1-2 形狀記憶合金.pptx

電子功能材料及元器件 電子科學與工程學院梁喜雙 1 神奇的形狀記憶合金2 什么是形狀記憶效應 3 形狀記憶效應的三種形式4 形狀記憶合金材料的發(fā)展5 形狀記憶合金的應用 1 2形狀記憶合金 1 2形狀記憶合金 月球上第一個人類腳印 1 神奇的形狀記憶合金 1 2形狀記憶合金 圖1用鈦 鎳形狀記憶合金制成的人造衛(wèi)星天線 1 2形狀記憶合金 1 2形狀記憶合金 a 放入熱水前 b 放入熱水后 c 得到一定回復后的形狀 d 進一步回復后的形狀 e 冷至室溫后 全程TiNi記憶合金花的動作變化情況 a 沒放入熱水前 b 放入熱水后 c 涼至室溫后 1 2形狀記憶合金 雙程CuZnAl記憶合金花的動作變化情況 1 2形狀記憶合金 a 沒放入熱水前 b 放入熱水后 c 涼至室溫后 高溫伸長的雙程CuZnAl記憶合金彈簧的動作變化情況 1 2形狀記憶合金 形狀記憶效應是指具有一定形狀的固體材料 在某種條件下經(jīng)過一定的塑性變形后 加熱到一定溫度時 材料又完全恢復到變形前原來形狀的現(xiàn)象 即它能記憶母相的形狀 具有形狀記憶效應的合金材料即稱為形狀記憶合金 2 什么是形狀記憶效應 為什么形狀記憶合金不 忘記 自己的 原形 呢 原來 在某些合金材料中會出現(xiàn)一種叫做熱彈性馬氏體的晶相組織 這種組織的特點是 它的相變驅(qū)動力很小 很容易發(fā)生相變 它能隨著溫度的升高而彈性地縮小或長大 故稱其為 熱彈性馬氏體 1 2形狀記憶合金 圖1 1形狀記憶效應和超彈性 普通金屬去掉外力后能恢復到原來形狀者僅限于0 5 以下的應變量 而形狀記憶合金的應變量可高達20 1 2形狀記憶合金 圖1 2普通金屬材料由滑移引起永久形變時的原子移動和試料形狀變化模式圖 范性形變 固體受外力作用而使各點間相對位置發(fā)生變化 當外力撤消后 固體不能恢復原來形狀 稱之為 索性形變 又稱為 范性形變 與之相對應的是 彈性形變 1 2形狀記憶合金 圖1 3形狀記憶效應和超彈性的示意圖 圖4Cu Al Ni Ti形狀記憶合金電阻隨溫度的變化 1 2形狀記憶合金 1 Cu 金屬 溫度升高散射作用增大 電阻率 升高 溫度下降散射作用減小 電阻率 下降 2 Si 半導體 溫度升高晶格散射加劇會使 n減小 但激發(fā)產(chǎn)生的載流子增多 使 減小占優(yōu)勢 從而使宏觀電阻率 減小 使Si呈現(xiàn)負溫度特性 單程形狀記憶效應 材料在高溫下制成某種形狀 在低溫相時將其任意變形 再加熱時恢復為高溫相形狀 而重新冷卻時卻不能恢復低溫相時的形狀 1 2形狀記憶合金 3 形狀記憶效應的三種形式 1 2形狀記憶合金 雙程形狀記憶效應 加熱時恢復高溫相形狀 冷卻時恢復低溫相形狀 即通過溫度升降自發(fā)可逆地反復恢復高低溫相形狀的現(xiàn)象稱為雙程形狀記憶效應或可逆形狀記憶效應 全程形狀記憶效應 當加熱時恢復高溫相形狀 冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹母邷叵嘈螤畹默F(xiàn)象稱為全程形狀記憶效應 4 形狀記憶合金材料的發(fā)展 早在1951年美國的T A Read等在一次實驗中偶然發(fā)現(xiàn)了金 鎘 Au Cd 合金具有形狀記憶特性 當時并未引起重視 1953年他們又在銦 鉈 In Tl 合金發(fā)現(xiàn)這類效應 直到1963年美國海軍裝備實驗室的科學家發(fā)現(xiàn)鎳 鈦合金具有形狀記憶效應后 才奠定了記憶合金的重要地位 當時 該實驗室的科學家正研制一種高強度的耐腐蝕合金 其成分是含鎳55 含鈦45 在試驗這種合金絲時 他們曾將這種合金繞成一個螺旋形線圈 并加熱到150 冷卻后又把線圈完全拉直 后來 一個偶然機會 他們把拉直的合金絲再次加熱時 出現(xiàn)一個奇跡 在溫度升高到95 時 拉直的鎳鈦合金絲竟自動卷曲成原來的螺旋線圈形狀 當時研究人員幾乎不相信自己的眼睛 于是又反復試驗 把合金絲加熱并變成各種復雜的形狀 然后冷卻并拉直 然后提高溫度并觀察合金的表現(xiàn) 在這種反復的實驗中 合金每次都表現(xiàn)了非凡的 記憶能力 如圖5中間一組圖所示 1 2形狀記憶合金 1 2形狀記憶合金 a 未拉長 b 被拉長后 c 溫度升高到95 時恢復原長 單程TiNi記憶合金簧的動作變化情況 從此掀起了形狀記憶合金研究的熱潮 并產(chǎn)生了多種實用化的新思想 新的形狀記憶合金應運而生 表1 1給出了部分形狀記憶合金的組成以及熱彈性馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度 形狀記憶合金材料目前已有100余種 大致可分為兩類 一類是以過渡族金屬為基的合金 另一類是貴金屬的 相合金 但最引人注目的是Ni Ti基合金 Cu Zn Al合金 Cu Al Ni合金和Fe Mn Si合金等 1 2形狀記憶合金 Ni Ti基合金其原子比為1 1 具有高的耐熱性 耐蝕性 高的強度 以及其它材料無可比擬的耐熱疲勞性與良好的生物相容性 但存在原材料價格昂貴 制造工藝困難 切削加工性不良等不足 近年來發(fā)展了一系列性能得到提高的材料 在Ni Ti合金中加入其它元素 開發(fā)了Ni Ti Cu Ni Ti Nb Ni Ti Cr Ni Ti Fe等系列合金 需特別指出的是研究人員在Ni Ti合金中添加微量的Fe或Cr 可使記憶合金的轉(zhuǎn)變溫度降到 100 適合在低溫下工作 1 2形狀記憶合金 Cu基合金價格便宜 原料來源充足 生產(chǎn)過程簡單 良好的形狀記憶效應 電阻率小 導熱性好 加工成形性能好 但長期或反復使用時 形狀恢復率會減小 是尚需探索解決的問題 開發(fā)的Cu Zn Al和Cu Ni Al合金可在很寬的 100 300 范圍內(nèi)調(diào)節(jié) 鐵基合金具有強度高 塑性好 價格便宜等優(yōu)點 正逐漸受到人們的重視并獲得開發(fā) 如Fe Pt Fe Pd Fe Co Ni Ti Fe Mn Si Fe Mn Si Cr等 從價格上看 鐵系形狀記憶合金比Ni Ti系和Cu系低得多 易于加工 強度高 剛性好 所以是很有競爭力的新合金系 1 2形狀記憶合金 5 形狀記憶合金的應用 從外觀上看 形狀記憶合金不但能受熱膨脹 伸長 也可以受熱收縮和彎曲 這主要取決于它的原始形狀 利用這一特性 形狀記憶合金在航天 機械 電子儀器和醫(yī)療器械上有著廣泛的用途 1 2形狀記憶合金 1 形狀記憶熱發(fā)動機 1 2形狀記憶合金 1973年美國試制成第一臺利用海水溫差發(fā)電熱機 它是利用高溫 低溫時發(fā)生相變產(chǎn)生形狀的改變 并伴隨極大的應力 實現(xiàn)機械能熱能之間的相互轉(zhuǎn)換 其裝置是一個水平放置的輪子 輪輻是偏心結(jié)構(gòu) 每個輪輻上掛有用Ti Ni合金制成的U形環(huán) 輪子下的水槽制成兩個半圓 分別裝入冷熱水 當U型環(huán)進入熱水槽時 就突然伸直 產(chǎn)生彈力 這種彈力有一部分沿輪子的切線作用 推動輪子旋轉(zhuǎn) 當輪輻轉(zhuǎn)入冷水槽內(nèi)時 伸直的合金絲又恢復彎曲形狀 盡管這種熱機只產(chǎn)生了0 5W的功率 至1983年功率已達20W 但發(fā)展前景十分誘人 可利用這種裝置實現(xiàn)利用海水溫差發(fā)電的夢想 2 用于機械 電子方面 記憶合金可用于熱敏裝置如火災警報器 安全裝置 固緊銷 管件的接頭 密封墊等機械器具 還可用于一些控制元件 如一些與溫度有關(guān)的傳感及自動控制 例如 用記憶合金管接頭連接兩根管子 首次于60年代被用于海軍飛機液壓系統(tǒng)的接頭 并取得成功 當時由于使用普通的管接頭熱脹冷縮 容易引起泄漏 造成飛行事故 據(jù)統(tǒng)計 全部飛行事故中有1 3是由于液壓系統(tǒng)接頭泄漏而引起的 首先在Af溫度以上使記憶合金管接頭的內(nèi)徑比它所要連接的管子的外徑略小一點 進行管路連接時先將記憶合金管接頭冷卻到Mf以下的低溫 使之轉(zhuǎn)變成馬氏體 此時管接頭在較低的應力下即能變形 可以用專用的工具對管接頭進行擴徑 使其內(nèi)徑略大于將要被連接的管子 1 2形狀記憶合金 1 2形狀記憶合金 記憶合金在醫(yī)療上的應用也很引人注目 1 接骨用的骨板 不但能將兩段斷骨固定 而且在恢復原形狀的過程中產(chǎn)生壓縮力 迫使斷骨接合在一起 2 利用鎳鈦記憶合金制作的膽道內(nèi)支架在治療膽道狹窄具有充分擴張和支撐狹窄膽道的優(yōu)良特性 能恢復和維持正常膽道生理 可以有效防止膽道再阻塞 3 血栓過濾器也是一種記憶合金新產(chǎn)品 被拉直的過濾器植入靜脈后 會逐漸恢復成網(wǎng)狀 從而阻止95 的凝血塊流向心臟和肺部 4 人工心臟是一種結(jié)構(gòu)更加復雜的臟