形狀記憶合金講演

1、在此輸入文字標(biāo)題在此輸入文字標(biāo)題形狀記憶合金形狀記憶合金成員：袁興武，李菠，陸凱華，紀(jì)良 主要內(nèi)容主要內(nèi)容背景及原理分類特性及優(yōu)缺點(diǎn)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀應(yīng)用與展望背景及原理背景及原理 形狀記憶合金（形狀記憶合金（Shape Memory Alloys,Shape Memory Alloys,），簡(jiǎn)稱），簡(jiǎn)稱SMASMA，是一種在加熱升溫后能完全消除其在較低的溫度下發(fā)生的變是一種在加熱升溫后能完全消除其在較低的溫度下發(fā)生的變形，恢復(fù)其變形前原始形狀的合金材料。形，恢復(fù)其變形前原始形狀的合金材料。 背景及原理背景及原理19321932年年 瑞典人歐勒特在觀察某種金鎘合金的性能時(shí)首次發(fā)瑞典人歐勒特在觀察某

2、種金鎘合金的性能時(shí)首次發(fā) 現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)?，F(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。19381938年年 哈佛大學(xué)的研究人員在一種銅鋅合金中發(fā)現(xiàn)了一種哈佛大學(xué)的研究人員在一種銅鋅合金中發(fā)現(xiàn)了一種隨溫度的升高和降低而逐漸增大或縮小的形狀變化。但當(dāng)隨溫度的升高和降低而逐漸增大或縮小的形狀變化。但當(dāng)時(shí)并未引起人們的重視。時(shí)并未引起人們的重視。19621962年年 美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室在開發(fā)新型艦船材料時(shí)，在美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室在開發(fā)新型艦船材料時(shí)，在Ti-NiTi-Ni合合金中發(fā)現(xiàn)把直條形的材料加工成彎曲形狀，經(jīng)加熱后它的金中發(fā)現(xiàn)把直條形的材料加工成彎曲形狀，經(jīng)加熱后它的形狀又恢復(fù)到原來(lái)的直條形。形狀又恢復(fù)到原來(lái)的直條形。背景及原理背景

3、及原理工作原理：將形狀記憶合工作原理：將形狀記憶合金加熱至某一臨界溫度金加熱至某一臨界溫度（晶型轉(zhuǎn)變溫度）以上進(jìn)（晶型轉(zhuǎn)變溫度）以上進(jìn)行形狀記憶熱處理，急冷行形狀記憶熱處理，急冷后形成低溫馬氏體相，然后形成低溫馬氏體相，然后施加一定程度的形變，后施加一定程度的形變，再被加熱到臨界溫度以上，再被加熱到臨界溫度以上，使晶相反轉(zhuǎn)變，由低溫馬使晶相反轉(zhuǎn)變，由低溫馬氏體相逆變?yōu)楦邷貖W氏體氏體相逆變?yōu)楦邷貖W氏體相（母相）而恢復(fù)到形變相（母相）而恢復(fù)到形變前的固有形狀，或者在隨前的固有形狀，或者在隨后的冷卻中，通過(guò)內(nèi)部彈后的冷卻中，通過(guò)內(nèi)部彈性能釋放而返回到馬氏體性能釋放而返回到馬氏體相。相。 背景及原理背

4、景及原理熱彈性馬氏體：熱彈性馬氏體： 非熱彈性馬氏體非熱彈性馬氏體(以以Fe-Mn-Si為例為例)奧氏體奧氏體相（母相（母相）相）馬氏體相馬氏體相降溫，施加外應(yīng)力降溫，施加外應(yīng)力升溫到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度以上升溫到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度以上奧氏體奧氏體相（母相（母相）相）路片狀馬氏體路片狀馬氏體降溫，施加外應(yīng)力降溫，施加外應(yīng)力升溫到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度以上升溫到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度以上背景及原理背景及原理分類分類按加熱變形特征可分為三類按加熱變形特征可分為三類 單程記憶效應(yīng)：在馬氏體狀態(tài)下受力變形，加熱時(shí)恢復(fù)高單程記憶效應(yīng)：在馬氏體狀態(tài)下受力變形，加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)不恢復(fù)低溫相形狀。溫相形狀，冷卻時(shí)不恢復(fù)低溫

5、相形狀。 雙程記憶效應(yīng)：加熱時(shí)恢復(fù)高溫形狀，冷卻時(shí)恢復(fù)低溫形雙程記憶效應(yīng)：加熱時(shí)恢復(fù)高溫形狀，冷卻時(shí)恢復(fù)低溫形狀，即通過(guò)溫度升降自發(fā)地可逆地反復(fù)恢復(fù)高低溫的形狀。狀，即通過(guò)溫度升降自發(fā)地可逆地反復(fù)恢復(fù)高低溫的形狀。 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)樾螤钊逃洃浶?yīng)：加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹母邷叵嘈螤?。這是一種特殊的雙程記憶效相同而取向相反的高溫相形狀。這是一種特殊的雙程記憶效應(yīng)。應(yīng)。分類分類變形的三種形式變形的三種形式 分類分類按成分可分為三類按成分可分為三類 鐵基形狀記憶合金鐵基形狀記憶合金 銅基形狀記憶合金銅基形狀記憶合金 鈦鎳基形狀記憶合金鈦鎳基

6、形狀記憶合金分類分類按驅(qū)動(dòng)方式可分為兩類按驅(qū)動(dòng)方式可分為兩類 溫度變化驅(qū)動(dòng)：傳統(tǒng)非磁性形狀記憶合金。溫度變化驅(qū)動(dòng)：傳統(tǒng)非磁性形狀記憶合金。 電磁驅(qū)動(dòng)：磁性記憶合金（利用磁場(chǎng)對(duì)合金中不利取向馬電磁驅(qū)動(dòng)：磁性記憶合金（利用磁場(chǎng)對(duì)合金中不利取向馬 氏體變體的氏體變體的ZeemanZeeman靜磁力，促使有利取向的馬氏體變體長(zhǎng)大靜磁力，促使有利取向的馬氏體變體長(zhǎng)大并吞并不利取向的變體，從而產(chǎn)生宏觀變形，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度減并吞并不利取向的變體，從而產(chǎn)生宏觀變形，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度減小或撤去時(shí)又回到初始位置。小或撤去時(shí)又回到初始位置。 ）。）。特性及優(yōu)缺點(diǎn)特性及優(yōu)缺點(diǎn)集傳感、驅(qū)動(dòng)、控制、換能于一身集傳感、驅(qū)動(dòng)、控制、換

7、能于一身機(jī)械性質(zhì)優(yōu)良，能恢復(fù)的形變可高達(dá)機(jī)械性質(zhì)優(yōu)良，能恢復(fù)的形變可高達(dá)1010，而一般金屬材料，而一般金屬材料只有只有0.10.1以下（超以下（超/ /偽彈性）偽彈性）有確定的轉(zhuǎn)變溫度有確定的轉(zhuǎn)變溫度 （例（例Ti-Ni 50Ti-Ni 50。C C）在加熱時(shí)產(chǎn)生的回復(fù)應(yīng)力非常大，可達(dá)在加熱時(shí)產(chǎn)生的回復(fù)應(yīng)力非常大，可達(dá)500MPa500MPa不受溫度以外的其他因素影響無(wú)振動(dòng)噪聲，無(wú)污染不受溫度以外的其他因素影響無(wú)振動(dòng)噪聲，無(wú)污染抗疲勞抗疲勞 回憶變形回憶變形500500萬(wàn)次不疲勞變形萬(wàn)次不疲勞變形逆形狀記憶特性逆形狀記憶特性特性及優(yōu)缺點(diǎn)特性及優(yōu)缺點(diǎn)鈦鎳基鈦鎳基銅基銅基鐵基鐵基優(yōu)點(diǎn)鈦鎳基形狀記

8、憶合金的伸縮率在20%以上，疲勞壽命達(dá)10的7次方。超強(qiáng)的耐腐蝕性，好于目前最好的醫(yī)用不銹鋼。優(yōu)秀的功能材料，除具有都有形狀記憶功能外，還具有耐磨損，超彈性，高阻尼。延展性、形狀記憶強(qiáng)度、應(yīng)變、電阻及穩(wěn)定性均較好 具有形狀記憶、超彈性、高阻尼、和良好的導(dǎo)電性四大功能。生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，性能優(yōu)良。其記憶性能僅次于Ni-Ti系合金，相變點(diǎn)可在100到300攝氏度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。銅系形狀記憶合金比鎳鈦記憶合金更便宜且容易加工成型，因此頗具發(fā)展?jié)摿?。?qiáng)度高。易于加工成型。鐵系形狀記憶合金成本低廉，原料豐富。安全可靠，是很有發(fā)展前途的功能材料 。缺點(diǎn)加工性能差，高成本銅系形狀記憶合金的強(qiáng)度不如鎳鈦記憶

9、合金，反復(fù)受熱的形狀記憶能力也衰減較快,不具生物相容性部分鐵基材料耐腐蝕性差，形狀記憶特性不如鎳鈦基SMA的強(qiáng)度不高，且制造過(guò)程中溫度不能太高，否則會(huì)影響其記憶性，同時(shí)形狀記憶合金的響應(yīng)特性較慢，不適用于實(shí)時(shí)控制國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)：國(guó)內(nèi)： 我國(guó)從上世紀(jì)七十年代末才開始形狀記憶合金的研究工我國(guó)從上世紀(jì)七十年代末才開始形狀記憶合金的研究工作。由于研究條件的限制，在形狀記憶合金基礎(chǔ)理論和材料作。由于研究條件的限制，在形狀記憶合金基礎(chǔ)理論和材料科學(xué)方面的研究我國(guó)與國(guó)際先進(jìn)水平尚有一定的差距，尤其科學(xué)方面的研究我國(guó)與國(guó)際先進(jìn)水平尚有一定的差距，尤其是在形狀記憶合金產(chǎn)業(yè)化和工程應(yīng)用方面與國(guó)外

10、差距較大。是在形狀記憶合金產(chǎn)業(yè)化和工程應(yīng)用方面與國(guó)外差距較大。但具有較好研究基礎(chǔ)的有北京有色金屬研究總院、哈爾濱工但具有較好研究基礎(chǔ)的有北京有色金屬研究總院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院沈陽(yáng)金屬所、西北有色金屬研究院、北京航業(yè)大學(xué)、中科院沈陽(yáng)金屬所、西北有色金屬研究院、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)等?？蘸教齑髮W(xué)、上海交通大學(xué)等。 目前我國(guó)從事形狀記憶合金材料及制品生產(chǎn)的企業(yè)有數(shù)十目前我國(guó)從事形狀記憶合金材料及制品生產(chǎn)的企業(yè)有數(shù)十家。相對(duì)實(shí)力較強(qiáng)的是有研億金、蘭州西脈、西安賽特和江家。相對(duì)實(shí)力較強(qiáng)的是有研億金、蘭州西脈、西安賽特和江陰法爾勝佩爾等陰法爾勝佩爾等 我國(guó)的整個(gè)形狀記憶合金研究主要有以下幾

11、個(gè)方面：我國(guó)的整個(gè)形狀記憶合金研究主要有以下幾個(gè)方面：1 1 形狀記憶合金相變理論形狀記憶合金相變理論2 2 新材料開發(fā)新材料開發(fā)3 3 工程實(shí)際應(yīng)用工程實(shí)際應(yīng)用國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)外：國(guó)外：生產(chǎn)工藝、加工設(shè)備、關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量等方面優(yōu)勢(shì)較大生產(chǎn)工藝、加工設(shè)備、關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量等方面優(yōu)勢(shì)較大如美國(guó)如美國(guó)WahWah-Chang-Chang公司，單個(gè)鑄錠重量已經(jīng)達(dá)到公司，單個(gè)鑄錠重量已經(jīng)達(dá)到3300kg3300kg左右。左右。而我國(guó)一般在而我國(guó)一般在50kg50kg以下。我國(guó)在記憶合金薄壁管材的生產(chǎn)技以下。我國(guó)在記憶合金薄壁管材的生產(chǎn)技術(shù)等方面還不成熟，而國(guó)外的毛細(xì)管外徑最小可到術(shù)

12、等方面還不成熟，而國(guó)外的毛細(xì)管外徑最小可到0.008m0.008m，厚度可薄至，厚度可薄至0.002m0.002m。應(yīng)用與發(fā)展應(yīng)用與發(fā)展形狀記憶合金應(yīng)用十分廣泛，涉及到航形狀記憶合金應(yīng)用十分廣泛，涉及到航空航天，機(jī)械電子，醫(yī)療及生活用品多空航天，機(jī)械電子，醫(yī)療及生活用品多個(gè)領(lǐng)域。個(gè)領(lǐng)域。 航空航天中的應(yīng)用航空航天中的應(yīng)用形狀記憶合金已應(yīng)用到航空和太空裝置。形狀記憶合金已應(yīng)用到航空和太空裝置。如用在軍用飛機(jī)的液壓系統(tǒng)中的低溫配如用在軍用飛機(jī)的液壓系統(tǒng)中的低溫配合連接件，歐洲和美國(guó)正在研制用于直合連接件，歐洲和美國(guó)正在研制用于直升機(jī)的智能水平旋翼中的形狀記憶合金升機(jī)的智能水平旋翼中的形狀記憶合金材

13、料。還可用于制造探索宇宙奧秘的月材料。還可用于制造探索宇宙奧秘的月球天線，人們利用形狀記憶合金在高溫球天線，人們利用形狀記憶合金在高溫環(huán)境下制做好天線，再在低溫下把它壓環(huán)境下制做好天線，再在低溫下把它壓縮成一個(gè)小鐵球，使它的體積縮小到原縮成一個(gè)小鐵球，使它的體積縮小到原來(lái)的千分之一，這樣很容易運(yùn)上月球，來(lái)的千分之一，這樣很容易運(yùn)上月球，太陽(yáng)的強(qiáng)烈的輻射使它恢復(fù)原來(lái)的形太陽(yáng)的強(qiáng)烈的輻射使它恢復(fù)原來(lái)的形狀。狀。應(yīng)用與發(fā)展應(yīng)用與發(fā)展機(jī)械電子方面應(yīng)用機(jī)械電子方面應(yīng)用 工業(yè)機(jī)器人夾持器工業(yè)機(jī)器人夾持器利用形狀記憶合金的單程記利用形狀記憶合金的單程記憶效應(yīng)，考慮到返程的動(dòng)作。憶效應(yīng)，考慮到返程的動(dòng)作。所以

14、要那個(gè)兩片形狀記憶驅(qū)所以要那個(gè)兩片形狀記憶驅(qū)動(dòng)元件構(gòu)成差動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)完成動(dòng)元件構(gòu)成差動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)完成反復(fù)動(dòng)作。當(dāng)反復(fù)動(dòng)作。當(dāng)SMA1SMA1彈簧通電彈簧通電加熱而產(chǎn)生收縮變形時(shí)，便加熱而產(chǎn)生收縮變形時(shí)，便帶動(dòng)擺桿向內(nèi)擺動(dòng)，加緊工帶動(dòng)擺桿向內(nèi)擺動(dòng)，加緊工件。若件。若SMA1SMA1斷電，通電加熱斷電，通電加熱SMA2SMA2彈簧，則后者伸長(zhǎng)變形彈簧，則后者伸長(zhǎng)變形而推開擺桿放松工件。而推開擺桿放松工件。應(yīng)用與發(fā)展應(yīng)用與發(fā)展機(jī)械電子方面應(yīng)用機(jī)械電子方面應(yīng)用 緊固鉚釘緊固鉚釘如圖，鉚釘尾部記憶成型為開口狀，緊固前，將鉚釘在干冰如圖，鉚釘尾部記憶成型為開口狀，緊固前，將鉚釘在干冰中冷卻后把尾部拉直，插入被緊固

15、的孔中，溫度上升產(chǎn)生形中冷卻后把尾部拉直，插入被緊固的孔中，溫度上升產(chǎn)生形狀恢復(fù)，鉚釘尾部岔開，即可實(shí)現(xiàn)緊固狀恢復(fù)，鉚釘尾部岔開，即可實(shí)現(xiàn)緊固。應(yīng)用與發(fā)展應(yīng)用與發(fā)展機(jī)械電子方面應(yīng)用機(jī)械電子方面應(yīng)用 低溫接頭低溫接頭本圖為本圖為Ti-Ni合金在電路連接器方面的應(yīng)用示例。由于低溫時(shí)合金在電路連接器方面的應(yīng)用示例。由于低溫時(shí)馬氏休相非常軟，在插座彈簧力的作用下，使馬氏休相非常軟，在插座彈簧力的作用下，使Ti-Ni合金的環(huán)合金的環(huán)張開，插頭容易插入。但在高溫下將恢復(fù)原來(lái)形狀且不會(huì)脫張開，插頭容易插入。但在高溫下將恢復(fù)原來(lái)形狀且不會(huì)脫開，此時(shí)緊固力很大，不會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，可保讓接觸可靠，在開，此時(shí)緊固力很大

16、，不會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，可保讓接觸可靠，在大電流和振動(dòng)情況下可放心使用，適用于制造潛艇、火箭、大電流和振動(dòng)情況下可放心使用，適用于制造潛艇、火箭、飛機(jī)等電路的連接部分。類似的應(yīng)用還可蝴作管子接頭。飛機(jī)等電路的連接部分。類似的應(yīng)用還可蝴作管子接頭。應(yīng)用與發(fā)展應(yīng)用與發(fā)展生物醫(yī)療方面應(yīng)用生物醫(yī)療方面應(yīng)用用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的 TiNi 形形狀記憶合金，除了利用狀記憶合金，除了利用其形狀記憶效應(yīng)或超彈其形狀記憶效應(yīng)或超彈性外，還應(yīng)滿足化學(xué)和性外，還應(yīng)滿足化學(xué)和生物學(xué)等方面的要求，生物學(xué)等方面的要求，即良好的生物相容性。即良好的生物相容性。TiNi 可與生物體形成穩(wěn)可與生物體形成穩(wěn)定的鈍化膜。在醫(yī)學(xué)上定的

17、鈍化膜。在醫(yī)學(xué)上 TiNi 合金主要應(yīng)用合金主要應(yīng)用于于牙牙齒矯形、脊柱側(cè)彎矯形齒矯形、脊柱側(cè)彎矯形應(yīng)用與發(fā)展應(yīng)用與發(fā)展生物醫(yī)療方面應(yīng)用生物醫(yī)療方面應(yīng)用 記憶食道支架記憶食道支架記憶食道架能在喉部膨脹成新的食道。必要時(shí)只要向食道里加上記憶食道架能在喉部膨脹成新的食道。必要時(shí)只要向食道里加上冰塊，冰塊，“食道食道”又會(huì)遇冷收縮，從而可輕易取出，使失去進(jìn)食功又會(huì)遇冷收縮，從而可輕易取出，使失去進(jìn)食功能能的食道癌患者提高了生活質(zhì)量。的食道癌患者提高了生活質(zhì)量。 （a a）預(yù)壓縮）預(yù)壓縮 （b b）受熱擴(kuò)張后）受熱擴(kuò)張后 （c c）植入腔道內(nèi)效果）植入腔道內(nèi)效果應(yīng)用與發(fā)展應(yīng)用與發(fā)展生活方面應(yīng)用生活方面

18、應(yīng)用 記憶眼鏡框記憶眼鏡框利用形狀記憶效應(yīng)可以制成記憶眼鏡框，如果不小心被碰彎曲利用形狀記憶效應(yīng)可以制成記憶眼鏡框，如果不小心被碰彎曲了，只要將其放在熱水中加熱，就可以恢復(fù)原狀。而且這種眼鏡了，只要將其放在熱水中加熱，就可以恢復(fù)原狀。而且這種眼鏡框具有超彈性，使人佩戴后感到非常舒適?？蚓哂谐瑥椥?，使人佩戴后感到非常舒適。應(yīng)用與發(fā)展應(yīng)用與發(fā)展生活方面應(yīng)用生活方面應(yīng)用 溫度敏感開關(guān)溫度敏感開關(guān)如圖所示，把一普通的偏置彈如圖所示，把一普通的偏置彈簧與形狀記憶合金做成的彈簧簧與形狀記憶合金做成的彈簧串聯(lián)起來(lái)，當(dāng)溫度升高到上限串聯(lián)起來(lái)，當(dāng)溫度升高到上限溫度時(shí)，形狀記憶合金收縮，溫度時(shí)，形狀記憶合金收縮，

19、切斷開關(guān)；當(dāng)溫度達(dá)到下限溫切斷開關(guān)；當(dāng)溫度達(dá)到下限溫度時(shí)，偏置彈簧的力超過(guò)了形度時(shí)，偏置彈簧的力超過(guò)了形狀記憶合金彈簧的力，使電路狀記憶合金彈簧的力，使電路接通。它可用作溫室窗戶開閉接通。它可用作溫室窗戶開閉器、室內(nèi)空調(diào)器的閥門、汽車器、室內(nèi)空調(diào)器的閥門、汽車散熱器的風(fēng)扇離合器、防火用散熱器的風(fēng)扇離合器、防火用的滅火器等，很有開發(fā)前景。的滅火器等，很有開發(fā)前景。由于由于SMASMA的各種功的各種功能均依賴于馬氏體能均依賴于馬氏體相變相變, ,需要不斷對(duì)需要不斷對(duì)其加熱、冷卻及加其加熱、冷卻及加載、卸載載、卸載, , 因此因此SMASMA只適用于低頻只適用于低頻(10Hz(10Hz以下以下) )控制中控制中, ,這就大大限制了