的塑性加工，因此必须进行切断，切削、研磨。这样在进行精加工、复杂形状的加工时，需要很多手续。陶瓷材料具有优良的物理性质，但不能在室温下进
15、行塑性加工，性质硬脆，因而限制了它的许多应用。形状记忆陶瓷按照形状记忆效应产生的机制不同，可以分为黏弹性形状记忆陶瓷、马氏体相变形状记忆陶瓷、铁电性形状记忆陶瓷和铁磁性形状记忆陶瓷。陶瓷的形状记忆效应与合金和高分子相比有以下特点：首先是形状记忆陶瓷的形变量较小；其次是形状记忆陶瓷在每次形状记忆和恢复过程中都会产生不定程度的不可恢复形变，并且随着形状记忆和恢复循环次数的增加，累积的变形量会增加，最终导致裂纹的出现。黏弹性形状记忆陶瓷有氧化锆、氧化铝、碳化硅、氮化硅、云母玻璃陶瓷等，当将材料加热到一定温度以后，对其进行加载变形处理，保持外力维持形变，再将其冷却，然后再加热至一定温度，陶瓷的形变就会恢复至初始状态。关于黏弹性形状记忆陶瓷的作用机理目前尚不明确，有关研究认为，黏弹性形状记忆陶瓷中包括结晶体和玻璃体两种结构，作为形状恢复驱动力的弹性能储存在其中一种结构当中，而在另外一种结构中则会发生形变。马氏体相变形状记忆陶瓷也是一种典型的形状记忆材料，这类材料有ZrO2、BaTiO3、KNbO3、PbTiO3等，这些形状记忆陶瓷主要用于能量储存执行元件和特殊功能材料。铁电性陶瓷是指材料可以在外接电场取向发生变化的情况下体现出形状记忆特性的陶瓷。铁电性形状记忆陶瓷的相区包括顺铁电体、铁电体和逆铁电体，而相转变类型则有顺铁-铁电转变和逆铁电
