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1、第三节形状记忆陶瓷第三节形状记忆陶瓷 一一氧化锆陶瓷的基本结构与相变氧化锆陶瓷的基本结构与相变 ZrO2有三种晶型：按温度由高到低：立方晶系、四方晶系有三种晶型：按温度由高到低：立方晶系、四方晶系(t相相) 、单斜晶系、单斜晶系(m相相) 相变过程：相变过程： 2715 2370 1170 液体液体ZrO2 立方立方ZrO2 四方四方(t相相) ZrO2单斜单斜(m相相) ZrO2 可逆马氏体相变：可逆马氏体相变： t相相m相相 (相变温度为相变温度为1170)应力应力可可诱发诱发马氏体相变：马氏体相变：t相相m相相但但马氏体相变：马氏体相变： t相相m相相，伴随有约伴随有约 5的体积变化的体
2、积变化，由于体积效应太，由于体积效应太大，试样很易开裂大，试样很易开裂在在ZrO2中中加入加入CaO、MgO、Y2O3、CeO2等等稳定剂稳定剂，可将，可将立方相立方相和和四方相保四方相保持到低温持到低温完全稳定化完全稳定化的的ZrO2陶瓷陶瓷(Fully Stabilized Zirconia，简称，简称FSZ)：立方相立方相在在冷却过程不发生相变，稳定保留到低温冷却过程不发生相变，稳定保留到低温.2021/6/41部分稳定化的部分稳定化的ZrO2陶瓷陶瓷(Partially Stabilized Zirconia，简称，简称PSZ)：由由立方立方相相和和四方相四方相组成组成. 其中其中立方
3、相不发生相变立方相不发生相变，稳定保留到低温，稳定保留到低温.四方四方ZrO2多晶体多晶体(Tetragonal Zirconia Polycrystals，简称，简称TZP)：在室温下：在室温下全部为全部为四方相四方相.部分稳定化的部分稳定化的ZrO2陶瓷和陶瓷和四方四方ZrO2多晶体多晶体陶瓷中的陶瓷中的四方相四方相，在冷却时或应力，在冷却时或应力作用下可转变为单斜相，即作用下可转变为单斜相，即能够发生马氏体相变能够发生马氏体相变，得到形状记忆效应得到形状记忆效应.值得一提值得一提: ZrO2陶瓷的陶瓷的相变增韧相变增韧也是利用也是利用PSZ和和TZP中发生的中发生的应力诱发马氏体应力诱发
4、马氏体相变相变在外力作用下，在外力作用下，PSZ和和TZP中的中的t相相在应力诱发下在应力诱发下转变为转变为m相相，相变过，相变过程消耗了部分外加的能量，减缓了裂纹的扩展，从而增加陶瓷韧性程消耗了部分外加的能量，减缓了裂纹的扩展，从而增加陶瓷韧性二氧化锆陶瓷的形状记忆效应二氧化锆陶瓷的形状记忆效应在在PSZ和和TZP中都可能获得形状记忆效应中都可能获得形状记忆效应ZrO2中添加中添加w(CeO2)12，得到在常温下具有稳定的多晶四方晶结构，得到在常温下具有稳定的多晶四方晶结构(t相相)冷却：冷却：TMs，马氏体相变：马氏体相变：t相相m相相； TAs：逆转变：逆转变：m相相 t相相.T Ms：
5、应力应力可诱发可诱发马氏体相变马氏体相变但但马氏体相变马氏体相变是是非热弹性的可逆马氏体相变非热弹性的可逆马氏体相变，它的形状记忆效应机制与，它的形状记忆效应机制与铁基记忆合金铁基记忆合金FeMnSi基本相同基本相同2021/6/42右图：在右图：在Ms（3l）应力应力诱发马氏体相变：诱发马氏体相变：第一步第一步：在室温下：在室温下施加应施加应力力，试样先发生弹性变形，试样先发生弹性变形，接着在近乎恒定的应力下接着在近乎恒定的应力下发生流变发生流变第二步第二步：卸载卸载，卸载后弹，卸载后弹性变形消失而性变形消失而塑性变形被塑性变形被保留下来保留下来第三步：第三步：加热到加热到Af以上，以上，试
6、样从试样从60开始逆转变，开始逆转变，到到200 逆转变结束，逆转变结束，随随逆转变的完成，变形也随逆转变的完成，变形也随之消失之消失通过这三步实现形状记忆通过这三步实现形状记忆60开始开始逆转逆转200 逆逆转变结束转变结束图图4-22ZrO2-12CeO2的形状记忆过程的形状记忆过程2021/6/43与形状记忆与形状记忆合金合金相比，陶瓷形状记忆效应有如下相比，陶瓷形状记忆效应有如下差别：差别：相变热滞较大相变热滞较大形状记忆形状记忆变形量较小变形量较小每次记忆循环中都有较大的每次记忆循环中都有较大的不可恢复变形不可恢复变形随循环次数增加，累积变形随循环次数增加，累积变形增加，最终导致裂纹
7、产生增加，最终导致裂纹产生没有双程记忆效应没有双程记忆效应2021/6/44 第四节形状记忆高分子第四节形状记忆高分子形状记忆高分子形状记忆高分子(shape memory polymer，简称，简称SMP) 的记忆机理：的记忆机理：不是基于马氏体相变不是基于马氏体相变基于高分子材料中基于高分子材料中分子链分子链的的取向与分布取向与分布的的变化过程变化过程分子链的取向与分布分子链的取向与分布可受可受光、电、热或化学物质光、电、热或化学物质等作用的控制，等作用的控制，SMP可可以是光敏、热敏、电敏等不同类型以是光敏、热敏、电敏等不同类型 一热敏型形状记忆高分子的形状记忆原理一热敏型形状记忆高分子
8、的形状记忆原理记忆功能：由特殊的内部结构所决定记忆功能：由特殊的内部结构所决定形状记忆高分子的组成：形状记忆高分子的组成：固定相可逆相固定相可逆相可逆相：是随温度变化能够发生可逆转变的相这些相在可逆相：是随温度变化能够发生可逆转变的相这些相在结晶态结晶态与与结晶结晶熔融态熔融态间，或在间，或在玻璃态玻璃态与与橡胶态橡胶态间间进行可逆转变进行可逆转变固定相：是聚合物固定相：是聚合物交联结构交联结构或或部分结晶结构部分结晶结构等，它在工作温度范围内保等，它在工作温度范围内保持稳定持稳定固定相具有较高的玻璃化温度或熔点固定相具有较高的玻璃化温度或熔点, 可逆相具有较低的玻璃化温度和熔可逆相具有较低的
9、玻璃化温度和熔点点.按固定相的不同，形状记忆高分子可分：按固定相的不同，形状记忆高分子可分：热塑性热塑性SMP和和热固性热固性SMP2021/6/45下图：下图：热塑性热塑性SMP的形状记忆原理过程如下：的形状记忆原理过程如下：(1)热成型加工：将热成型加工：将颗粒状树脂颗粒状树脂加热融化，使固定相和软化相都处于加热融化，使固定相和软化相都处于软化状态软化状态，然后成型并然后成型并冷却冷却，固定相硬化固定相硬化，可逆相结晶可逆相结晶. 如图如图4-23(1)、(2)、(3)所示所示.(2)变形：变形：加热加热至至可逆相结晶熔化可逆相结晶熔化、固定相仍保持硬化的温度固定相仍保持硬化的温度，施加外
10、力使可逆施加外力使可逆相的分子链被拉长，相的分子链被拉长，材料变为材料变为B形状形状. 如图如图4-23(4)、(5)所示所示.(3)冻结变形：冻结变形：在外力作用下在外力作用下, 保持保持B形状的同时进行冷却形状的同时进行冷却，可逆相可逆相结晶硬化结晶硬化， 卸载后仍保持卸载后仍保持分子链被拉长分子链被拉长的的B形状如图形状如图4-23(6)所示所示.(4)形状恢复：再加热到形状恢复：再加热到可逆相可逆相结晶熔化温度结晶熔化温度，由于固定相的作用由于固定相的作用，可逆相的分，可逆相的分子链回复到子链回复到变形前的形状变形前的形状(4) 冷却到冷却到可逆相结晶硬化的温度以下可逆相结晶硬化的温度
11、以下，材料回复，材料回复到原形到原形A形状形状(3) 如图如图4-23(7)、(8)所示所示.热成型加工热成型加工变形变形冷却冷却B形状形状A形状形状2021/6/46由上述过程可知：由上述过程可知：SMP在形状记忆过程中的结构变化与在形状记忆过程中的结构变化与SMA不同；不同；SMP没有没有双程记忆效应双程记忆效应二形状记忆高分子的主要品种及其特性二形状记忆高分子的主要品种及其特性(一一)聚降冰片烯聚降冰片烯该聚合物的该聚合物的相对分子质量相对分子质量：300万以上万以上，属，属热塑性树脂热塑性树脂制备：压延、挤出、注射、真空成型等加工成型，但因相对分子质量太高，制备：压延、挤出、注射、真空成型等加工成型，但因相对分子质量太高，加工较困难加工较困难可逆相软化温度室温，室温下为硬质，可逆相软化温度室温，室温下为硬质，材料强度较高材料强度较高，具有减振功能具有减振功能(二二)苯乙烯丁二烯共聚物苯乙烯丁二烯共聚物固定相：聚苯乙烯固定相：聚苯乙烯；可逆相：聚丁二烯，熔融温度；可逆相：聚丁二烯，熔融温度 60 记忆变形量高达记忆变形量高达400，形状回复速度快，寿命，形状回复速度快，寿命200次次容易加工成型容易加工成型具有优异的耐酸碱性，着色性好等特点，应用范围广泛具有优异的耐酸碱性，着色性好等特点，应用范围广泛2021/6/47部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！
