形狀記憶合金文獻(xiàn)綜述.docx

形狀記憶合金性能及其應(yīng)用綜述引言：形狀記憶合金形狀記憶效應(yīng)、超彈性效應(yīng)、高阻尼特性、電阻突變效應(yīng)以及彈性模量隨溫度變化等一般金屬不具備的力學(xué)特性 ，使其在儀器儀表、自動(dòng)控制、機(jī)器人、機(jī)械制造、汽車、航天航空、生物醫(yī)學(xué)等工程領(lǐng)域都能發(fā)揮重要的作用，對(duì)其本構(gòu)性能和在工程應(yīng)用中的性能的研究十分必要。本文綜合了自1971年以來國內(nèi)外眾多科學(xué)家對(duì)形狀記憶合金做出的各方面的研究，并做出簡要評(píng)價(jià)，提出自己的看法和本課題研究內(nèi)容，為對(duì)形狀記憶合金的應(yīng)用研究提供一定參考。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：1、SMA材料種類研究現(xiàn)狀 自上個(gè)世紀(jì)30年代人們發(fā)現(xiàn)Au-Cd合金具有記憶效應(yīng)以來，進(jìn)過幾十年的研究，發(fā)現(xiàn)的形狀記憶合金按相變特征類，可分成如下幾個(gè)系列1：1、由熱彈性馬氏體相變呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)的合金 1) TiNi系列，發(fā)生體心立方無公度相菱方R相單斜BI9相變。包括TiNi、TiNiFe、TiNiCu、TiNiNb(寬滯后)、TiNiCo等。2) 銅基合金系，包括:Cu-Al-Ni(Cu-Al-X=Ti或Mn),發(fā)生體心立方近正交1（2H）或單斜1（18R1）, 1單斜1”（18R2），1”-單斜1, 1-單斜1相變（視應(yīng)力大小而定）；Cu-Zn-Al-X（Cu-Zn-Al-X，X=Mn或Ni等），發(fā)生體心立方（2、DO3或L1）-單斜9R或18R相變；其它，如Cu-Zu和Cu-Zn-X（X=Si、Sn、Au等）。3） 其它有色合金系，包括：Au-Cd、Ag-Cd、In-Ti、Ti-Nb、Co-Ni、Ni-Al等。4) Fe3Pt（，fct）和Fe-30at%Pd（fct）。5) Fe-Ni-Co-Ti系，發(fā)生時(shí)效一薄片狀(bcc和bct)馬氏體相變，如Fe-33Ni-l0Co-4Ti、 Fe-31Ni一I0Co-3Ti及Fe-33Ni-l0Co-(34)Ti-Al等。2、由非熱彈性馬氏體相變呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)的合金1) Fe-MIn-Si系，發(fā)生一六方相變，包括Fe-30Mn-1Si(單晶)、Fe-（2833）Mn-(46)Si、Fe-Mn-Si-Ni-Cr、Fe-14Mn-6Si-5Ni-9Cr、Fe-20Mn-5Si-5Ni-8Cr、Fe-Mn-Si-9C、Fe-8Mn-6Si-6Ni-13Cr- 12Co等。 2) Fe-Ni-C系，發(fā)生一薄片狀馬氏體相變，如Fe-3INi-0.4C 和Fe-（2628）Ni-12Co-4Al-0.4C。 其中Ni-Ti基合金的形狀記憶效應(yīng)最佳，是重要的形狀記憶材料。NiTi中具有多種相變：無公度相變、R相變(馬氏體型)、馬氏體相變、沉淀。2形狀記憶合金性能研究現(xiàn)狀 雖然早在上個(gè)世紀(jì)30年代，人們就發(fā)現(xiàn)了一些合金的形狀記憶效應(yīng)，但是直到70年代muller等人提出SMA材料的本構(gòu)關(guān)系模型以來，有關(guān)形狀記憶合金的機(jī)理和本構(gòu)模型的研究才取得了一定的進(jìn)展2。SMA的模型可大致分為三類：微觀熱力學(xué)模型、宏觀現(xiàn)象學(xué)模型和基于微觀力學(xué)的宏觀模型。 微觀熱力學(xué)模型有助于了解材料宏觀特性的微觀機(jī)理，揭示SMA的物理本質(zhì)。微觀熱力學(xué)模型主要有從相界運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)角度給出的本構(gòu)模型和以能量耗散理論為依據(jù)的細(xì)觀力學(xué)模型。Patoor3等人首先從微觀角度研究了SMA的本構(gòu)行為，但他們的工作限于應(yīng)力誘發(fā)的馬氏體相變且難以推廣到逆相變和非比例加載過程.Boyd4在Patoor等人所建立的單晶模型的基礎(chǔ)上，采用多晶平均法，研究材料非比例加載、相變和重定向引起的行為并建立了本構(gòu)關(guān)系該模型包含了所有的使用領(lǐng)域，但長時(shí)間的計(jì)算和大量相對(duì)復(fù)雜的方程不便于工程應(yīng)用彭向和5等人結(jié)合Tanaka的相變描述，建立了小變形、初始各相同性和塑性不可壓縮條件下SMA的三維本構(gòu)模型。周博等人從微觀力學(xué)角度建立了一個(gè)考慮馬氏體擇優(yōu)取向過程的SMA三維本構(gòu)模型。朱煒國，呂和祥6等將孿晶馬氏體向非孿晶馬氏體（馬氏單變體）的相變過程，看作是奧氏體向馬氏單變體的相變過程，利用Tanaka的指數(shù)型相變演化方程，構(gòu)造了一個(gè)三維的本構(gòu)模型。迄今為止，SMA微觀力學(xué)本構(gòu)模型的研究者們采用各種方法研究材料的結(jié)晶現(xiàn)象，由于材料相變產(chǎn)生的交互能量和其他許多可能的變量，從而發(fā)展了SMA單晶/多晶本構(gòu)模型. 這些集中在SMA材料的微觀熱力學(xué)模型方面的描述，有助于人們更好的認(rèn)識(shí)其本質(zhì)，為其在工程中的應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)，但是難以被應(yīng)用于工程實(shí)際問題的分析。 SMA的宏觀現(xiàn)象學(xué)模型，以熱力學(xué)定律為基本出發(fā)點(diǎn)，借助于熱動(dòng)力學(xué)理論和相變動(dòng)力學(xué)理論，大致分為3類：1、基于熱動(dòng)力學(xué)理論，根據(jù)自由能推到的本構(gòu)模型；2、從純熱力學(xué)理論出發(fā)建立的本構(gòu)模型；3、超彈性和單雙程形狀記憶效應(yīng)的本構(gòu)模型。Falk7將SMA的應(yīng)力、應(yīng)變曲線同鐵電極強(qiáng)化度曲線進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)兩者具有相似性，于是采用鐵電極的變相理論描述SMA，不過只使用與剪切模型。Tanaka8等人基于熱力學(xué)學(xué)第一、第二定律，對(duì)形狀記憶合金材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行了定性的分析，這種模型得到了工程界的普遍認(rèn)同和廣泛應(yīng)用。Liang.C9等人根據(jù)Tanaka的理論為基點(diǎn)，考慮到在發(fā)生馬氏體相變、逆相變初始狀態(tài)的馬氏體含量對(duì)模型的影響，提出了一種以余弦函數(shù)形式來表示馬氏體百分?jǐn)?shù)與溫度、Canchy應(yīng)力之間的關(guān)系，這是一個(gè)創(chuàng)新，提高了模型的準(zhǔn)確性，從而使工程應(yīng)用的準(zhǔn)確性也大大提高了。這幾種本構(gòu)關(guān)系都可以描述應(yīng)力誘發(fā)下的正、反方向的相變行為，解釋形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)，但是由于只引入了一個(gè)內(nèi)變量，故對(duì)相變時(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和狀態(tài)的描述是有限的，如對(duì)低溫馬氏體的重定向問題就不能很好的解釋。Sun10等人又分別在不同方面對(duì)本構(gòu)模型進(jìn)行了研究而得出一些更為復(fù)雜的結(jié)論?，F(xiàn)在很多學(xué)者還在對(duì)這種本構(gòu)關(guān)系的簡化應(yīng)用進(jìn)行著研究。如杜彥良11提出了一種線性的馬氏體百分?jǐn)?shù)與溫度、Canchy應(yīng)力之間的關(guān)系模型，并與Liang等人的模型進(jìn)行了比較，實(shí)驗(yàn)與預(yù)報(bào)精確度相差不大，但是簡化了模型，為實(shí)際應(yīng)用提供了更加簡便的模型。3、形狀記憶合金在智能系統(tǒng)方面的應(yīng)用研究現(xiàn)狀與其他可作為傳感與驅(qū)動(dòng)的元件相比，SMA驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作除溫度外幾乎不受其它環(huán)境條件的影響，具有較好地抗外界干擾特性，相對(duì)其他智能復(fù)合材料在價(jià)格、技術(shù)成熟性和可植入性等方面也有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，采用SMA構(gòu)造智能結(jié)構(gòu)受到專家學(xué)者的關(guān)注12。SMA在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方面的應(yīng)用研究：結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制手段可分為被動(dòng)控制、主動(dòng)控制和智能控制13。被動(dòng)控制是利用形狀記憶合金材料的超彈性效應(yīng)和高阻尼特性將其制做為耗能阻尼器。形狀記憶合金特有的超彈性變形特性使其變形能力比普通金屬材料約大30倍，比阻尼（材料振幅衰減比的平方）可達(dá)40%，在小震情況下，形狀記憶合金的彈性特性與普通金屬相似，在大震時(shí)形狀記憶合金表現(xiàn)出超彈性大變形能力，有效地消耗地震能量，并可利用其記憶效應(yīng)使變形恢復(fù)。SMA在精確定位控制方面的應(yīng)用研究：閻紹澤，徐峰等提出將SMA傳感器與光導(dǎo)纖維制成一體，當(dāng)溫度出現(xiàn)異常時(shí)，SMA變形使光導(dǎo)纖維的光導(dǎo)系統(tǒng)出現(xiàn)光能損失，終端得到的散光光強(qiáng)和時(shí)間曲線就會(huì)出現(xiàn)明顯變化, 判斷異常溫度的位置和時(shí)間14. 這種傳感系統(tǒng)可用作工廠、大樓的火災(zāi)報(bào)警裝置。SMA在故障自監(jiān)測(cè)、自診斷、自修復(fù)和自增強(qiáng)方面的應(yīng)用研究：將產(chǎn)生一定預(yù)變形的SMA埋入結(jié)構(gòu)中，通過觸發(fā)SMA所產(chǎn)生的回復(fù)力可降低結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，改善其應(yīng)力分布，提高結(jié)構(gòu)的承載能力，同時(shí)也可以防止損傷的發(fā)生或損傷的擴(kuò)展。在承受彎矩或扭矩的構(gòu)件中加入SMA絲，通過對(duì)SMA絲的加熱與冷卻可做成強(qiáng)度自應(yīng)結(jié)構(gòu)。在孔板的孔周圍埋入SMA絲對(duì)其誘發(fā)應(yīng)變，可在孔邊產(chǎn)生壓應(yīng)力，能降低孔邊的應(yīng)力集中因子并改善應(yīng)力分布15。閻云聚，姜節(jié)勝等研究了在一些大型建筑結(jié)構(gòu)中加入SMA構(gòu)成智能復(fù)合材料系統(tǒng),通過用復(fù)合材料制成的形狀記憶合金電纜的加熱收縮來防止裂紋的擴(kuò)展16。4、形狀記憶合金在工程中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀SMA近年來發(fā)展日趨成熟，已獲得了多方面應(yīng)用，例如各種連接件、管接頭、鉚釘、連接器、緊固夾、衛(wèi)星天線、溫控元件、驅(qū)動(dòng)元件、電子器件、集成電路的配線等。醫(yī)用元件如：人工心臟、整形外科用骨接頭件、止血夾、牙齒矯形絲、人工關(guān)節(jié)用自固定桿、接骨用超彈性TiNi絲、玩具及塑料眼鏡框等。 SMA薄膜在MEMS驅(qū)動(dòng)和傳感元件方面的應(yīng)用研究:日本東京大學(xué)的Nakamrua等人17研制了SMA薄膜環(huán)形微驅(qū)動(dòng)器。采用TiNi泵膜的微泵一次循環(huán)中可產(chǎn)生8%的應(yīng)變，泵程輸出的流體體積與可恢復(fù)應(yīng)變是成正比的,因此TiNi薄膜在微泵方面具有很好的應(yīng)用前景。TiNi薄膜的電阻率約為100cm,可通過調(diào)節(jié)加熱電流來控制驅(qū)動(dòng)力18。美國Case Western Reserve大學(xué)的Be-nard等人19研制了兩種具有不同驅(qū)動(dòng)元件的微泵。日本Hoddaido大學(xué)的Makino等人20研制的微泵是由TiNi泵膜和兩個(gè)被動(dòng)閥組成。上海交通大學(xué)徐東等人21研制的Ti-Ni/Si復(fù)合結(jié)構(gòu)微泵。德國IMT的Kohl等人22開發(fā)了一種應(yīng)力優(yōu)化的由TiNi基合金薄膜驅(qū)動(dòng)的常開微閥。醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用:超彈性，采取TiNi基合金支架及其它醫(yī)療器件最明顯的特點(diǎn)是超彈性TiNi絲的柔韌性是不銹鋼的1020倍,TiNi基合金器件的回彈應(yīng)變可高達(dá)11%這種柔韌性對(duì)支架特別重要。利用其自身彈性擴(kuò)展性，典型的器件有RITA組織摘除器和ASDOS心隔膜孔洞阻塞器。熱致擴(kuò)展，如脈管內(nèi)腔過濾器。利用抗死結(jié)性能的一種應(yīng)用實(shí)例是導(dǎo)引絲。使用TiNi的抗死結(jié)性能的早期實(shí)例是用于腎膀胱膽道等處的網(wǎng)籃狀取石器，另一實(shí)例是所改進(jìn)的腹腔鏡類醫(yī)療器械。生物相容性，TiNi合金具有很好的生物相容性23，如通過美國FDA認(rèn)證的TiNi三級(jí)植入體器械（包括SIMON脈管血液過濾器、SMART 支架、MITEK骨固定器以及永久TiNi基合金植入體等），大量的整形外科器械，如髖骨植入體骨科U型釘頭蓋骨板等。利用SMA的恒應(yīng)力性而制成的牙齒正畸絲、超彈性眼鏡等。 SMA在汽車方面的應(yīng)用研究：例如豐田汽車采用TiNi記憶合金制成散熱器護(hù)柵活門，冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇，汽車輪胎防滑釘，可以根據(jù)輪胎溫度自由伸縮。霧燈窗自動(dòng)開閉裝置，電磁閥動(dòng)力裝置等。具體應(yīng)用及工作原理24： SMA減振墊片，SMA減振墊片用在變速箱齒輪等傳動(dòng)系零部件中。當(dāng)汽車運(yùn)行時(shí)，傳動(dòng)系零部件溫度逐漸升高，由于各零部件材料的膨脹系數(shù)不同，傳動(dòng)系的工作狀況逐漸變差，導(dǎo)致振動(dòng)和噪聲增大。而SMA減振墊片的彈性恢復(fù)力隨溫度升高而增大，它的合理使用能增加傳動(dòng)系零部件熱膨脹后的堅(jiān)固力，從而達(dá)到穩(wěn)定零部件工作狀態(tài)和減振降噪的目的； SMA溫度自反饋供油器，當(dāng)外界溫度降低導(dǎo)致燃油粘度增加時(shí)，溫度自反饋供油器中SMA彈簧和一個(gè)偏置彈簧組成的裝置打開發(fā)動(dòng)機(jī)附加油路。當(dāng)溫度升高時(shí)，SMA彈簧的彈性模量增大，從而推動(dòng)偏置彈簧關(guān)閉附加油路，這樣就可以保證不同溫度下供油量的穩(wěn)定性； SMA風(fēng)扇離合器，這種離合器采用SMA材料的螺旋彈簧裝置。當(dāng)來自散熱器的空氣流溫度超過設(shè)定溫度時(shí)，彈簧膨脹，使離合器接合，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)氣流降低一定溫度后，彈簧收縮，使離合器脫開，風(fēng)扇停止工作，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)水溫在最佳工作溫度。一些溫控裝置也是利用同樣的原理； SMA儲(chǔ)能彈簧，利用SMA可達(dá)到8%的超彈性變形量可將剎車時(shí)的車輛動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?chǔ)能彈簧的彈性勢(shì)能，而在正常行駛時(shí)將儲(chǔ)存在彈簧中的能量釋放出來驅(qū)動(dòng)車輛以節(jié)省燃料消耗。SMA在航天航空及軍事方面的應(yīng)用研究：關(guān)于SMA應(yīng)用最典型的例子是航天飛機(jī)的傘型天線25,為方便發(fā)射,把母相狀態(tài)TiNi記憶合金制成的天線壓扁,附在船體上,飛船升空后受陽光的輻射而升溫,于是天線便記憶起原來的形狀,重新支起；在火炮上的應(yīng)用，能最大限度地提高炮管內(nèi)膛的耐燒蝕能力，增大炮管的使用壽命；在槍彈上的應(yīng)用，可增大槍彈的殺傷力。還有在戰(zhàn)斗機(jī)、潛艇火箭、航天航空等方面的應(yīng)用；在微型飛行器的應(yīng)用，如在翼面中埋入智能驅(qū)動(dòng)元件，根據(jù)飛行器的飛行狀況及飛行控制的需要，通過驅(qū)動(dòng)元件激勵(lì)使得翼面發(fā)生扭轉(zhuǎn)或彎曲等來改變翼面的形狀，以獲得自適應(yīng)氣動(dòng)穩(wěn)定性, 從而獲得最佳的氣動(dòng)特性。此外，利用SMA的阻尼特性，在軍事上用作吸震波的裝甲材料、防彈材料等。SMA在建筑工程上的應(yīng)用研究：由于SMA具有可恢復(fù)變形大、在受限回復(fù)時(shí)能產(chǎn)生很大的驅(qū)動(dòng)力、電阻對(duì)應(yīng)變敏感、高阻尼性能、抗疲勞性能好，并且可以實(shí)現(xiàn)多種變形形式，易于同混凝土、鋼等材料相結(jié)合等特點(diǎn)而日益受到重視，國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)SMA在土木工程中的應(yīng)用進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。特別是對(duì)于民用設(shè)施的保護(hù)方面，如建筑、橋梁的抗震減害26-28等。彭文屹,曾少鵬,張少青,等29提出將SMA制成絲狀或薄膜狀粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)中易開裂的部位,一旦裂紋產(chǎn)生,該處的SMA的應(yīng)變將增大,使其內(nèi)部阻值變化,通過阻值的變化可以確定裂紋的寬度,由SMA的埋置位置,可以確定出現(xiàn)裂紋的構(gòu)件,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋的自診斷、自監(jiān)測(cè)。王社良、馬懷忠、沈亞等30提出將SMA材料預(yù)加載至彈性極限附近,然后隨同其他建筑材料一起植入地基內(nèi).這樣,當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí),SMA就可以吸收和耗散大量的地震能量,減小或抑制建筑物的地震響應(yīng)。有些應(yīng)用領(lǐng)域，要求形狀記憶元件在多次循環(huán)復(fù)運(yùn)動(dòng)中對(duì)外產(chǎn)生力的作用，溫度繼電器和溫度保持器、自動(dòng)干燥箱、電子灶、熱機(jī)、衛(wèi)星儀器艙窗門自動(dòng)啟閉器、自動(dòng)火警警報(bào)器、熱敏閥門、液氨泄漏探測(cè)器、煤氣安全閥、通風(fēng)管道緊急啟動(dòng)閘門、自動(dòng)收進(jìn)煙頭的煙灰盒及人工心臟等都屬于這種應(yīng)用類型。結(jié)論：基于形狀記憶合金的特殊的力學(xué)性能，其在智能系統(tǒng)以及工程方面的應(yīng)用也將越來越深入和廣泛。由于近些年對(duì)形狀記憶合金所做的大量研究，其在應(yīng)用中的難題逐步倍兒解決。本課題針對(duì)的形狀記憶合金在微型管道機(jī)器人方面的研究，可以在醫(yī)學(xué)的血管疏通以及線纜管道的檢測(cè)修理方面發(fā)揮重要的作用，其研究價(jià)值非常明顯。然而受材料自身情況的影響，使得其響應(yīng)速率和控制精度等方面還有待改善，因此在形狀記憶合金的本構(gòu)關(guān)系以及驅(qū)動(dòng)響應(yīng)速率等方面還有待進(jìn)一步的而研究。參考文獻(xiàn)1 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