高中化學(xué) 記憶合金課件 新人教版選修2

1、化學(xué)與材料形狀記憶合金形狀記憶合金形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代初，美國馬里蘭州海軍年代初，美國馬里蘭州海軍軍械研究所的科學(xué)家比勒，用鎳鈦合金絲軍械研究所的科學(xué)家比勒，用鎳鈦合金絲做試驗(yàn)。這些合金絲彎彎曲曲，為了使用做試驗(yàn)。這些合金絲彎彎曲曲，為了使用方便，他把這些合金絲弄直了。但是，當(dāng)方便，他把這些合金絲弄直了。但是，當(dāng)他無意中把合金絲靠近火的時候，奇跡發(fā)他無意中把合金絲靠近火的時候，奇跡發(fā)生了：已經(jīng)弄直的合金絲居然完全恢復(fù)了生了：已經(jīng)弄直的合金絲居然完全恢復(fù)了它們原來彎彎曲曲的形狀。它們原來彎彎曲曲的形狀。 形狀記憶合金的特點(diǎn) 形狀記憶合金材料是一形狀記憶合金材料是一種新型

2、的功能材料，其種新型的功能材料，其特點(diǎn)是在一定的外力作特點(diǎn)是在一定的外力作用下可以改變其形態(tài)用下可以改變其形態(tài)(形狀和體積形狀和體積)，但當(dāng)溫，但當(dāng)溫度升高到某一定值時，度升高到某一定值時，它又可完全恢復(fù)原來的它又可完全恢復(fù)原來的形態(tài)。形態(tài)。 通過形狀記憶合金模仿肌肉的收縮來實(shí)現(xiàn)人工肌肉的功能。用背部的金屬纖維振動翅膀形狀記憶合金的用途（一）在航空上的應(yīng)用月球上的“奇葩”在室溫下用形狀記憶合金制在室溫下用形狀記憶合金制成拋物面天線，然后把它揉成拋物面天線，然后把它揉成直徑成直徑5厘米以下的小團(tuán)，放厘米以下的小團(tuán)，放入阿波羅入阿波羅11號的艙內(nèi)，在月號的艙內(nèi)，在月面上經(jīng)太陽光的照射加熱使面上經(jīng)太

3、陽光的照射加熱使它恢復(fù)到原來的拋物面形狀。它恢復(fù)到原來的拋物面形狀。這樣就能用空間有限的火箭這樣就能用空間有限的火箭艙運(yùn)送體積龐大的天線了。艙運(yùn)送體積龐大的天線了。 形狀記憶合金的用途（二） 在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 合金作為驅(qū)動元件，具有可動的肩、肘、腕及合金作為驅(qū)動元件，具有可動的肩、肘、腕及手指的微型機(jī)械手。手指和手腕靠手指的微型機(jī)械手。手指和手腕靠TiNiTiNi合金螺合金螺旋彈簧的伸縮實(shí)現(xiàn)開閉和彎曲動作，肘和肩是旋彈簧的伸縮實(shí)現(xiàn)開閉和彎曲動作，肘和肩是靠直線狀的靠直線狀的TiNiTiNi合金絲的伸縮做彎曲動作，各合金絲的伸縮做彎曲動作，各個形狀記憶合金驅(qū)動元件都由直接通上的脈寬個

4、形狀記憶合金驅(qū)動元件都由直接通上的脈寬可調(diào)電流加以控制?？烧{(diào)電流加以控制。 形狀記憶合金的用途歸納 (1)汽車：后霧燈罩、手動變速箱的防噪音裝置、燃料蒸發(fā)氣體排出控制閥；(2)電子設(shè)備：電子爐灶換氣門的開閉器、空調(diào)風(fēng)向自動調(diào)節(jié)器、咖啡牛奶沸騰感知器、電飯鍋壓力調(diào)節(jié)器、電磁調(diào)理器過熱感知器、溫泉浴池調(diào)理器等；(3)安全器具：過熱報(bào)警器、火災(zāi)報(bào)警器、煙灰缸滅火栓等；(4)醫(yī)療方面：人工牙根、牙齒矯正絲、導(dǎo)線等；(5)生活用品：自動干燥庫門開閉器、衛(wèi)生間洗滌器水管轉(zhuǎn)換開關(guān)、空調(diào)進(jìn)出口風(fēng)向調(diào)節(jié)器、浴池保溫器、玩具、路標(biāo)方向指示轉(zhuǎn)換器、家庭換氣門開閉器、防火擋板、凈水器熱水防止閥、恒溫箱混合水栓溫度調(diào)節(jié)

5、閥、眼鏡固定件、眼鏡框架、胸罩絲、釣魚線、便攜電話天線、裝飾品等。 形狀記憶合金的分類（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，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)。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）雙程記憶效應(yīng)）雙程記憶效應(yīng)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，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)。稱為雙程記憶效應(yīng)。（3）全程記憶效應(yīng)）全程記憶效應(yīng)加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗉訜釙r恢

6、復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?，稱為全程記憶同而取向相反的低溫相形狀，稱為全程記憶效應(yīng)。效應(yīng)。 形狀記憶合金的原料 真正實(shí)際中使用的形狀記憶合金主要是真正實(shí)際中使用的形狀記憶合金主要是 TiNi合金和合金和CuALBe合金，以及在這兩種合合金，以及在這兩種合金中添加微量元素所組成的合金，因而形金中添加微量元素所組成的合金，因而形狀記憶合金的主要材料是鎳、鈦、銅、鈹狀記憶合金的主要材料是鎳、鈦、銅、鈹青銅等，其產(chǎn)地分別是我國西部地區(qū)的金青銅等，其產(chǎn)地分別是我國西部地區(qū)的金昌、遵義、白銀、石嘴山等。昌、遵義、白銀、石嘴山等。 合金具有“記憶”的原因 據(jù)科學(xué)家推測，金屬的結(jié)晶

7、狀態(tài)，在被加熱時和冷卻時是不同的，雖然外表沒有變化，然而在一定溫度下，金屬原子的排列方式會發(fā)生突變，這稱為相變。能引起記憶合金形狀改變的條件是溫度。分析表明，這類合金存在著一對可逆轉(zhuǎn)變的晶體結(jié)構(gòu)。如含有Ti和Ni各為50的記憶合金，有兩種晶體結(jié)構(gòu)，一種是菱形的，另一種是立方體的，這兩種晶體結(jié)構(gòu)相互轉(zhuǎn)變的溫度是一定的。高于這一溫度，它會由菱形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎襟w結(jié)構(gòu)；低于這一溫度，又由立方體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱庑谓Y(jié)構(gòu)。晶體結(jié)構(gòu)類型改變了，它的形狀也就隨之改變。 形狀記憶效應(yīng)與形狀記憶合金 一般金屬材料受到外力作用后，首先發(fā)生一般金屬材料受到外力作用后，首先發(fā)生彈性變形，達(dá)到屈服點(diǎn)，就產(chǎn)生塑性變形，彈性變形，

8、達(dá)到屈服點(diǎn)，就產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力消除后留下永久變形。但有些材料，應(yīng)力消除后留下永久變形。但有些材料，在發(fā)生了塑性變形后，經(jīng)過合適的熱過程，在發(fā)生了塑性變形后，經(jīng)過合適的熱過程，能夠回復(fù)到變形前的形狀，這種現(xiàn)象叫做能夠回復(fù)到變形前的形狀，這種現(xiàn)象叫做形狀記憶效應(yīng)（形狀記憶效應(yīng)（SME）。）。 具有形狀記憶效應(yīng)的金屬一般是兩種以上具有形狀記憶效應(yīng)的金屬一般是兩種以上金屬元素組成的合金，稱為形狀記憶合金金屬元素組成的合金，稱為形狀記憶合金（SMA） 鐵素體、奧氏體、馬氏體 組成鐵碳合金的鐵具有兩種晶格結(jié)構(gòu)：組成鐵碳合金的鐵具有兩種晶格結(jié)構(gòu)：910910以下為具有以下為具有體心立方晶格結(jié)構(gòu)的體心立方晶

9、格結(jié)構(gòu)的鐵，鐵，910910以上為具有面心立以上為具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)的方晶格結(jié)構(gòu)的鐵。如果碳原子擠到鐵的晶格中去，鐵。如果碳原子擠到鐵的晶格中去，而又不破壞鐵所具有的晶格結(jié)構(gòu)，這樣的物質(zhì)稱為固溶體。而又不破壞鐵所具有的晶格結(jié)構(gòu)，這樣的物質(zhì)稱為固溶體。碳溶解到碳溶解到鐵中形成的固溶體稱鐵素體。而碳溶解到鐵中形成的固溶體稱鐵素體。而碳溶解到鐵中形成的固溶體則稱奧氏體。奧氏體是鐵碳合金鐵中形成的固溶體則稱奧氏體。奧氏體是鐵碳合金的高溫相。的高溫相。 鋼在高溫時所形成的奧氏體，過冷到鋼在高溫時所形成的奧氏體，過冷到727727以下時變成以下時變成不穩(wěn)定的過冷奧氏體。如以極大的冷卻速度過冷到不穩(wěn)定的過冷奧氏體。如以極大的冷卻速度過冷到230230以下，這時奧氏體中的碳原子已無擴(kuò)