形狀記憶合金論述3000字論文

1、形狀記憶合金論述摘要:形狀記憶合金,是一種在加熱升溫后能完全消除其在較低的溫度下發(fā)生的形變,恢復(fù)其形變原始形狀的合金材料。這種合金在高溫(奧氏體狀態(tài)下發(fā)生的“偽彈性”行為,表現(xiàn)為這種合金能承載比一般金屬大幾倍甚至幾十倍的可恢復(fù)應(yīng)變。形狀記憶合金的這些獨(dú)特性質(zhì)源于其內(nèi)部發(fā)生的一種獨(dú)特的固態(tài)相變熱彈性馬氏相變體。關(guān)鍵詞:形狀記憶合金、馬氏相變體、記憶效應(yīng)引言:形狀記憶合金材料兼有傳感和驅(qū)動的雙重功能,是一種智能結(jié)構(gòu)中技術(shù)成熟性很高的功能材料,可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的微型化和智能化。形狀記憶效應(yīng)(SME即某種材料在高溫定形后,冷卻到低溫(或室溫,并施加變形,使它存在殘余變形1,2。當(dāng)溫加熱超過材料的相變點(diǎn)

2、,殘余變形即可消失,恢復(fù)到高溫時的固有形狀,如同記住了高溫下的狀態(tài)。SMA及其驅(qū)動控制系統(tǒng)具有許多的優(yōu)點(diǎn),如高功率重量比,適于微型化;集傳感、控制、換能、致動于一身,結(jié)構(gòu)簡單,易于控制;對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),不受溫度以外的其他因素影響等,有著傳統(tǒng)驅(qū)動器不可比擬的性能優(yōu)點(diǎn)。形狀記憶合金由于具有許多優(yōu)異的性能,因而廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械電子、生物醫(yī)療、橋梁建筑、汽車工業(yè)及日常生活等多個領(lǐng)域。一、發(fā)展史1932年,瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到"記憶"效應(yīng),即合金的形狀被改變之后,一旦加熱到一定的躍變溫度時,它又可以魔術(shù)般地變回到原來的形狀,人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀

3、記憶合金。記憶合金的開發(fā)迄今不過20余年,但由于其在各領(lǐng)域的特效應(yīng)用,正廣為世人所矚目,被譽(yù)為"神奇的功能材料"。最早關(guān)于形狀記憶效應(yīng)的報道是由Chang及Read等人在1952年作出的。他們觀察到Au-Cd合金中相變的可逆性。后來在Cu-Zn合金中也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象,但當(dāng)時并未引起人們的廣泛注意。直到1962年,Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中觀察到具有宏觀形狀變化的記憶效應(yīng),才引起了材料科學(xué)界與工業(yè)界的重視。到70年代初,CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也發(fā)現(xiàn)了與馬氏體相變有關(guān)的形狀記憶效應(yīng)。幾十年來,有關(guān)形狀記憶合金的研究已逐漸成為國際相

4、變會議和材料會議的重要議題,并為此召開了多次專題討論會,不斷豐富和完善了馬氏體相變理論。在理論研究不斷深入的同時,形狀記憶合金的應(yīng)用研究也取得了長足進(jìn)步,其應(yīng)用范圍涉及機(jī)械、電子、化工、宇航、能源和醫(yī)療等許多領(lǐng)域。二、功能機(jī)理形狀記憶合金(Shape Memory Alloys,簡稱SMA是一種能夠記憶原有形狀的智能材料。當(dāng)合金在低于相變態(tài)溫度下,受到一有限度的塑性變形后,可由加熱的方式使其恢復(fù)到變形前的原始形狀,這種特殊的現(xiàn)象稱為形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect,簡稱SME。而當(dāng)合金在高于相變態(tài)溫度下,施以一應(yīng)力使其受到有限度的塑性變形(非線性彈性變形后,可利用直接釋放應(yīng)

5、力的方式使其恢復(fù)到變形前的原始形狀,此種特殊的現(xiàn)象又稱為擬彈性(Pseudo Elasticity,簡稱PE或超彈性(Super Elasticity。這兩種形狀記憶合金所擁有的獨(dú)特性質(zhì)在普通金屬或合金材料上是無法發(fā)現(xiàn)的。形狀記憶合金的特點(diǎn)主要有:形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect,縮寫為SME相變超性性能(Super Elasticity,彈性模量隨溫度變化特性和阻尼特性。其中起驅(qū)動作用的主要是形狀記憶效應(yīng)和彈性模量隨溫度變化特性。形狀記憶效應(yīng)是指SMA具有的記憶并回復(fù)至它在奧氏體狀態(tài)下的形狀的能力。如果在低溫馬氏體狀態(tài)下拉伸SMA并留下較大的塑性變形,那么將SMA加熱至一

6、定溫度后,馬氏體就會轉(zhuǎn)為奧氏體,SMA將回復(fù)到它剛剛開始時的形狀,隨后再進(jìn)行冷卻或加熱,合金形狀都將保持不變。上述過程可以周而復(fù)始,稱為單程形狀記憶。此外還有雙群形狀記憶合金和全方位記憶合金。這種回復(fù)應(yīng)力可用作結(jié)構(gòu)控制時的驅(qū)動力,也可以用來直接控制結(jié)構(gòu)的剛度。彈性模量隨溫度變化特性是指,奧氏體SMA在高溫下它的彈性模量是低溫下馬氏體SMA 的彈性模量的3倍以上。這種特性主要可以用米改變的固有頻率,從而避免共振。形狀記憶合金的記憶效應(yīng)可以分為下列三種:(1單程記憶效應(yīng)(1-way: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,這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。(2

7、雙程記憶效應(yīng)(2-way:某些合金加熱時恢復(fù)高溫相形狀,冷卻時又能恢復(fù)低溫相形狀,稱為雙程記憶效應(yīng)。(3全程記憶效應(yīng):加熱時恢復(fù)高溫相形狀,冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?稱為全程記憶效應(yīng)。二、日常分類最先在合金相變過程中觀察到形狀記憶效應(yīng)的是Chang 和Read ,他們通過對AuCd的相變可逆性研究發(fā)現(xiàn)相變過程中發(fā)生了電阻率的變化。1958 年,在銅(CuZn 中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。直到1962 年, 當(dāng)Buehlerh和其同事們在等原子的Ni2Ti 合金中發(fā)現(xiàn)了SME 后,對SMA 冶金學(xué)和應(yīng)用的研究才蔚然興起。隨后的十年中,市場上出現(xiàn)了大量的利用SMA 制造的產(chǎn)品。經(jīng)過廣泛研

8、究,到目前為止,具有SME 的合金可歸納為以下幾類:1 Ni2Ti 系,包括等原子Ni-Ti , Ti-Ni-X(X = Fe ,Al ,Co ;2 銅系, 包括Cu-Zn 系, 如Cu-Zn , Cu-Zn-X(X = Si ,Al , Sn ; Cu-Al 系, 如Cu-Al2 , Cu2Al2Ni ;3 其他有色金屬系, 如Co-Ni , Ti-Nb ,Au-Cu-Zn ,Au-Cd ,Ag-Cd , In-Ti 等;4 鐵基合金,如Fe-Pt ,Fe-Ni-Co ,Fe-Mn-Si ,Fe-Ni-Co-Ti ,Fe-Mn-C 及不銹鋼等。雖然目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的形狀記憶合金有30 余種。但正

9、式作為商品生產(chǎn)的只有Ni 系和Cu 基兩大類。一般來說,Ni2Ti 合金反復(fù)使用的穩(wěn)定性、耐蝕性、對生物體的適應(yīng)性(界面相互作用 、以及超彈性和制備加工性等都比Cu 基合金優(yōu)越,但成本較高。Cu 基合金盡管在這些方面略微遜色,但價格便宜,在反復(fù)使用頻率不太高、條件不太苛刻情況下,應(yīng)用前景非常廣泛。三、生活應(yīng)用迄今為止,形狀記憶合金在空間技術(shù)、醫(yī)療器械、機(jī)械器具、電子設(shè)備、能源開發(fā)、汽車工業(yè)及日常生活各方面都得到了廣泛的應(yīng)用,總的來說,按使用特性的不同,可歸納為下面幾類:(1自由回復(fù):SMA在馬氏體相時產(chǎn)生塑性形變,溫度升高自由回復(fù)到記憶的形狀。自由回復(fù)的典型例子是人造衛(wèi)星的天線和血栓過濾器。美

10、國航空航天局(NASA 將Ti2Ni 合金板或棒卷成竹筍狀或旋渦狀發(fā)條,收縮后安裝在衛(wèi)星內(nèi)。發(fā)射衛(wèi)星并進(jìn)入軌道后,利用加熱器或太陽能加熱天線,使之向宇宙空間撐開。血栓過濾器把Ni2Ti 合金記憶成網(wǎng)狀,低溫下拉直,通過導(dǎo)管插入靜脈腔,經(jīng)體溫加熱后,形狀變?yōu)榫W(wǎng)狀,可以阻止凝血塊流動。有人設(shè)想,利用形狀記憶合金制作宇宙空間站的可展機(jī)構(gòu),即以小體積發(fā)射,于空間展開成所需的形狀,這是很有吸引力的機(jī)構(gòu)。(2強(qiáng)制回復(fù):強(qiáng)制回復(fù)最成功的例子是SMA管接頭。事先把內(nèi)徑加工成比被接管外徑小4 % ,當(dāng)進(jìn)行連接操作時,首先把管接頭浸泡在液態(tài)空氣中,在低溫保溫狀態(tài)下擴(kuò)徑后,把被接管從兩端插入,升高溫度,內(nèi)徑回復(fù)到擴(kuò)

11、徑前的狀態(tài),把被接管牢牢箍緊。利用SMA 制作的腦動脈瘤夾可夾住動脈瘤根部,防止血液流入,使動脈瘤缺血壞死。本田等人用厚度為015mm 的Ti2Ni 板制作的Ag2TiNi 復(fù)合夾滿足小而輕、裝卸簡便等要求,效果良好。此外,類似的用途還有電源連接器、自緊固螺釘、自緊固夾板、固定銷、密封墊圈、接骨板和脊柱側(cè)彎嬌形哈倫頓棒等。(3 動力裝置:有些應(yīng)用領(lǐng)域,要求形狀記憶元件在多次循環(huán)往復(fù)運(yùn)動中對外產(chǎn)生力的作用。溫度繼電器和溫度保持器、自動干燥箱、電子灶、熱機(jī)、衛(wèi)星儀器艙窗門自動啟閉、自動火警警報器、熱敏閥門、液氨泄漏探測器、煤氣安全閥、通風(fēng)管道緊急啟動閘門、自動收進(jìn)煙頭的煙灰盒及人工心臟等都屬于這種

12、應(yīng)用類型。1997 年美國航空航天局(NASA 的科學(xué)家利用長3cm ,直徑0115mm(01006 的Ni-Ti SMA 驅(qū)動火星探測器上的太陽能電池?fù)醢?加熱SMA ,使其收縮,通過傳動裝置,打開太陽能電池上的玻璃擋板,電池充電。充電結(jié)束后,偏置彈簧重新使擋板復(fù)位。擋板的有效開合可起到防塵的目的。(4 精密控制:因?yàn)镾MA 的相變發(fā)生在一定溫度范圍而不是某一固定溫度點(diǎn),我們往往只利用一部分形狀回復(fù),使機(jī)械裝置定位于指定的位姿。微型機(jī)器人、昆蟲型生物機(jī)械、機(jī)器人手抓及微型調(diào)節(jié)器、筆尖記錄器及醫(yī)用內(nèi)窺鏡都屬于這一類。形狀記憶合金用作機(jī)器智能人的執(zhí)行器,集傳感、控制、換能、制動于一身,具有仿真性

13、好、控制靈活、動作柔順、無振動噪聲、易于結(jié)構(gòu)微型集成化等優(yōu)點(diǎn)。日本的日立公司已研制出具有13個自由度的能揀取雞蛋的機(jī)器人。俄羅斯St1Petersburg 機(jī)器人及控制技術(shù)學(xué)院在Cu-Al-Ni 基合金材料的研究基礎(chǔ)上,研制出了擬人機(jī)械手(115m 長 ,其手爪能移動200kg的物體。該研究小組還給出了手爪的精確控制系統(tǒng)。醫(yī)學(xué)上用到的具有多自由度能彎曲轉(zhuǎn)入腸道內(nèi)診斷疾病,進(jìn)行手術(shù)的機(jī)器人也屬于這一類型(圖3 ?，F(xiàn)有的大腸鏡的直徑為1020mm ,這種內(nèi)窺鏡的直徑為13mm ,因此它特別適用于作大腸鏡。診斷過程中,醫(yī)生一邊看纖維鏡中的圖象,一邊移動操縱桿給出前端的第1 ,2 節(jié)彎曲角指令和內(nèi)窺鏡

14、前進(jìn)、后退指令,通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行柔性控制, 使內(nèi)窺鏡能夠平滑地沿著通路前進(jìn)或后退,大大減小了患者的痛苦,也增加了診斷的準(zhǔn)確性。隨著目前超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展,可進(jìn)一步制成微米級甚至更小的超微仿生物。四、結(jié)束語形狀記憶材料的開發(fā)研究已有多年,從最初的合金已擴(kuò)展到陶瓷和高分子材料,并且各種先進(jìn)的生產(chǎn)工藝技術(shù)已被應(yīng)用到形狀記憶材料的研究、開發(fā)和應(yīng)用中隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高,形狀記憶合金材料的應(yīng)用將會更加廣泛。五、參考文獻(xiàn)1吳德隆、閻紹澤、黃鐵球、張永.空間大型伸展機(jī)構(gòu)動力學(xué).陳演主編,動力學(xué)、振動與控制的研究長沙:湖南大學(xué)出版社,1998. 239-2452閻紹澤、吳德隆、黃鐵球、張永.航天壓電陶瓷微位移作動器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究.導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù),1998(6:25-313 Thrasher M A,Shahin A R,et al. Proceedings of 1th“EuropeanConf.On Smart Structures and Materials,l 992,1974 Bhattacharyya A , et al. Smart Mater Struc,1995,4:2525Qidwai M A, Lagoudas D C. International Journal of Plasticity, 2000, 16