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1、形状记忆合金形状记忆合金（a）（b）（c）（d）一：形状记忆合金的应用背景一：形状记忆合金的应用背景二：形状记忆合金的记忆原理二：形状记忆合金的记忆原理三：形状记忆合金的功能特点三：形状记忆合金的功能特点四：形状记忆合金的应用四：形状记忆合金的应用五：形状记忆合金的发展前景五：形状记忆合金的发展前景形状记忆合金应用背景形状记忆合金应用背景飞机在出现事故如鸟撞击飞机时，飞机能自我修复裂痕。飞机在出现事故如鸟撞击飞机时，飞机能自我修复裂痕。在地震中受到破坏的建筑物、桥梁能自行加固，裂缝会自在地震中受到破坏的建筑物、桥梁能自行加固，裂缝会自行封合。行封合。我们使用的各种材料像有生命的东西一样，能根据
2、外界环我们使用的各种材料像有生命的东西一样，能根据外界环境自我判断、自我适应、自我修复。境自我判断、自我适应、自我修复。 想象一下形状记忆合金的发现过程形状记忆合金的发现过程19321932年年 瑞典人欧勒特在观察某种金镉合金的性能瑞典人欧勒特在观察某种金镉合金的性能 时首次发现形状记忆效应。时首次发现形状记忆效应。19381938年年 哈佛大学的研究人员在一种铜锌合金中发哈佛大学的研究人员在一种铜锌合金中发 现了一现了一种随温度的升高和降低而逐渐增大或缩小的形状变化。但当种随温度的升高和降低而逐渐增大或缩小的形状变化。但当时并未引起人们的重视。时并未引起人们的重视。19621962年年 美国
3、海军实验室在开发新型舰船材料时，在美国海军实验室在开发新型舰船材料时，在Ti-NiTi-Ni合金中发现把直条形的材料加工成弯曲形状，经加热后它的合金中发现把直条形的材料加工成弯曲形状，经加热后它的形状又恢复到原来的直条形。从形状又恢复到原来的直条形。从 此形状记忆合金引起了极大此形状记忆合金引起了极大的关注。的关注。形状记忆合金应用背景形状记忆合金应用背景形状记忆合金演示实验形状记忆合金演示实验(a)(b)(c)记忆高温相状态下的形状，即当该材料记忆高温相状态下的形状，即当该材料在低温下变形后，在加热到较高温度，在低温下变形后，在加热到较高温度，逆转变为高温相时，变形可以完全消失，逆转变为高温
4、相时，变形可以完全消失，并恢复到变形前高温相状态下的形态。并恢复到变形前高温相状态下的形态。 这种现象称为这种现象称为形状记忆效应（形状记忆效应（Shape Memory Effect 简称简称SME）。）。 具有形状记忆效应的材料，称为具有形状记忆效应的材料，称为形状形状记忆合金（记忆合金（Shape memory Alloy 简称简称SMA）。）。 什么是形状记什么是形状记忆效应？忆效应？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。 形状记忆合金记忆原理形状记忆合金记忆原理GMGMTcMsAsGGM从微观来看形状记忆合金记忆原理形状记忆合金记忆原理从宏观
5、来看单程记忆效应：单程记忆效应：在马氏体状态下受力变形，加热时恢复高在马氏体状态下受力变形，加热时恢复高温相形状，冷却时不恢复低温相形状。温相形状，冷却时不恢复低温相形状。双程记忆效应：双程记忆效应：加热时恢复高温形状，冷却时恢复低温形加热时恢复高温形状，冷却时恢复低温形状，即通过温度升降自发地可逆地反复恢复高低温的形状。状，即通过温度升降自发地可逆地反复恢复高低温的形状。全程记忆效应：全程记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状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。这是一种特殊的双程记忆相同而取向相反的高温相形状。这是一种特殊的双程记忆效应。效应。形状记忆合金
6、分类形状记忆合金分类lTiNi 系形状记忆合金:优良的力学性能,生物相容性好。生物医学材料 l铜基系形状记忆合金：易成型、价格低。 应用广泛l铁基系形状记忆合金：强度高、加Cr 、N i 后能防腐不锈。 钢管的接头形状记忆合金举例形状记忆合金举例集集传感传感、驱动驱动、控制、换能于一身、控制、换能于一身机械性质优良，能恢复的形变可高达机械性质优良，能恢复的形变可高达1010，而一般金，而一般金属材料只有属材料只有0.10.1以下以下有确定的转变温度有确定的转变温度 镍镍 钛钛 50 50在加热时产生的回复应力非常大，可达在加热时产生的回复应力非常大，可达500MPa500MPa对环境适应能力强
7、，不受温度以外的其他因素影响对环境适应能力强，不受温度以外的其他因素影响无振动噪声，无污染无振动噪声，无污染抗疲劳抗疲劳 回忆变形回忆变形500500万次不疲劳变形万次不疲劳变形形状记忆合金特性形状记忆合金特性形状记忆合金在航空航天中的应用形状记忆合金在航空航天中的应用 宇宙飞船登月之后，为了将月球上收集到的各种信息发回地球，必须在月球宇宙飞船登月之后，为了将月球上收集到的各种信息发回地球，必须在月球上架设直径为好几米的半月面天线。要把这个庞然大物直接放入宇宙飞船的船舱上架设直径为好几米的半月面天线。要把这个庞然大物直接放入宇宙飞船的船舱中几乎是不可能。但利用形状记忆合金则能使其成为可能。中几
8、乎是不可能。但利用形状记忆合金则能使其成为可能。 先用镍钛合金在高温下制成半球形的月面天线（这种合金非常强硬，刚度很先用镍钛合金在高温下制成半球形的月面天线（这种合金非常强硬，刚度很好），再让天线冷却到好），再让天线冷却到2828以下。这时，合金内部发生了结晶构造转变，变得非以下。这时，合金内部发生了结晶构造转变，变得非常柔软，所以很容易把天线折叠成小球似的一团，放进宇宙飞船的船舱里。到达常柔软，所以很容易把天线折叠成小球似的一团，放进宇宙飞船的船舱里。到达月球后，宇航员把变软的天线放在月面上，借助于阳光照射或其他热源的加热使月球后，宇航员把变软的天线放在月面上，借助于阳光照射或其他热源的加热
9、使环境温度超过奥氏体相变温度，这时天线犹如一把折叠伞那样自动张开，成为原环境温度超过奥氏体相变温度，这时天线犹如一把折叠伞那样自动张开，成为原先定形的抛物状天线，迅速投入正常的工作。先定形的抛物状天线，迅速投入正常的工作。月面天线月面天线航天飞机释放的膨胀月面天线航天飞机释放的膨胀月面天线形状记忆合金在航空航天中的应用形状记忆合金在航空航天中的应用形状控制被认为是航空工业中的智能结构中非常有前景的一形状控制被认为是航空工业中的智能结构中非常有前景的一项应用。通过形状记忆合金复合材料的传感与驱动功能可直接项应用。通过形状记忆合金复合材料的传感与驱动功能可直接导致飞行器结构形状的改变，大大地减轻飞
10、行器的重量。同时导致飞行器结构形状的改变，大大地减轻飞行器的重量。同时这种飞行器自适应形状结构可以增大航程，减少摩擦，提高空这种飞行器自适应形状结构可以增大航程，减少摩擦，提高空气弹性变形特性。这是因为自适应智能机翼具有连续的自适应气弹性变形特性。这是因为自适应智能机翼具有连续的自适应表面，可以延缓空气分叉，因此可以减少摩擦和增加爬升力。表面，可以延缓空气分叉，因此可以减少摩擦和增加爬升力。图为图为NASANASA中心制作完成了中心制作完成了30%30%比例的智能机翼模型。在高速度、比例的智能机翼模型。在高速度、等角机翼后缘控制等实飞条件下取得到了成功。等角机翼后缘控制等实飞条件下取得到了成功
11、。形状记忆合金在航空航天中的应用形状记忆合金在航空航天中的应用自适应智能机翼自适应智能机翼形状记忆合金在航空航天中的应用形状记忆合金在航空航天中的应用自适应智能旋翼自适应智能旋翼形状记忆合金可应用于直升飞机的智能水平旋翼由于直升飞形状记忆合金可应用于直升飞机的智能水平旋翼由于直升飞机的高震动和高噪声使使用受到限制。其噪声和震动的来源主机的高震动和高噪声使使用受到限制。其噪声和震动的来源主要是叶片涡流干扰，以及叶片型线的微小差。这就需要一种平要是叶片涡流干扰，以及叶片型线的微小差。这就需要一种平衡叶片螺距的装置，使各叶片能精确地在同一平面旋转。目前衡叶片螺距的装置，使各叶片能精确地在同一平面旋转
12、。目前已开发出一种叶片的轨迹控制器。它是用一个小的双管形状记已开发出一种叶片的轨迹控制器。它是用一个小的双管形状记忆合金驱动器控制叶片边缘轨迹上的小翼片的位置，使其震动忆合金驱动器控制叶片边缘轨迹上的小翼片的位置，使其震动降到最低。降到最低。形状记忆元件具有感温和驱动形状记忆元件具有感温和驱动双重功能，因此可制作用于航天双重功能，因此可制作用于航天空间探索的智能机械手。手指和空间探索的智能机械手。手指和手腕靠手腕靠Ti-NiTi-Ni合金螺旋弹簧的伸合金螺旋弹簧的伸缩实现开闭和弯曲动作，肘和肩缩实现开闭和弯曲动作，肘和肩是靠直线状是靠直线状Ti-NiTi-Ni合金丝的伸缩合金丝的伸缩实现弯曲动
13、作。实现弯曲动作。各个形状记忆合各个形状记忆合金元件都由直接通上的脉宽可调金元件都由直接通上的脉宽可调电流加以控制。电流加以控制。这种机械手的最大特点是小型这种机械手的最大特点是小型化，非常适于航天的无人操作活化，非常适于航天的无人操作活动。其另一个重要特征是动作柔动。其另一个重要特征是动作柔软，非常接近人手的动作软，非常接近人手的动作, ,可完可完成许多细腻的工作，如取出鸡蛋成许多细腻的工作，如取出鸡蛋等。等。形状记忆合金在航空航天中的应用形状记忆合金在航空航天中的应用智能机械手智能机械手形状记忆合金在航空航天中的应用形状记忆合金在航空航天中的应用智能机械手智能机械手20042004年初登上
14、火星的探测机器人年初登上火星的探测机器人“勇气勇气”号、号、“机遇机遇”号号记忆铆钉记忆铆钉形状记忆合金在航空航天中的应用形状记忆合金在航空航天中的应用在飞机的制造工艺中，需要用大量的连接件如铆钉和螺栓进行连接或紧固。在飞机的制造工艺中，需要用大量的连接件如铆钉和螺栓进行连接或紧固。采用形状记忆合金制作紧固销钉，将是飞机制造业中的一项崭新的工艺技术。采用形状记忆合金制作紧固销钉，将是飞机制造业中的一项崭新的工艺技术。它可以在某些很难进行操作的场合它可以在某些很难进行操作的场合( (如在密闭真空中如在密闭真空中), ), 较容易地实现材料的较容易地实现材料的链接和紧固。链接和紧固。铆钉尾部记忆成
15、型为开口状铆钉尾部记忆成型为开口状, ,紧固前紧固前, ,将铆钉在干冰中冷却后把尾部拉直将铆钉在干冰中冷却后把尾部拉直, ,插插入被紧固件的孔中入被紧固件的孔中, ,温度上升产生形状恢复温度上升产生形状恢复, ,铆钉尾部叉开即可实现紧固。铆钉尾部叉开即可实现紧固。形状记忆合金在航空航天中的应用形状记忆合金在航空航天中的应用奥氏体相下的紧缩套管奥氏体相下的紧缩套管 马氏体相下的膨胀套管马氏体相下的膨胀套管记忆合金管接头记忆合金管接头升温升温在飞机上通常装有各种不同直径的管道，对于一些异径管接头的连接，形状记忆在飞机上通常装有各种不同直径的管道，对于一些异径管接头的连接，形状记忆合金可以大显身手。
16、合金可以大显身手。先将形状记忆合金材料加工成所要求的管材，然后经适当热处理使管材产生径向先将形状记忆合金材料加工成所要求的管材，然后经适当热处理使管材产生径向膨胀，并快速冷却，即可制得马氏体相变后套管。应用时，将此套管套在需要连接膨胀，并快速冷却，即可制得马氏体相变后套管。应用时，将此套管套在需要连接的两个管材的接头上，再用加热器将已膨胀的套管加热至其软化点（即奥氏体温度）的两个管材的接头上，再用加热器将已膨胀的套管加热至其软化点（即奥氏体温度）以上，膨胀管便收缩到初始形状，紧紧包覆在管接头。以上，膨胀管便收缩到初始形状，紧紧包覆在管接头。形状记忆无线电通信天线形状记忆无线电通信天线 形状记忆
17、合金还可制成各类心脏修补器、血栓过滤器、伤骨固形状记忆合金还可制成各类心脏修补器、血栓过滤器、伤骨固定器、脊柱矫正器、手术缝合线、人造骨骼等等。定器、脊柱矫正器、手术缝合线、人造骨骼等等。形状记忆合金在医学中的应用形状记忆合金在医学中的应用 记忆食道架能在喉部膨胀成新的食道。必要时只要向食道记忆食道架能在喉部膨胀成新的食道。必要时只要向食道里加上冰块，里加上冰块，“食道食道”又会遇冷收缩，从而可轻易取出，使失又会遇冷收缩，从而可轻易取出，使失去进食功能的食道癌患者提高了生活质量。去进食功能的食道癌患者提高了生活质量。 （a a）预压缩）预压缩 （b b）受热扩张后）受热扩张后 （c c）植入腔
18、道内效果）植入腔道内效果记忆食道支架记忆食道支架形状记忆合金在医学中的应用形状记忆合金在医学中的应用（a）消化道内支架 （b）血管内支架 （c）胆道内支架 腔内支架临床应用实例腔内支架临床应用实例 形状记忆合金在医学中的应用形状记忆合金在医学中的应用腔内支架临床应用实例腔内支架临床应用实例 卡骨环锯齿臂环抱内固定装置 形状记忆合金在生活中的应用形状记忆合金在生活中的应用（ a ）（ b ）（ c ）形状记忆合金在生活中的应用形状记忆合金在生活中的应用加热会变直的勺子形状记忆合金在生活中的应用形状记忆合金在生活中的应用（ a ）（ b ）（ c ）过热保护装置过热保护装置形状记忆合金在生活中的应
19、用形状记忆合金在生活中的应用用形状记忆合金弹簧可以设计一种过热保护的用形状记忆合金弹簧可以设计一种过热保护的SMASMA驱动器，驱动器，以避免淋浴时意外烫伤。以避免淋浴时意外烫伤。正常工作时，热水的温度小于正常工作时，热水的温度小于SMASMA的奥氏体相变温度，当水的奥氏体相变温度，当水温达到可能烫伤人的温度温达到可能烫伤人的温度( (大约大约48)48)时，时，SMASMA发生形变，从而发生形变，从而驱动阀门关闭，直到水温降到安全温度，阀门才重新打开。可驱动阀门关闭，直到水温降到安全温度，阀门才重新打开。可以转动手柄以转动手柄(a)(a)让偏压弹簧失效使热水直接流过阀。让偏压弹簧失效使热水直
20、接流过阀。 利用CuZnAl形状记忆合金双程记忆恢复特性制成的记忆合金花瓣瓣，动作幅度为180。采用CuZnAl记忆合金片，以热水或热风为热源，开放温度为6585，闭合温度为室温。花蕾直径80mm,展开直径200mm。记忆合金花记忆合金花形状记忆合金在生活中的应用形状记忆合金在生活中的应用形状记忆合金制成的形状记忆合金制成的“蝴蝶蝴蝶” （可模仿肌肉的收缩）（可模仿肌肉的收缩）形状记忆合金在生活中的应用形状记忆合金在生活中的应用记忆照明灯罩记忆照明灯罩用形状记忆合金制造汽车的外壳，万一被撞瘪，只要用形状记忆合金制造汽车的外壳，万一被撞瘪，只要浇上一桶热水就可恢复到原来的形状。浇上一桶热水就可恢
21、复到原来的形状。记忆汽车外壳记忆汽车外壳记忆衣服记忆衣服 用记忆合金丝混合羊毛织成衣服，当人运动后体温上升，用记忆合金丝混合羊毛织成衣服，当人运动后体温上升，衣服就会根据人的体温自动地调整使衣服变得宽松，使人感觉衣服就会根据人的体温自动地调整使衣服变得宽松，使人感觉更舒适。更舒适。记忆车钉记忆车钉用形状记忆合金制成的钉子安装在汽车外胎上，当气用形状记忆合金制成的钉子安装在汽车外胎上，当气温降低、公路结冰时，钉子会温降低、公路结冰时，钉子会“自动自动”从外胎里伸出来，从外胎里伸出来，防止车轮打滑。防止车轮打滑。 用形状记忆合金制造的城市照明灯，有两瓣随着灯的亮用形状记忆合金制造的城市照明灯，有两
22、瓣随着灯的亮灭而逐渐张开或合上的金属叶片。白天，路灯熄灭，叶片合灭而逐渐张开或合上的金属叶片。白天，路灯熄灭，叶片合上；傍晚，路灯亮起灯泡发热，叶片受热而逐渐张开，使灯上；傍晚，路灯亮起灯泡发热，叶片受热而逐渐张开，使灯泡显露出来。泡显露出来。其他应用其他应用由于由于SMASMA的各种功能均依赖于马氏体相变的各种功能均依赖于马氏体相变, ,需要不断对其加热、需要不断对其加热、冷却及加载、卸载冷却及加载、卸载, , 因此因此SMASMA只适用于低频只适用于低频(10Hz(10Hz以下以下) )控制中控制中, ,这就大大限制了材料的应用，有待研究。这就大大限制了材料的应用，有待研究。对于对于SMA
23、SMA的驱动应用需要较为精确的形状控制，因此还需要进的驱动应用需要较为精确的形状控制，因此还需要进一步研究其形变的力学性能，从而提高控制精度和反应速度。一步研究其形变的力学性能，从而提高控制精度和反应速度。现有的现有的SMASMA模型在实际工程应用中都还存在一些缺陷模型在实际工程应用中都还存在一些缺陷, ,如何克如何克服这些缺点服这些缺点, ,从而精确地模拟出从而精确地模拟出SMASMA的材料行为也是一个需要的材料行为也是一个需要研究的重要课题。研究的重要课题。在医学应用方面在医学应用方面, ,还需继续研究还需继续研究SMASMA的生物相容性。的生物相容性。SMASMA作为一种新型功能材料作为
24、一种新型功能材料, ,其加工和制备工艺较难控制其加工和制备工艺较难控制, ,目前目前还没有形成一条还没有形成一条SMASMA自动生产线自动生产线, ,此外材料成本也比较昂贵。此外材料成本也比较昂贵。SMA尚待解决的问题尚待解决的问题形状记忆合金的应用前景形状记忆合金的应用前景充分发掘、改进和完善现有充分发掘、改进和完善现有SMASMA的性能的性能; ;研究开发新的具有形状记忆效应的合金材料研究开发新的具有形状记忆效应的合金材料; ;SMASMA薄膜的研究与应用；薄膜的研究与应用；SMASMA智能复合材料的研究与开发；智能复合材料的研究与开发；高温高温SMASMA的开发；的开发；SMASMA将逐步迈向商品化。将逐步迈向商品化。SMASMA今后的发展趋势今后的发展趋势形状记忆合金的应用前景形状记忆合金的应用前景
