智能材料形狀記憶材料

1、材料科學(xué)之智能材料材料科學(xué)之智能材料物理1001班 熊超組智能材料之形狀記憶材料定義定義 智能材料就是指具有感知環(huán)境(包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境)刺激，對(duì)之進(jìn)行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進(jìn)行適度響應(yīng)的智能特征的材料智能材料與普通材料在構(gòu)造上的區(qū)別智能材料與普通材料在構(gòu)造上的區(qū)別結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)傳感器控制器執(zhí)行器擾動(dòng)反應(yīng)控制結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)執(zhí)行器傳感器控制器擾動(dòng)反應(yīng)智能結(jié)構(gòu)分類(lèi)一般認(rèn)為，智能材料由傳感器或敏感元件等與傳統(tǒng)材料結(jié)合而成，可分為兩大類(lèi)： （1）嵌入式智能材料，又稱(chēng)智能材料結(jié)構(gòu)或智能材料系統(tǒng)。在基體材料中，嵌入具有傳感、動(dòng)作和處理功能的三種原始材料。傳感元件采集和檢測(cè)外界環(huán)境給予的信息，控制處理器指揮

2、和激勵(lì)驅(qū)動(dòng)元件，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。 （2）非嵌入式智能材料。有些材料微觀結(jié)構(gòu)本身就具有智能功能，能夠隨著環(huán)境和時(shí)間的變化改變自己的性能，如自濾玻璃、受輻射時(shí)性能自衰減的inp半導(dǎo)體等智能材料的特征因?yàn)樵O(shè)計(jì)智能材料的兩個(gè)指導(dǎo)思想是材料的多功能復(fù)合和材料的仿生設(shè)計(jì)，所以智能材料系統(tǒng)具有或部分具有如下的智能功能和生命特征： （1）傳感功能傳感功能 能夠感知外界或自身所處的環(huán)境條 件，如負(fù)載、應(yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)、熱、光、電、 磁、化學(xué)、核輻射等的強(qiáng)度及其變化。 （2）反饋功能反饋功能 可通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)系統(tǒng)輸入與輸 出信息進(jìn)行對(duì)比，并將其結(jié)果提供給控制系統(tǒng)。 （3）信息識(shí)別與積累功能信息識(shí)別與積累功能 能

3、夠識(shí)別傳感網(wǎng)絡(luò)得到 的各類(lèi)信息并將其積累起來(lái)。（4）響應(yīng)功能響應(yīng)功能 能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化， 適時(shí)動(dòng)態(tài)地作出相應(yīng)的反應(yīng)，并采取必要行動(dòng)。 （5）自診斷能力自診斷能力 能通過(guò)分析比較系統(tǒng)目前的狀況與 過(guò)去的情況，對(duì)諸如系統(tǒng)故障與判斷失誤等問(wèn)題進(jìn) 行自診斷并予以校正。 （6）自修復(fù)能力自修復(fù)能力 能通過(guò)自繁殖、自生長(zhǎng)、原位復(fù)合 等再生機(jī)制，來(lái)修補(bǔ)某些局部損傷或破壞。 （7）自調(diào)節(jié)能力自調(diào)節(jié)能力對(duì)不斷變化的外部環(huán)境和條件，能 及時(shí)地自動(dòng)調(diào)整自身結(jié)構(gòu)和功能，并相應(yīng)地改變自 己的狀態(tài)和行為，從而使材料系統(tǒng)始終以一種優(yōu)化 方式對(duì)外界變化作出恰如其分的響應(yīng)。智能材料的構(gòu)成一般來(lái)說(shuō)智能材料由基體材料

4、、敏感材料、驅(qū)動(dòng)材料三部分構(gòu)成。 （1）基體材料基體材料 基體材料擔(dān)負(fù)著承載的作用， 一般宜選用輕質(zhì)材料。一般基體材料首選高分 子材料，因?yàn)槠渲亓枯p、耐腐蝕，尤其具有粘 彈性的非線性特征。其次也可選用金屬材料， 以輕質(zhì)有色合金為主。 （2）敏感材料敏感材料 敏感材料擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)，其主 要作用是感知環(huán)境變化（包括壓力、應(yīng)力、溫度、 電磁場(chǎng)、ph值等）。常用敏感材料如形狀記憶材料、 壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材料、電致變色材 料、電流變體、磁流變體和液晶材料等。 （3）驅(qū)動(dòng)材料驅(qū)動(dòng)材料 因?yàn)樵谝欢l件下驅(qū)動(dòng)材料可產(chǎn)生 較大的應(yīng)變和應(yīng)力，所以它擔(dān)負(fù)著響應(yīng)和控制的任 務(wù)。常用有效驅(qū)動(dòng)材料如形狀記

5、憶材料、壓電材料、 電流變體和磁致伸縮材料等研究方向智能材料的出現(xiàn)將使人類(lèi)文明進(jìn)入一個(gè)新的高度，但目前距離實(shí)用階段還有一定的距離。今后的研究重點(diǎn)包括以下六個(gè)方面： （1） 智能材料概念設(shè)計(jì)的仿生學(xué)理論研究 （2） 材料智然內(nèi)稟特性及智商評(píng)價(jià)體系的研究 （3） 耗散結(jié)構(gòu)理論應(yīng)用于智能材料的研究 （4） 機(jī)敏材料的復(fù)合-集成原理及設(shè)計(jì)理論 （5） 智能結(jié)構(gòu)集成的非線性理論 （6） 仿人智能控制理論實(shí)際成果在建筑建筑方面，英國(guó)科學(xué)家已開(kāi)發(fā)出了兩種“自愈合”纖維。這兩種纖維能分別感知混凝土中的裂紋和鋼筋的腐蝕，并能自動(dòng)粘合混凝土的裂紋或阻止鋼筋的腐蝕。在醫(yī)療醫(yī)療方面，智能材料和結(jié)構(gòu)可用來(lái)制造無(wú)需馬達(dá)控

6、制并有觸覺(jué)響應(yīng)的假肢。這些假肢可模仿人體肌肉的平滑運(yùn)動(dòng)，利用其可控的形狀回復(fù)作用力，靈巧地抓起易碎物體，如盛滿水的紙杯等。在軍事軍事方面，在航空航天器蒙皮中植入能探測(cè)激光、核輻射等多種傳感器的智能蒙皮，可用于對(duì)敵方威脅進(jìn)行監(jiān)視和預(yù)警。美國(guó)軍方發(fā)明出一種可涂在潛艇上的智能材料，它可使?jié)撏г肼暯档?0分貝，并使?jié)撏綔y(cè)目標(biāo)的時(shí)間縮短100倍。 除上述幾個(gè)方面外，智能材料的再一個(gè)重要進(jìn)展標(biāo)志就是形狀記憶合金。一些國(guó)家用記憶合金制成了衛(wèi)星用自展天線。在稍高的溫度下焊接成一定形狀后，在室溫下將其折疊，裝在衛(wèi)星上發(fā)射。衛(wèi)星上天后，由于受到強(qiáng)的日光照射，溫度會(huì)升高，天線自動(dòng)展開(kāi)。形狀記憶材料(a) 放入熱水

7、前 (b) 放入熱水后 (c) 得到一定回復(fù)后的形狀(d) 進(jìn)一步回復(fù)后的形狀(e) 冷至室溫后定義指具有一定形狀的固體材料,在某種條件下經(jīng)過(guò)一定的塑性變形后,加熱到一定溫度時(shí),材料又完全恢復(fù)到變形前原來(lái)形狀的現(xiàn)象。即它能記憶母相的形狀。比較常見(jiàn)的形狀記憶材料有形狀記憶合金，形狀記憶塑料，形狀記憶陶瓷形狀記憶合金，形狀記憶塑料，形狀記憶陶瓷形狀記憶效應(yīng)（1）單程記憶效應(yīng)單程記憶效應(yīng) 形狀記憶合金在較低的溫 度下變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀，這 種只在加熱過(guò)程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱(chēng)為 單程記憶效應(yīng)。 （2）雙程記憶效應(yīng)雙程記憶效應(yīng) 某些合金加熱時(shí)恢復(fù)高溫 相形狀，冷卻時(shí)又能恢復(fù)低溫相形狀，稱(chēng)為

8、 雙程記憶效應(yīng)。 （3）全程記憶效應(yīng)全程記憶效應(yīng) 加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀， 冷卻時(shí)變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈?狀，稱(chēng)為全程記憶效應(yīng)原理從微觀來(lái)看，形狀記憶效應(yīng)是晶體結(jié)構(gòu)的固有變化規(guī)律。從微觀來(lái)看，形狀記憶效應(yīng)是晶體結(jié)構(gòu)的固有變化規(guī)律。通常金屬合金在固態(tài)時(shí)，原子按照一定規(guī)律排列起來(lái)；而通常金屬合金在固態(tài)時(shí)，原子按照一定規(guī)律排列起來(lái)；而形狀記憶合金的原子排列規(guī)律則是隨著環(huán)境條件的改變而形狀記憶合金的原子排列規(guī)律則是隨著環(huán)境條件的改變而改變。比如，當(dāng)溫度下降到某個(gè)臨界溫度以下時(shí)，原子按改變。比如，當(dāng)溫度下降到某個(gè)臨界溫度以下時(shí)，原子按某一種規(guī)律進(jìn)行排列，此時(shí)的結(jié)構(gòu)稱(chēng)為某一種規(guī)律進(jìn)行排列，此時(shí)的結(jié)

9、構(gòu)稱(chēng)為馬氏體相馬氏體相；而當(dāng)溫；而當(dāng)溫度升高到某個(gè)臨界溫度以上，原子的排列規(guī)律就會(huì)發(fā)生改度升高到某個(gè)臨界溫度以上，原子的排列規(guī)律就會(huì)發(fā)生改變，原子又按另一種規(guī)律進(jìn)行排列，此時(shí)又稱(chēng)之為變，原子又按另一種規(guī)律進(jìn)行排列，此時(shí)又稱(chēng)之為奧氏體奧氏體相或母相相或母相。形狀恢復(fù)的推動(dòng)力是由在加熱溫度下母相和馬。形狀恢復(fù)的推動(dòng)力是由在加熱溫度下母相和馬氏體相的自由能之差產(chǎn)生的。氏體相的自由能之差產(chǎn)生的。從宏觀來(lái)看，材料在高溫下被處理成一定形狀，再急冷下從宏觀來(lái)看，材料在高溫下被處理成一定形狀，再急冷下來(lái)，在低溫相狀態(tài)下經(jīng)塑性變形為另一種形狀，然后加熱來(lái)，在低溫相狀態(tài)下經(jīng)塑性變形為另一種形狀，然后加熱到高溫相成

10、為穩(wěn)定狀態(tài)的溫度時(shí)，通過(guò)馬氏體逆相變恢復(fù)到高溫相成為穩(wěn)定狀態(tài)的溫度時(shí)，通過(guò)馬氏體逆相變恢復(fù)到低溫塑性變形前的形狀。具有這種效應(yīng)的金屬，通常是到低溫塑性變形前的形狀。具有這種效應(yīng)的金屬，通常是由兩種以上的金屬元素構(gòu)成的合金，故稱(chēng)為形狀記憶合金。由兩種以上的金屬元素構(gòu)成的合金，故稱(chēng)為形狀記憶合金。形狀記憶效應(yīng)微觀模型形狀記憶合金晶體結(jié)構(gòu)變化模型形狀記憶合金晶體結(jié)構(gòu)變化模型具有具有較較低的對(duì)低的對(duì)稱(chēng)性稱(chēng)性的的正交或正交或單斜晶單斜晶系系具有具有較較高的對(duì)高的對(duì)稱(chēng)性稱(chēng)性的的立方點(diǎn)立方點(diǎn)陣陣熱彈性馬氏體相變時(shí)伴隨有形狀的變化。熱彈性馬氏體相變時(shí)伴隨有形狀的變化。形狀記憶效應(yīng)的實(shí)質(zhì)：形狀記憶效應(yīng)的實(shí)質(zhì)：是

11、在是在溫度的作用溫度的作用下，材料內(nèi)部熱彈性馬氏體形成、下，材料內(nèi)部熱彈性馬氏體形成、變化、消失的相變過(guò)程的宏觀表現(xiàn)。變化、消失的相變過(guò)程的宏觀表現(xiàn)。馬氏體馬氏體純金屬或合金從某一固相轉(zhuǎn)變成另一固相時(shí)的產(chǎn)物；在轉(zhuǎn)變過(guò)程中，原子不擴(kuò)散，化學(xué)成分不改變，但晶格發(fā)生變化，同時(shí)新舊相間維持一定的位向關(guān)系并且具有切變共格的特征。馬氏體最先由德國(guó)冶金學(xué)家 adolf martens (1850-1914)于19世紀(jì)90年代在一種硬礦物中發(fā)現(xiàn)。馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)為體心四方結(jié)構(gòu)（bct）。應(yīng)用應(yīng)用月面天線月面天線宇宙飛船登月之后，為了將月球上收集到的各種信息發(fā)回地球，必須在月球宇宙飛船登月之后，為了將月球上收集

12、到的各種信息發(fā)回地球，必須在月球上架設(shè)直徑為好幾米的半月面天線。要把這個(gè)龐然大物直接放入宇宙飛船的上架設(shè)直徑為好幾米的半月面天線。要把這個(gè)龐然大物直接放入宇宙飛船的船艙中幾乎是不可能。但利用形狀記憶合金則能使其成為可能。船艙中幾乎是不可能。但利用形狀記憶合金則能使其成為可能。 先用鎳鈦合金在高溫下制成半球形的月面天線，再讓天線冷卻到先用鎳鈦合金在高溫下制成半球形的月面天線，再讓天線冷卻到28以下。以下。這時(shí)，合金內(nèi)部發(fā)生了結(jié)晶構(gòu)造轉(zhuǎn)變，變得非常柔軟，所以很容易把天線折這時(shí)，合金內(nèi)部發(fā)生了結(jié)晶構(gòu)造轉(zhuǎn)變，變得非常柔軟，所以很容易把天線折疊成小球似的一團(tuán)，放進(jìn)宇宙飛船的船艙里。到達(dá)月球后，宇航員把變

13、軟的疊成小球似的一團(tuán)，放進(jìn)宇宙飛船的船艙里。到達(dá)月球后，宇航員把變軟的天線放在月面上，借助于陽(yáng)光照射或其他熱源的加熱使環(huán)境溫度超過(guò)奧氏體天線放在月面上，借助于陽(yáng)光照射或其他熱源的加熱使環(huán)境溫度超過(guò)奧氏體相變溫度，這時(shí)天線猶如一把折疊傘那樣自動(dòng)張開(kāi)，成為原先定形的拋物狀相變溫度，這時(shí)天線猶如一把折疊傘那樣自動(dòng)張開(kāi)，成為原先定形的拋物狀天線，迅速投入正常的工作。天線，迅速投入正常的工作。記憶鉚釘記憶鉚釘在飛機(jī)的制造工藝中，需要用大量的連接件如鉚釘和螺在飛機(jī)的制造工藝中，需要用大量的連接件如鉚釘和螺栓進(jìn)行連接或緊固。采用形狀記憶合金制作緊固銷(xiāo)釘，將栓進(jìn)行連接或緊固。采用形狀記憶合金制作緊固銷(xiāo)釘，將是

14、飛機(jī)制造業(yè)中的一項(xiàng)嶄新的工藝技術(shù)。它可以在某些很是飛機(jī)制造業(yè)中的一項(xiàng)嶄新的工藝技術(shù)。它可以在某些很難進(jìn)行操作的場(chǎng)合難進(jìn)行操作的場(chǎng)合(如在密閉真空中如在密閉真空中), 較容易地實(shí)現(xiàn)材料的較容易地實(shí)現(xiàn)材料的鏈接和緊固。鏈接和緊固。鉚釘尾部記憶成型為開(kāi)口狀鉚釘尾部記憶成型為開(kāi)口狀,緊固前緊固前,將鉚釘在干冰中冷卻將鉚釘在干冰中冷卻后把尾部拉直后把尾部拉直,插入被緊固件的孔中插入被緊固件的孔中,溫度上升產(chǎn)生形狀恢復(fù)溫度上升產(chǎn)生形狀恢復(fù),鉚釘尾部叉開(kāi)即可實(shí)現(xiàn)緊固。鉚釘尾部叉開(kāi)即可實(shí)現(xiàn)緊固。過(guò)熱保護(hù)裝置過(guò)熱保護(hù)裝置用形狀記憶合金彈簧可以設(shè)計(jì)一種過(guò)熱保護(hù)的用形狀記憶合金彈簧可以設(shè)計(jì)一種過(guò)熱保護(hù)的sma（形狀記（形狀記憶合金）驅(qū)動(dòng)器，以避免淋浴時(shí)意外燙傷。憶合金）驅(qū)動(dòng)器