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1、LOGO11.1.神奇的形状记忆合金神奇的形状记忆合金2.2.什么是形状记忆效应？什么是形状记忆效应？ 3.3.形状记忆效应的三种形式形状记忆效应的三种形式4.4.形状记忆合金材料的发展形状记忆合金材料的发展5.5.形状记忆合金的应用形状记忆合金的应用1-2 形状记忆合金LOGO2 （a）没放入热水前 (b) 放入热水后 (c)凉至室温后高温伸长的双程CuZnAl记忆合金弹簧的动作变化情况1 神奇的形状记忆合金LOGO2024/7/301 神奇的形状记忆合金高温缩短的双程CuZnAl记忆合金弹簧的动作变化情况LOGO4(a) 放入热水前 (b) 放入热水后 (c) 得到一定回复后的形状(d)
2、进一步回复后的形状 (e) 冷至室温后全程TiNi记忆合金花的动作变化情况 1 神奇的形状记忆合金LOGO2024/7/30 (a) (a) 原始形状原始形状 (b) (b) 拉拉 直直 (c) (c) 加热后恢复加热后恢复形状记忆效应简易演示实验形状记忆效应简易演示实验1 神奇的形状记忆合金LOGO月球上第一个人类脚印1 神奇的形状记忆合金LOGO71 神奇的形状记忆合金LOGO8图图 用钛用钛- -镍形状记忆合金制成的人造卫星天线镍形状记忆合金制成的人造卫星天线1 神奇的形状记忆合金LOGO91-2 形状记忆合金 形状记忆效应（形状记忆效应（Shape Memory Effect）是指具有
3、一定形）是指具有一定形状的固体材料，在某种条件下经过一定的塑性变形后，状的固体材料，在某种条件下经过一定的塑性变形后，加热到一定温度时，材料又完全恢复到变形前原来形状加热到一定温度时，材料又完全恢复到变形前原来形状的现象。即它能记忆母相的形状。具有形状记忆效应的的现象。即它能记忆母相的形状。具有形状记忆效应的合金材料即称为形状记忆合金。合金材料即称为形状记忆合金。（Shape Memory Alloy）2. 2. 什么是形状记忆效应？什么是形状记忆效应？ 为什么形状记忆合金不为什么形状记忆合金不“忘记忘记”自己的自己的“原形原形”呢？呢？原来，原来，在某些合金材料中会出现一种叫做热弹性马氏体在
4、某些合金材料中会出现一种叫做热弹性马氏体的晶相组织，这种组织的特点是：它的相变驱动力很小，的晶相组织，这种组织的特点是：它的相变驱动力很小，很容易发生相变。它能随着温度的升高而弹性地缩小或很容易发生相变。它能随着温度的升高而弹性地缩小或长大，故称其为长大，故称其为“热弹性马氏体热弹性马氏体”。范性形变：固体受外力作用而使各点间相对位 置发生变化，当外力撤消后，固体 不能恢复原来形状，称之为“塑性 形变”，又称为“范性形变”，与 之相对应的是“弹性形变”。LOGO101-2 形状记忆合金图1-1 形状记忆效应和超弹性普通金属去掉外力后能恢复到原来形状者仅限于普通金属去掉外力后能恢复到原来形状者仅
5、限于0.5%0.5%以下的应变量，而形状记忆合金的应变量可高达以下的应变量，而形状记忆合金的应变量可高达20%20%。LOGO111-2 形状记忆合金图1-2 普通金属材料由滑移引起永久形变时的原子移动和试料形状变化模式图 LOGO121-2 形状记忆合金图图1-3 形状记忆效应和超弹性的示意图形状记忆效应和超弹性的示意图形状记忆合金材料应具备的条件：形状记忆合金材料应具备的条件：1 1 马氏体相变是热弹性的马氏体相变是热弹性的2 2 马氏体点阵的不变切变为孪变、孪马氏体点阵的不变切变为孪变、孪晶或层错晶或层错3 3 母相和马氏体相均为有序点阵结构母相和马氏体相均为有序点阵结构晶体结构相晶体结
6、构相同，结晶方同，结晶方向不同，复向不同，复数同晶系晶数同晶系晶体构成体构成LOGO超弹性超弹性(PE)1-2 形状记忆合金 超超弹弹性性是是指指当当 S SM M A A 温温度度超超过过奥奥氏氏体体（母母相相）相相变变完完成成温温度度 A Af f , , 加加载载应应力力超超过过弹弹性性极极限限 , ,即即产产生生非非弹弹性性应应变变后后 , ,继继续续加加载载将将产产生生应应力力诱诱发发的的马马氏氏体体相相变变 , ,但但这这种种马马氏氏体体随随着着应应力力的的消消失失而而消消失失 , ,即即使使不不加加热热也也会会产产生生马马氏氏体体逆逆相相变变而而恢恢复复到到原原来来的的母母相相
7、( (奥奥氏氏体体相相 ) )状状 态态 , ,应应力力作作用用下下产产生生的的宏宏观观变变形形也也将将随随着着逆逆相相变变的的进进行行而而完完全全消消失失。其中应力与应变的关系表现出明显其中应力与应变的关系表现出明显的的非线性非线性，这种，这种非线性弹性非线性弹性和相变和相变密切相关，叫做相变伪弹性或超弹密切相关，叫做相变伪弹性或超弹性。性。LOGOv由于由于SMA SMA 良好的物理性能良好的物理性能, ,世世界上已有采用界上已有采用SMA SMA 作为结构加作为结构加固元件应用到实际工程中的例固元件应用到实际工程中的例子。子。1996 1996 年年10 10 月发生在意大月发生在意大利
8、利Emilia Romagna Emilia Romagna 地区的地区的4. 4. 5 5 级地震级地震, ,使使San Giorgio San Giorgio 教教堂的钟塔遭到了严重的破坏堂的钟塔遭到了严重的破坏, , IndirliIndirli 等用等用4 4 根超弹性根超弹性SMA SMA 棒与钢筋连接在一起棒与钢筋连接在一起, ,由上至由上至下贯穿地安装到钟塔的下贯穿地安装到钟塔的4 4 个角个角内内, ,对钟塔进行修复对钟塔进行修复 , ,并且进并且进行了理论研究、数值分析和动行了理论研究、数值分析和动态测试。态测试。 研究结果显示研究结果显示, ,这种修复方式与传统方法相比这种
9、修复方式与传统方法相比, ,可以减小结构可以减小结构的加速度的加速度, ,限制结构的受力限制结构的受力, ,耗能能力更强。在耗能能力更强。在2000 2000 年年6 6 月的相月的相同震级的地震中同震级的地震中, ,经过修复的钟塔安然无恙。经过修复的钟塔安然无恙。应用实例应用实例1-2 形状记忆合金LOGO15图图1-1-4 Cu-Al-Ni-Ti4 Cu-Al-Ni-Ti形状记忆合形状记忆合金电阻随温度的变化金电阻随温度的变化1-2 形状记忆合金1 1）Cu(Cu(金属金属) )：温度：温度升高散射作用增大，升高散射作用增大，电阻率（电阻率（）升高；）升高；温度下降散射作用减温度下降散射作
10、用减小，电阻率（小，电阻率（）下）下降；降； 2 2）SiSi（半导体）：（半导体）：温度升高晶格散射加温度升高晶格散射加剧会使剧会使n n减小，但激减小，但激发产生的载流子增多，发产生的载流子增多，使使减小占优势，从减小占优势，从而使宏观电阻率而使宏观电阻率减减小，使小，使SiSi呈现负温度呈现负温度特性。特性。LOGO16单程形状记忆效应：单程形状记忆效应：材料在高温下制成某种形状，在材料在高温下制成某种形状，在低温相时将其任意变形，再加热时恢复为高温相形状低温相时将其任意变形，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。，而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状。1-2
11、形状记忆合金3.形状记忆效应的三种形式LOGO1-2 形状记忆合金LOGO181-2 形状记忆合金双程形状记忆效应：双程形状记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时恢复低加热时恢复高温相形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降自发可逆地反复恢复高低温相形温相形状，即通过温度升降自发可逆地反复恢复高低温相形状状的现象称为双程形状记忆效应或可逆形状记忆效应。全程形状记忆效应：全程形状记忆效应：当加热时恢复高温相形状，冷却时变为当加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的高温相形状的现象称为形状相同而取向相反的高温相形状的现象称为全程形状记忆全程形状记忆效应。效应。LOGO19（a）没放入
12、热水前 (b) 放入热水后 (c)凉至室温后1-2 形状记忆合金双程双程CuZnAlCuZnAl记忆合金花的动作变化情况记忆合金花的动作变化情况 用用C Cu uZ Zn nA Al l 记记忆忆合合金金轧轧制制成成的的薄薄片片做做成成花花瓣瓣，利利用用 C Cu uZ Zn nA Al l 记记忆忆合合金金双双程程记记忆忆恢恢复复特特性性制制成成的的记记忆忆合合金金花花，花花蕾蕾动动作作幅幅度度为为1 18 80 0。以以热热水水或或热热风风为为热热源源，开开放放温温度度为为6 6 5 5 - - 8 8 5 5 ， 闭闭 合合 温温 度度 为为 室室 温温 。LOGO201-2 形状记忆合
13、金(a) 放入热水前 (c) 得到一定回复后的形状(d) 进一步回复后的形状 (e) 冷至室温后全程全程TiNiTiNi记忆合金花的动作变化情况记忆合金花的动作变化情况 (b) 放入热水前 用用T Ti i N N i i 记记忆忆合合金金轧轧制制成成的的薄薄片片做做成成花花瓣瓣，利利 用用 T T i iN N i i 记记忆忆合合金金全全程程记记忆忆恢恢复复特特性性制制成成的的记记忆忆合合金金花花，花花蕾蕾动动作作幅幅度度为为 1 1 8 8 0 0 至至- -1 1 8 8 0 0 。以以热热水水或或热热风风为为热热源源，开开放放温温度度为为6 6 5 5 - - 8 8 5 5 ， 闭
14、闭 合合 温温 度度 为为 室室 温温 。LOGO214. 4. 形状记忆合金材料的发展形状记忆合金材料的发展 早在早在19511951年美国的年美国的T.A.ReadT.A.Read等在一次实验中偶然发现了金等在一次实验中偶然发现了金- -镉镉（Au-Au-CdCd）合金具有形状记忆特性，当时并未引起重视。）合金具有形状记忆特性，当时并未引起重视。19531953年他年他们又在铟们又在铟- -铊（铊（In-In-TlTl）合金发现这类效应。）合金发现这类效应。 直直到到19631963年年美美国国海海军军装装备备实实验验室室的的科科学学家家发发现现镍镍- -钛钛合合金金具具有有形形状状记记忆
15、忆效效应应后后，才才奠奠定定了了记记忆忆合合金金的的重重要要地地位位。当当时时，该该实实验验室室的的科科学学家家正正研研制制一一种种高高强强度度的的耐耐腐腐蚀蚀合合金金，其其成成分分是是含含镍镍55%55%、含含钛钛45%45%，在在试试验验这这种种合合金金丝丝时时，他他们们曾曾将将这这种种合合金金绕绕成成一一个个螺螺旋旋形形线线圈圈，并并加加热热到到150150，冷冷却却后后又又把把线线圈圈完完全全拉拉直直。后后来来，一一个个偶偶然然机机会会，他他们们把把拉拉直直的的合合金金丝丝再再次次加加热热时时，出出现现一一个个奇奇迹迹：在在温温度度升升高高到到9595时时，拉拉直直的的镍镍钛钛合合金金
16、丝丝竟竟自自动动卷卷曲曲成成原原来来的的螺螺旋旋线线圈圈形形状状。当当时时研研究究人人员员几几乎乎不不相相信信自自己己的的眼眼睛睛。于于是是又又反反复复试试验验，把把合合金金丝丝加加热热并并变变成成各各种种复复杂杂的的形形状状，然然后后冷冷却却并并拉拉直直，然然后后提提高高温温度度并并观观察察合合金金的的表表现现。在在这这种种反反复复的的实实验验中中，合合金金每每次次都表现了非凡的都表现了非凡的“记忆能力记忆能力”。 1-2 1-2 形状记忆合金形状记忆合金LOGO 从此掀起了形状记忆合金研究的热潮，并从此掀起了形状记忆合金研究的热潮，并产生了多种实用化的新思想。新的形状记忆合产生了多种实用化
17、的新思想。新的形状记忆合金应运而生。金应运而生。表表1-11-1给出了部分形状记忆合金给出了部分形状记忆合金的组成以及热弹性马氏体的转变温度。的组成以及热弹性马氏体的转变温度。 形形状状记记忆忆合合金金材材料料目目前前已已有有100100余余种种。大大致致可可分分为为两两类类：一一类类是是以以过过渡渡族族金金属属为为基基的的合合金金，另另一一类类是是贵贵金金属属的的相相合合金金。但但最最引引人人注注目目的的是是Ni-TiNi-Ti基基合合金金、Cu-Zn-AlCu-Zn-Al合合金金、Cu-Al-Cu-Al-NiNi合金和合金和Fe-Fe-MnMn-Si-Si合金等。合金等。1-2 1-2 形
18、状记忆合金形状记忆合金LOGO23 Ni-TiNi-Ti基基合合金金 其其原原子子比比为为1111，具具有有高的耐热性、耐蚀性，高的强度，以以及及其其它它材材料料无无可可比比拟拟的的耐耐热热疲疲劳劳性性与与良良好好的的生生物物相相容容性性。但但存存在在原原材材料料价价格格昂昂贵贵，制制造造工工艺艺困困难难，切切削削加加工工性性不不良良等等不不足足。近近年年来来发发展展了了一一系系列列性性能能得得到到提提高高的的材材料料，在在Ni-TiNi-Ti合合金金中中加加入入其其它它元元素素，开开发发了了Ni-Ni-Ti-CuTi-Cu、Ni-Ti-Ni-Ti-NbNb、Ni-Ti-CrNi-Ti-Cr、
19、Ni-Ti-FeNi-Ti-Fe等等系系列列合合金金。需需特特别别指指出出的的是是研研究究人人员员在在Ni-TiNi-Ti合合金金中中添添加加微微量量的的FeFe或或CrCr，可可使使记记忆忆合合金金的的转转变变温温度度降降到到-100-100，适合在低温下工作。，适合在低温下工作。 1-2 1-2 形状记忆合金形状记忆合金LOGO24 Cu Cu基合金基合金 价格便宜，原料来源充足，生产过程简价格便宜，原料来源充足，生产过程简单，良好的形状记忆效应，电阻率小，导热性好，加工单，良好的形状记忆效应，电阻率小，导热性好，加工成形性能好。但长期或反复使用时，形状恢复率会减小，成形性能好。但长期或反
20、复使用时，形状恢复率会减小，是尚需探索解决的问题。开发的是尚需探索解决的问题。开发的Cu-Zn-AlCu-Zn-Al和和Cu-Ni-AlCu-Ni-Al合合金可在很宽的金可在很宽的-100-300-100-300范围内调节。范围内调节。 铁铁基基合合金金 具具有有强强度度高高，塑塑性性好好，价价格格便便宜宜等等优优点点，正正逐逐渐渐受受到到人人们们的的重重视视并并获获得得开开发发。如如Fe-PtFe-Pt、Fe-PdFe-Pd、Fe-Co-Ni-TiFe-Co-Ni-Ti、Fe-Fe-MnMn-Si-Si、Fe-Fe-MnMn-Si-Cr-Si-Cr等等。从从价价格格上上看看，铁铁系系形形状状
21、记记忆忆合合金金比比Ni-TiNi-Ti系系和和CuCu系系低低得得多多，易易于于加加工工，强强度度高高，刚刚性性好好，所所以以是是很很有有竞竞争争力力的的新新合金系。合金系。1-2 1-2 形状记忆合金形状记忆合金LOGO255.5.形状记忆合金的应用形状记忆合金的应用 从从外外观观上上看看，形形状状记记忆忆合合金金不不但但能能受受热热膨膨胀胀、伸伸长长，也也可可以以受受热热收收缩缩和和弯弯曲曲，这这主主要要取取决决于于它它的的原原始始形形状状。利利用用这这一一特特性性，形形状状记记忆忆合合金金在在航航天天、机机械械、电电子子仪仪器器和和医医疗疗器器械械上上有有着着广广泛泛的的用途用途。1-
22、2 1-2 形状记忆合金形状记忆合金LOGO1-2 1-2 形状记忆合金形状记忆合金航空航天工业中的应用航空航天工业中的应用（a a）原始形状）原始形状 （b b）折成球形装入登月舱）折成球形装入登月舱 （c c）太阳能加热后）太阳能加热后LOGO(2) 用于机械、电子方面用于机械、电子方面1-2 1-2 形状记忆合金形状记忆合金机械电子产品中的应用机械电子产品中的应用LOGO1-2 1-2 形状记忆合金形状记忆合金 记忆合金在医疗上的应用也很引人注目记忆合金在医疗上的应用也很引人注目（a）消化道内支架）消化道内支架 （b）血管内支架）血管内支架 （c）胆道内支架）胆道内支架 腔内支架临床应用
23、实例腔内支架临床应用实例LOGO2024/7/30日常生活日常生活 形状记忆合金眼镜架形状记忆合金眼镜架LOGO2024/7/30形状记忆合金（形状记忆合金（a）能撑起自重）能撑起自重100倍以上的重量，倍以上的重量，马达（马达（b）的驱动力可达自重的）的驱动力可达自重的50倍，倍，而蚂蚁（而蚂蚁（c）和人（）和人（d）则分别是）则分别是20倍和倍和2倍。倍。LOGO形状记忆合金的应用实例形状记忆合金的应用实例1-2 1-2 形状记忆合金形状记忆合金LOGO(1) (1) 形状记忆热发动机形状记忆热发动机1-2 形状记忆合金19731973年年美美国国试试制制成成第第一一台台利利用用海海水水温
24、温差差发发电电热热机机。它它是是利利用用高高温温、低低温温时时发发生生相相变变产产生生形形状状的的改改变变，并并伴伴随随极极大大的的应应力力，实实现现机机械械能能热热能能之之间间的的相相互互转转换换。其其装装置置是是一一个个水水平平放放置置的的轮轮子子，轮轮辐辐是是偏偏心心结结构构，每每个个轮轮辐辐上上挂挂有有用用Ti-NiTi-Ni合合金金制制成成的的U U形形环环，轮轮子子下下的的水水槽槽制制成成两两个个半半圆圆，分分别别装装入入冷冷热热水水。当当U U型型环环进进入入热热水水槽槽时时，就就突突然然伸伸直直，产产生生弹弹力力。这这种种弹弹力力有有一一部部分分沿沿轮轮子子的的切切线线作作用用
25、，推推动动轮轮子子旋旋转转。当当轮轮辐辐转转入入冷冷水水槽槽内内时时，伸伸直直的的合合金金丝丝又又恢恢复复弯弯曲曲形形状状。尽尽管管这这种种热热机机只只产产生生了了0.5W0.5W的的功功率率（至至19831983年年功功率率已已达达20W20W），但但发发展展前景十分诱人，可利用这种装置实现利用海水温差发电的梦想。前景十分诱人，可利用这种装置实现利用海水温差发电的梦想。LOGO(2) (2) 用于机械、电子方面用于机械、电子方面 记忆合金可用于热敏装置如火灾警报器、安全装置，固记忆合金可用于热敏装置如火灾警报器、安全装置，固紧销、管件的接头、密封垫等机械器具，还可用于一些控紧销、管件的接头、
26、密封垫等机械器具，还可用于一些控制元件，如一些与温度有关的传感及自动控制。制元件，如一些与温度有关的传感及自动控制。 例例如如，用用记记忆忆合合金金管管接接头头连连接接两两根根管管子子。首首次次于于6060年年代代被被用用于于海海军军飞飞机机液液压压系系统统的的接接头头，并并取取得得成成功功。当当时时由由于于使使用用普普通通的的管管接接头头热热胀胀冷冷缩缩，容容易易引引起起泄泄漏漏，造造成成飞飞行行事事故故。据据统统计计，全全部部飞飞行行事事故故中中有有1/31/3是是由由于于液液压压系系统统接接头头泄泄漏漏而而引引起起的的。首首先先在在A Af f温温度度以以上上使使记记忆忆合合金金管管接接
27、头头的的内内径径比比它它所所要要连连接接的的管管子子的的外外径径略略小小一一点点，进进行行管管路路连连接接时时先先将将记记忆忆合合金金管管接接头头冷冷却却到到M Mf f以以下下的的低低温温，使使之之转转变变成成马马氏氏体体。此此时时管管接接头头在在较较低低的的应应力力下下即即能能变变形形，可可以以用用专专用用的的工工具具对对管管接接头头进行扩径，使其内径略大于将要被连接的管子。进行扩径，使其内径略大于将要被连接的管子。1-2 形状记忆合金LOGO1-2 形状记忆合金 记忆合金在医疗上的应用也很引人注目。记忆合金在医疗上的应用也很引人注目。1.1.接骨用的骨板，不但能将两段断骨固定，而且在恢复
28、原接骨用的骨板，不但能将两段断骨固定，而且在恢复原 形状的过程中产生压缩力，迫使断骨接合在一起。形状的过程中产生压缩力，迫使断骨接合在一起。2.2.利用镍钛记忆合金制作的胆道内支架在治疗胆道狭窄具利用镍钛记忆合金制作的胆道内支架在治疗胆道狭窄具 有充分扩张和支撑狭窄胆道的优良特性，能恢复和维持有充分扩张和支撑狭窄胆道的优良特性，能恢复和维持 正常胆道生理，可以有效防止胆道再阻塞。正常胆道生理，可以有效防止胆道再阻塞。3.3.血栓过滤器也是一种记忆合金新产品，被拉直的过滤血栓过滤器也是一种记忆合金新产品，被拉直的过滤 器植入静脉后，会逐渐恢复成网状，从而阻止器植入静脉后，会逐渐恢复成网状，从而阻
29、止 9595的的 凝血块流向心脏和肺部。凝血块流向心脏和肺部。4.4.人工心脏是一种结构更加复杂的脏器，用记忆合金制成人工心脏是一种结构更加复杂的脏器，用记忆合金制成 的肌纤维与弹性体薄膜心室相配合，可以模仿心室收缩的肌纤维与弹性体薄膜心室相配合，可以模仿心室收缩 运动。运动。(3) (3) 用于医疗器械用于医疗器械LOGO351-2 1-2 形状记忆合金形状记忆合金知识点：知识点：名词解释：名词解释：1.1.形状记忆合金形状记忆合金2.2.热弹性马氏体相变热弹性马氏体相变问答题：问答题：1 1形状记忆合金为什么具有形状记忆的形状记忆合金为什么具有形状记忆的 功能？功能？2 2分析说明温度变化对高纯的分析说明温度变化对高纯的CuCu，SiSi及及 (Cu-Al-Ti-Ni) (Cu-Al-Ti-Ni)形状记忆合金电阻率形状记忆合金电阻率 （）的影响？）的影响？
