第十一章 智能材料與結(jié)構(gòu)

1、1第十一章第十一章 智能材料與結(jié)構(gòu)智能材料與結(jié)構(gòu) 智能材料結(jié)構(gòu)(Smart/Intelligent Materials and Structures)是一門新興起的多學(xué)科交叉的綜合科學(xué)。80年代后期，隨著材料技術(shù)和大規(guī)模集成電路的進(jìn)展，美國軍方提出了智能材料與結(jié)構(gòu)的設(shè)想和概念，并開展了大規(guī)模的研究。智能材料與智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是近年來飛速發(fā)展的一個(gè)領(lǐng)域，這一領(lǐng)域的研究也越來越受到人們的重視。 2 自1998年美國弗吉尼亞大學(xué)召開了關(guān)于“智能材料結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)問題”專題學(xué)術(shù)討論會(huì)以來，智能材料系統(tǒng)的研究成為材料科學(xué)與工程的熱點(diǎn)之一，有人甚至稱21世紀(jì)是智能材料的世紀(jì)，目前美國已有幾十家公司經(jīng)營智能材料結(jié)構(gòu)

2、的產(chǎn)品。人們之所以如此關(guān)注智能材料系統(tǒng)是因?yàn)樗诮ㄖ?、橋梁、水壩、電站、飛行器、空間結(jié)構(gòu)、潛艇等振動(dòng)、噪聲、形狀自適應(yīng)控制、損傷自愈合等方面具有良好的應(yīng)用前景。 3第一節(jié) 智能材料的概念及分類 智能材料結(jié)構(gòu)的誕生有著一定的背景。80年代末期，復(fù)合材料普遍使用，為解決它的強(qiáng)度和剛度變化等問題，使得驅(qū)動(dòng)元件和傳感件較為容易地融合進(jìn)入材料，組成整體，從而具有多種用途，同時(shí)驅(qū)動(dòng)元件和傳感件材料的發(fā)展以及材料集成技術(shù)上的突破，也促進(jìn)了智能材料結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。材料科學(xué)的發(fā)展，使得人們對(duì)機(jī)械、電子、動(dòng)作等材料的多方面性能耦合進(jìn)行研究，微電子技術(shù)、總線技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，解決了信息處理和快速控制等方面的難

3、題，這些都為智能材料結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)提供了有利條件。 41.1智能材料的概念及其特點(diǎn) 智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的有關(guān)名稱定義目前尚不統(tǒng)一，但一般智能材料系統(tǒng)都應(yīng)該具有敏感、處理、執(zhí)行三個(gè)主要部分。一般來說，智能材料是能夠感知環(huán)境變化(傳感或發(fā)現(xiàn)的功能)，通過自我判斷和自我結(jié)構(gòu)(思考和處理的功能)，實(shí)現(xiàn)自我指令和自我執(zhí)行(執(zhí)行功能)的新型材料。 5 該材料具有模仿生物體的自增值性、自修復(fù)性、自診斷性、自學(xué)習(xí)性和環(huán)境適應(yīng)性。將具有仿生命功能的材料融合于基體材料中，使制成的構(gòu)件具有人們期望的智能功能，這種結(jié)構(gòu)稱為智能材料結(jié)構(gòu)。它是一個(gè)類似于人體的神經(jīng)、肌肉、大腦和骨骼組成的系統(tǒng)，而基體材料就相當(dāng)于人體的骨骼。

4、6 而智能材料是能夠感知環(huán)境變化，通過自我判斷和結(jié)論，實(shí)現(xiàn)和執(zhí)行指令的新型材料。智能材料的研究就是將信息與控制融入材料本身的物性和功能之中，其研究成果波及了信息、電子、生命科學(xué)、宇宙、海洋科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域。它的研究開發(fā)孕育著新一代的技術(shù)革命。智能化將成為21世紀(jì)高分子材料的重要發(fā)展方向之一。 7 例如光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金和鎵砷化合物半導(dǎo)體控制電路埋入復(fù)合材料中，光導(dǎo)纖維是傳感元件，能檢測(cè)出結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變和溫度，形狀記憶合金能使結(jié)構(gòu)動(dòng)作，改變性狀，控制電路根據(jù)傳感元件得到的信息驅(qū)動(dòng)元件動(dòng)作。因此融合于材料中的傳感元件相當(dāng)于人體的神經(jīng)系統(tǒng)，具有感官功能，驅(qū)動(dòng)元件相當(dāng)于人體的肌肉，控制系統(tǒng)相當(dāng)于人的大

5、腦。智能材料與普通功能材料的區(qū)別如圖111所示。 81.2 智能材料分類 智能材料的分類方法很多。根據(jù)材料的來源，智能材料包括金屬智能材料無機(jī)非金屬系、智能材料及高分子系智能材料。 9 金屬系智能材料由于其強(qiáng)度比較大耐熱性好且耐腐蝕性能好，常用在航空航天和原子能工業(yè)中作為結(jié)構(gòu)材料。金屬材料在使用過程中會(huì)產(chǎn)生疲勞龜裂及蠕變變形而損傷，所以期盼金屬系智能材料不但可以檢測(cè)自身的損傷，而且可將其抑制，具有自修復(fù)功能，從而確保使用過程中的穩(wěn)定性。目前研究開發(fā)的金屬系智能材料主要有形狀記憶合金和形狀記憶復(fù)合材料兩大類。 10 無機(jī)非金屬系智能材料的初步智能性是考慮局部可吸收外力以防止材料整體變壞。目前此類

6、智能材料在電流變流體、壓電陶瓷光質(zhì)變色和電質(zhì)變色材料等方面發(fā)展較快。 高分子系智能材料的范圍很廣泛。作為智能材料的刺激響應(yīng)性高分子凝膠的研究和開發(fā)非常活躍，其次還有智能高分子膜材、智能高分子粘合劑、智能型藥物釋放體系和智能高分子基復(fù)合材料等。 根據(jù)結(jié)構(gòu)來分，智能材料結(jié)構(gòu)可以分成兩種類型，分述如下： 11（1）嵌入式智能材料 在基本材料中嵌入具有傳感、動(dòng)作和控制處理功能的三種原始材料，傳感元件采集和檢測(cè)外界給予的信息，控制處理器指揮驅(qū)動(dòng)元件執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。 12（2）材料本身具有一定的智能功能 某些材料微結(jié)構(gòu)本身具有智能功能，能夠隨著環(huán)境和時(shí)間改變自己的性能，例如自濾波玻璃和受輻射時(shí)能自衰減的I

7、nP半導(dǎo)體等。13第二節(jié) 智能材料結(jié)構(gòu)的信息處理方法 圖11-2是智能結(jié)構(gòu)的動(dòng)作流程圖。首先識(shí)別外界參數(shù)，通過分析、判斷，然后行動(dòng)。其中行動(dòng)是依靠埋入材料中的驅(qū)動(dòng)元件來實(shí)現(xiàn)，它能夠自適應(yīng)的改變結(jié)構(gòu)形狀、剛度、位置、應(yīng)力狀態(tài)、固有頻率、阻尼摩擦阻力等。 14 對(duì)驅(qū)動(dòng)元件的要求是： （1）驅(qū)動(dòng)元件應(yīng)能和結(jié)構(gòu)基體材料很好結(jié)合，具有高的結(jié)合強(qiáng)度； （2）驅(qū)動(dòng)元件本身的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度要高； （3）激勵(lì)驅(qū)動(dòng)元件動(dòng)作的方法要簡單和安全，對(duì)結(jié)構(gòu)基體材料無影響，激勵(lì)的能量要小； 15 （4）激勵(lì)后的變形量要大，并能伴隨著產(chǎn)生激勵(lì)力，而且能夠控制； （5）驅(qū)動(dòng)元件在反復(fù)激勵(lì)下，保持性能穩(wěn)定； （6）驅(qū)動(dòng)元件的頻

8、率響應(yīng)要寬，響應(yīng)速度快，并能控制。16 正在研究和使用的驅(qū)動(dòng)元件有形狀記憶合金、壓電元件、電流變材料、磁致伸縮材料、磁變流材料、膠體材料等。當(dāng)前的驅(qū)動(dòng)元件還不能全部滿足上述要求，只能在幾個(gè)方面具有特點(diǎn)，也就是每種驅(qū)動(dòng)元件都有他們的特色，但也存在問題。 17 （1）提高驅(qū)動(dòng)元件本身的性能，滿足上 述六條要求； （2） 改善驅(qū)動(dòng)元件的激勵(lì)方法； （3） 研究多種激勵(lì)元件組合使用的方法，達(dá)到取長補(bǔ)短的目的； （4） 研究新型的復(fù)合驅(qū)動(dòng)元件； （5）研究驅(qū)動(dòng)元件在材料中的布置方案。18 傳感器、致動(dòng)器和控制器是智能結(jié)構(gòu)的重要部分。傳感器要求有高度感受結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)的能力，在振動(dòng)系統(tǒng)中即能把位移、速度或加

9、速度等信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，它直接反應(yīng)實(shí)時(shí)的振動(dòng)狀態(tài)，所以它必須有足夠的可靠性、敏感性和較高的反應(yīng)速度，以便能迅速、準(zhǔn)確地得到振動(dòng)信息；另外，還要求其具有體積小，易于集成的特點(diǎn)。 19 致動(dòng)器是執(zhí)行信息處理單元發(fā)出的控制指令，并按照規(guī)定的方式對(duì)外界或內(nèi)部狀態(tài)和特性變化作合理的反應(yīng)，直接將控制器輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)的應(yīng)變或位移，具有改變智能結(jié)構(gòu)形狀、位置及其它機(jī)械特性的能力?？刂破魑挥诮Y(jié)構(gòu)之中，由具有控制功能的硬件電路或電腦芯片與軟件組成，是智能結(jié)構(gòu)的神經(jīng)中樞。 20 智能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中首先要明確應(yīng)用目標(biāo)，然后分析控制目標(biāo)的具體要求，確定智能結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料的控制輸入和輸出的形式。最關(guān)鍵的問題是必

10、須運(yùn)用已知材料的特性、振動(dòng)理論以及自動(dòng)控制理論，建立合理的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建控制系統(tǒng)，并選擇有效的控制策略。 21第三節(jié) 智能材料結(jié)構(gòu)中的驅(qū)動(dòng)元件及形狀記憶合金 20世紀(jì)90 年代以來，研究方向傾向民用，特別是智能土建結(jié)構(gòu)的研究與發(fā)展，加速了智能材料與結(jié)構(gòu)的全面發(fā)展，這一時(shí)期國際上各種學(xué)術(shù)研討會(huì)也特別多，在美國、日本、法國、德國、意大利等國都召開了學(xué)術(shù)會(huì)議或是專題學(xué)術(shù)研究會(huì)。 223.1智能材料結(jié)構(gòu)中的驅(qū)動(dòng)元件 目前研究投入較多的智能材料的驅(qū)動(dòng)元件主要有作為執(zhí)行器的開關(guān)記憶材料（含形狀記憶合金、陶瓷、薄膜三個(gè)類型）；壓電材料（含壓電陶瓷、壓電聚合物）、電致流變體磁致流變體；作為敏感器的光釬傳感器等

11、。利用這些材料的功能，加上精細(xì)的復(fù)合設(shè)計(jì)和制作便得到聚傳感、驅(qū)動(dòng)和控制于一體的智能材料。 23 壓電材料在受到應(yīng)力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷分布，同樣在壓電材料上外加電壓時(shí)，會(huì)發(fā)生形變，成為逆壓電效應(yīng)，因此壓電材料即可做傳感材料又可做執(zhí)行材料。壓電材料分為陶瓷壓電材料如石英、鈦酸鋇等和有機(jī)聚合物壓電材料如片聚二氟乙烯樹脂（PVDF）。在同樣單位應(yīng)力作用下，有機(jī)聚合物壓電材料產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度要比陶瓷壓電材料大若干倍。同時(shí)具有較優(yōu)良的加工性能，制備智能材料不受形狀的限制，因此有機(jī)聚合物壓電材料更適合制備智能材料。 24 壓電陶瓷還可以象制作玻璃纖維一樣制作壓電陶瓷纖維。這種壓電陶瓷纖維可與聚氨脂復(fù)合制成熱釋電

12、復(fù)合材料、電光復(fù)合材料以及半導(dǎo)體鐵電纖維，壓電纖維的主要應(yīng)用就是制成壓電復(fù)合材料，集傳感與驅(qū)動(dòng)于一體。 253.2 形狀記憶材料及性能 形狀記憶合金是智能材料結(jié)構(gòu)中最先應(yīng)用的一種驅(qū)動(dòng)元件,它集感知和驅(qū)動(dòng)于一體。該元件在高溫下定形后冷卻到低溫并施加變形，從而形成殘余形變。當(dāng)材料加熱時(shí)，材料的殘余形變消失，并回復(fù)到高溫下所固有的形狀。 26 再進(jìn)行加熱或冷卻時(shí)，形狀保持不變，這就是所謂的形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect), 就象合金記住了高溫狀態(tài)的形狀一樣。具有形狀記憶效應(yīng)的金屬通常是兩種以上金屬的合金，稱為形狀記憶合金(Shape Memory Alloys, SMA.)。

13、27 材料在高溫下制成特定形狀，在低溫任意變形，加熱時(shí)再恢復(fù)為高溫形狀，重新冷卻還保持高溫時(shí)的形狀時(shí)，我們稱之為單程記憶效應(yīng)。例如目前國內(nèi)商品化的NiTi形狀記憶合金絲，在低溫馬氏體組織時(shí)，加外力使合金應(yīng)變8%后，對(duì)材料加熱，溫度超過馬氏體相變點(diǎn)時(shí)，形狀回復(fù)率可達(dá)100。 28 但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，形狀記憶特性會(huì)衰減，存在一個(gè)疲勞壽命。當(dāng)回復(fù)變形在2以下時(shí)，疲勞壽命為105次，對(duì)于埋入構(gòu)件基體材料中的形狀記憶合金的初始變形很大，但回復(fù)量很小，因此它的疲勞壽命可達(dá)107次。 29 對(duì)材料進(jìn)行特殊的處理，使材料能夠記住高溫和低溫狀態(tài)的兩種形狀，即加熱時(shí)恢復(fù)高溫形狀，低溫時(shí)恢復(fù)低溫形狀，我們稱之為

14、雙程形狀記憶效應(yīng)或可逆形狀記憶效應(yīng)。例如對(duì)NiTi合金經(jīng)過一定的熱處理訓(xùn)練，不僅在馬氏體逆相變過程中能完全回復(fù)到變形前的狀態(tài)，而且在馬氏體相變過程中也會(huì)自發(fā)地發(fā)生形狀變化，回復(fù)到馬氏體狀態(tài)的形狀，而且反復(fù)加熱冷卻都會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象。 30 此外還有一些合金稱為全方位形狀記憶合金，在冷卻到更低的溫度，可以出現(xiàn)與高溫時(shí)取向相反，形狀相同的現(xiàn)象。NiTi合金的全方位記憶薄片的模式圖見圖11-3。將試樣在鋼管中成型后，在400500C進(jìn)行時(shí)效處理，去除約束后的形狀如圖11-3(a)所示； 31 當(dāng)試件冷卻到Mf時(shí)，形狀接近直線狀態(tài)，如圖11-3(b)；冷卻到Mf以下時(shí)，試件的形狀發(fā)生180C翻轉(zhuǎn)，如11

15、-3(c)所示；加熱到Af和 Af以上時(shí)，試件就反向變化成圖11-3(d)和(e)的形狀。高于Af的形狀(a)和低于Mf 的形狀(f)之間是可逆的。 32 圖11-4（a）是一般金屬材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限，卸除應(yīng)力后，留下永久變形，不會(huì)回復(fù)原狀；圖11-4（b）是超彈性材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，超過彈性極限后應(yīng)力誘發(fā)母相形成馬氏體，當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)增加時(shí)，馬氏體相變也繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)應(yīng)力降低時(shí)，相變按逆向進(jìn)行，即從馬氏體轉(zhuǎn)向母相，永久變形消失這種現(xiàn)象叫超彈性記憶小效應(yīng)（PME）； 33 圖11-4（c）是合金母相在應(yīng)力作用下誘發(fā)馬氏體，并發(fā)生形狀變化，去除應(yīng)力后，除彈性部分外，形狀并不回復(fù)原狀

16、，但通過加熱產(chǎn)生逆變，便能恢復(fù)原形。這種現(xiàn)象叫作形狀記憶效應(yīng)（SME）。 34 形狀記憶效應(yīng)是由于馬氏體相變?cè)斐傻?。除鋼鐵外，大多數(shù)合金中的馬氏體相變是可逆的，即冷卻時(shí)由母相P轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相M，即PM，加熱時(shí)馬氏體相M又逆向轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶郟，即MP。根據(jù)熱力學(xué)觀點(diǎn)，母相與馬氏體的化學(xué)自由能在T0溫度時(shí)相等，不發(fā)生轉(zhuǎn)變，必須溫度低于T0，母相才有轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的趨勢(shì)，同時(shí)還必須克服非化學(xué)自由能增量和相變時(shí)存在的相變阻力，即溫度冷到Ms馬氏體相變才開始進(jìn)行。 35 隨著溫度下降，馬氏體量會(huì)逐漸增多，直到Mf溫度時(shí)，馬氏體轉(zhuǎn)變才終止。同樣理由，馬氏體要可逆的轉(zhuǎn)為母相，加熱溫度必須高于T0溫度，而且要加熱至

17、As溫度時(shí)，母相才開始形成，直至Af溫度逆變才完成。 36 通常稱： Ms 馬氏體相變（PM）開始溫度； Mf 馬氏體相變（PM）終了溫度； As 馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶啵R氏體逆相變MP）的開始溫度； Af 馬氏體相變?yōu)槟阁w（馬氏體逆相變MP）的終了溫度。 37 形狀記憶材料分三類：形狀記憶合金，形狀記憶陶瓷和形狀記憶薄膜。形狀記憶合金已廣泛用于醫(yī)療設(shè)備、航空、航天、儀器儀表、機(jī)器人、自動(dòng)控制以及人造衛(wèi)星、能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。近年來在陶瓷材料、超導(dǎo)材料以及高分子材料中發(fā)現(xiàn)各具特色的形狀記憶效應(yīng)，引起了世界各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。 383.2.1 形狀記憶合金 形狀記憶合金是研究最早的一種材料，它的操作功能

18、主要分為5個(gè)方面。 （1）單程記憶效應(yīng)：在低于Mf溫度之下時(shí)，加壓力樣品變形，去掉壓力時(shí)不能完全恢復(fù)，當(dāng)加熱到Af之上時(shí)殘存的形變才能恢復(fù)。 （2）雙程記憶合金效應(yīng)，當(dāng)溫度冷卻到Mf之下時(shí)自發(fā)的形變產(chǎn)生，當(dāng)溫度再升到Af之上時(shí)形變恢復(fù)。 39 （3）形變恢復(fù)應(yīng)力，在Mf溫度下樣品受壓變形，去掉壓力，保持在位置上再加熱，這時(shí)恢復(fù)應(yīng)力產(chǎn)生。 （4）做功狀態(tài)，在Mf溫度之下樣品受壓變形，卸掉壓力，再加上重量W，將樣品加熱到Af之上，形變應(yīng)力產(chǎn)生并且做功，稱為功輸出。 （5）超彈性或偽彈性效應(yīng)，在Af溫度之上時(shí)，加較大壓力時(shí)樣品變形從A到B，當(dāng)壓力卸載后樣品的形變又完全恢復(fù)。 40 形狀記憶合金這些特

19、有的功能與外界溫度和內(nèi)部的馬氏體相應(yīng)密切相關(guān)。例如從高溫到低溫的滯回線，應(yīng)力溫度的關(guān)系，應(yīng)力壓力的關(guān)系，以及應(yīng)力壓力溫度三者之間的關(guān)系。 41 目前雖然有許多形狀記憶合金體系，但能夠商品化的只有少數(shù)幾個(gè)，如NiTi、NiTiCu、CuZnAl合金體系，接近商品化的CuAlNi和FeMnSi合金體系，而具有潛在應(yīng)用的體系有NiAl和NiTiZi合金體系，目前在制備或性能上還有一些缺陷。在所有形狀記憶合金體系中NiTi合金是最具有使用價(jià)值的，有人做過數(shù)百萬次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其恢復(fù)性能仍然保持。 421 TiNi形狀記憶合金 等原子比的TiNi合金是應(yīng)用的最早的形狀記憶合金，其中Ni元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為555

20、6。根據(jù)使用目的不同可選用適當(dāng)?shù)暮辖鸪煞?。它性能?yōu)越，穩(wěn)定性好，具有特殊的生物相容性，因而得到廣泛的應(yīng)用,特別在醫(yī)學(xué)與生物上的應(yīng)用是其他形狀記憶合金所不能替代的。由于合金成分不同，相變可以有不同路徑。 43 在材料使用過程中，表征材料記憶性能的主要參數(shù)包括記憶合金隨溫度變化所表現(xiàn)出的形狀恢復(fù)程度，回復(fù)應(yīng)力，使用中的疲勞壽命，即經(jīng)歷一定熱循環(huán)或應(yīng)力循環(huán)后記憶特性的衰減情況。此外,相變溫度及正逆相變的溫度滯后更是關(guān)鍵參數(shù)。而上述這些特性又與合金的成分成材工藝熱處理(包括冷熱加工)條件及其使用情況等密切有關(guān)。 44 TiNi記憶合金的相變溫度對(duì)成分最敏感。Ni含量每增加0.1%，相變溫度會(huì)降低10C

21、。第三元素對(duì)TiNi合金相變溫度的影響也極為引人注目。Fe、Co等過渡族金屬的加入均可引起Ms下降。其中Ni被Te置換后，擴(kuò)大了R相穩(wěn)定的溫度范圍，使R相變更為明顯。用Cu置換Ni后，Ms變化不太大，但形狀記憶效應(yīng)卻十分顯著，因而可以節(jié)約合金成本。并且由于減少相變滯后，使該類合金具有一定的使用價(jià)值。 45 為獲得記憶效應(yīng),一般將加工后的合金材料在室溫加工成所需要的形狀并加以固定，隨后在400-500之間加熱保溫?cái)?shù)分鐘到數(shù)小時(shí)(定形處理)后空冷，就可獲得較好的綜合性能。 對(duì)于冷加工后成形困難的材料，可以在800以上進(jìn)行高溫退火，這樣在室溫極容易成形，隨后于200-300保溫使之定形.此種在較低溫

22、度處理的記憶元件及形狀回復(fù)特性較差。 46 富Ni的TiNi合金需要進(jìn)行時(shí)效處理,一則為了調(diào)節(jié)材料的相變溫度,二則可以獲得綜合的記憶性能.處理工藝基本上是在800-1000固熔處理后淬入冰水,再經(jīng)400-500時(shí)效處理若干時(shí)間(通常為500 1小時(shí)).隨著時(shí)效溫度的提高或時(shí)效時(shí)間的延長,相變溫度Ms相應(yīng)下降.此時(shí)的時(shí)效處理就是定型記憶過程。 47 為了使合金式樣反復(fù)多次的在升溫和降溫中可逆的發(fā)生形狀變化(即雙向記憶),最常用的方法是進(jìn)行記憶訓(xùn)練(又稱鍛煉)。首先如同單向記憶處理那樣獲得記憶效應(yīng),但此時(shí)僅可記憶高溫相的形狀。隨后在低于Ms溫度,根據(jù)所需的形狀將試件進(jìn)行一定限度的可以回復(fù)的形狀。

23、48 加熱到Af以上溫度,試件回復(fù)到高溫態(tài)形狀后,降溫到Ms以下,再變形試件使之成為前述的低溫所需形狀,如此反復(fù)多次后,就可獲得雙向記憶效應(yīng),在溫度升降過程中,試件均可自動(dòng)的反復(fù)記憶高低溫時(shí)的二種形狀。這種記憶訓(xùn)練實(shí)際上就是強(qiáng)制變形。 49 對(duì)于Ti-51%(原子分?jǐn)?shù))Ni合金不僅具有雙向記憶性能,而且在高溫與低溫時(shí),記憶的形狀恰好是完全逆轉(zhuǎn)的。這是由于與基體共格的Ti11Ni14析出相產(chǎn)生的某種固定的內(nèi)應(yīng)力所致。50 無論上述何種記憶處理,為了保持良好的形狀記憶特性,其變形的應(yīng)變量不得超過一定值,該值與元件的形狀、尺寸、熱處理?xiàng)l件、循環(huán)使用次數(shù)等有關(guān),一般為6(不包括全方位記憶處理).同時(shí)在

24、使用中,在形狀記憶合金受約束狀態(tài)下,要避免過熱,也即記憶高溫態(tài)的溫度只需稍高于Af溫度即可。 512. 銅基形狀記憶合金 盡管形狀記憶合金具有強(qiáng)度高、塑性大、耐腐蝕性好等優(yōu)良性能,但由于成本約為銅基記憶合金的十倍而使之應(yīng)用受到一定限制。因而近二十年來銅基形狀記憶合金的應(yīng)用較為活躍,但需要解決的主要問題是提高材料塑性改善對(duì)熱循環(huán)和反復(fù)變形的穩(wěn)定性及疲勞強(qiáng)度等。 52 銅基形狀記憶合金的相變溫度對(duì)合金成分和處理?xiàng)l件極敏感。例如Cu-14.1Al-4.0Ni合金在1000固熔后分別淬入溫度為10與100介質(zhì)中,其合金的Ms對(duì)應(yīng)為-11與60。因此實(shí)際應(yīng)用中,可以利用淬火速度來控制相變溫度。 53 無

25、論是CuZnAl還是CuAlNi合金,相變溫度對(duì)Al含量都很敏感。 CuAlNi等銅基合金在反復(fù)使用中，較易出現(xiàn)試樣斷裂現(xiàn)象，其疲勞壽命比NiTi合金低2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。 54 其原因是銅基合金具有明顯的各相異性。在晶體取向發(fā)生變化的晶界面上，為了保持應(yīng)變的連續(xù)性，必會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，而且晶粒越粗大，晶面上的位移更大，極易造成沿晶開裂。目前在生產(chǎn)中，已通過添加Ti、Zr、V、B等微量元素，或者采用急冷凝固法或粉末燒結(jié)等方法使合金晶粒細(xì)化，達(dá)到改善合金性能的目的。 553. 鐵基形狀記憶合金 早期發(fā)現(xiàn)的鐵基形狀記憶合金FePt和FePd等由于價(jià)格昂貴而未能得到應(yīng)用。直到1982年有關(guān)FeMnSi記憶

26、合金研究論文的發(fā)表，才引起材料研究工作者極大的興趣。尤其由于鐵基形狀記憶合金成本低廉、加工容易，如果能在回復(fù)應(yīng)變量小、相變滯后大等問題上得到解決或突破，可望在未來的開發(fā)應(yīng)用上有很大的進(jìn)展。 56 鐵基形狀記憶合金的最大回復(fù)應(yīng)變量為2，超過此形變量將產(chǎn)生滑移變形，導(dǎo)致馬氏體與奧氏體界面的移動(dòng)發(fā)生困難。 具有形狀記憶效應(yīng)的合金系已達(dá)二十多種，但其中得到實(shí)際應(yīng)用的僅集中在TiNi合金與CuZnAl合金，CuAlNi及FeMnSi系記憶合金也在開發(fā)應(yīng)用中。 57 這些合金由于成分不同，生產(chǎn)和處理工藝的差異，其性能有較大的差別。即使同一合金系，成分的微小差別也會(huì)導(dǎo)致使用溫度的較大起伏。在記憶元件的設(shè)計(jì)、

27、制造及使用中，不僅關(guān)心材料的相變溫度，還必須考慮其回復(fù)力、最大回復(fù)應(yīng)變、使用中的疲勞壽命及耐腐性能等。 58 一般來說，TiNi合金記憶特性好，但價(jià)格昂貴。銅基記憶合金成本低，有較好的記憶性能，但穩(wěn)定性較差，而FeMnSi系合金雖然價(jià)格便宜、加工容易，但記憶特性稍差，特別是可回復(fù)應(yīng)變量小。因此實(shí)際應(yīng)用要綜合考慮材料的用途、使用環(huán)境、使用方法及成本等各因素，以便選取合適的形狀記憶合金。例如要求性能穩(wěn)定，需要反復(fù)使用的較精密的元件，一般采用TiNi合金，而對(duì)于象火警警報(bào)器等只需一次動(dòng)作的元件就往往選用CuZnAl合金。 593.2.2 形狀記憶陶瓷 近幾年來人們又開發(fā)出形狀記憶陶瓷，可在電場(chǎng)作用下

28、發(fā)生形變。與形狀記憶合金相比，這種材料由于電場(chǎng)改變速度和范圍比溫度大的多，因而影響速度快，使用范圍寬，不足之處是應(yīng)變范圍還不夠大（0.081%），但這也許適合某些特定的場(chǎng)合。 60 形狀記憶陶瓷的結(jié)構(gòu)圖如圖11-5所示。它是典型的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為E2型，空間群為O12，一般分子式為ABO3，A和B為金屬離子，這里A是（Pb2+）B(Zr4+、Ti4+)離子。 61 通過調(diào)整溫度和A、B的組成鈣鈦礦晶體的形狀會(huì)發(fā)生改變，如圖11-6所示。不同量的離子置換PZT時(shí)產(chǎn)生相變，四面體結(jié)構(gòu)和六面體結(jié)構(gòu)均為鐵電相，而八面體結(jié)構(gòu)為反鐵電相，當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)會(huì)誘使反鐵電相轉(zhuǎn)變鐵電相，從而產(chǎn)生應(yīng)力。當(dāng)鐵電體至

29、于電場(chǎng)中時(shí)，由于材料的極化導(dǎo)致應(yīng)力的產(chǎn)生，對(duì)于反鐵電體，由于內(nèi)部含有兩個(gè)極性相反的區(qū)域，宏觀極性抵銷，當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，只有很小的應(yīng)力產(chǎn)生。 62 如果反鐵電體相的組成接近鐵電相的組成，施加一個(gè)大電場(chǎng)，就可以使反鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電相，相變伴隨著晶格變形，導(dǎo)致凈體積增長，產(chǎn)生形變，相變形式如下： AFE 電場(chǎng) FE 當(dāng)電場(chǎng)降低，材料回復(fù)到原始狀態(tài)還是保持鐵電相狀態(tài)，取決于材料的確切組成，一般在相圖邊界線上的亞穩(wěn)態(tài)比較容易形成形狀記憶陶瓷。 63 形狀記憶陶瓷主要用于在空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的自適應(yīng)調(diào)整上，圖117為鏡面調(diào)整示意圖，可用在哈伯望遠(yuǎn)鏡、日冕儀等，另外形狀記憶陶瓷還有希望用作能量儲(chǔ)存執(zhí)行元件。 64

30、3.2.3 形狀記憶薄膜 形狀記憶合金薄膜有較大的比表面和較高的響應(yīng)速度。主要采用濺射或電化學(xué)方法制備Ti-Ni、CuZn、AuCd等薄膜。形狀記憶合金薄膜具有一些潛在的應(yīng)用，如可能應(yīng)用在智能結(jié)構(gòu)的阻尼器，微機(jī)械手、微彈簧中。 653.3 形狀記憶合金的應(yīng)用 從20世紀(jì)70年代開始形狀記憶合金得到真正的應(yīng)用，至今已有二十多年，應(yīng)用領(lǐng)域極廣，從精密復(fù)雜的機(jī)器到較為簡單的連接件、緊固件，從節(jié)約能源的形狀記憶合金發(fā)動(dòng)機(jī)到過電流保護(hù)器等處處都可反映出形狀記憶合金的奇異功能及簡便、小巧、靈活等特點(diǎn)。 66 用作連接件，是記憶合金用量最大的一項(xiàng)用途。選用記憶合金作管接頭可以防止用傳統(tǒng)焊接所引起的組織變化，

31、更適合于嚴(yán)禁明火的管道連接，而且具有操作簡便，性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。 67 用作控溫器件的記憶合金絲被制成圓柱形螺旋彈簧作為熱敏驅(qū)動(dòng)元件。其特點(diǎn)時(shí)利用形狀記憶特性，在一定溫度內(nèi)，產(chǎn)生顯著的位移或力的變化。再配以用普通彈簧絲制成的偏壓彈簧就可使閥門往返運(yùn)動(dòng)。也就是具有雙向動(dòng)作的功能。當(dāng)溫度降低時(shí)，偏壓彈簧壓縮形狀記憶彈簧，使閥門關(guān)閉，從而產(chǎn)生周而復(fù)始的循環(huán)。目前，我國已在熱水器等設(shè)備上裝有CuZnAl記憶元件。 68 利用偏壓彈簧使形狀記憶元件具有雙向動(dòng)作功能的還有機(jī)器人手臂、肘、腕、指等動(dòng)作、電流斷路器、自動(dòng)干燥箱以及空調(diào)機(jī)風(fēng)向自動(dòng)調(diào)節(jié)器等。上述元件都是利用形狀記憶合金在回復(fù)到高溫態(tài)時(shí)強(qiáng)度高，而在低

32、溫馬氏體相態(tài)下較軟的特性，在低溫時(shí)，借助偏動(dòng)彈簧的彈力使之變形。設(shè)計(jì)中，記憶元件與偏動(dòng)彈簧不一定在同一軸上，根據(jù)需要以不同方式、不同角度配合以完成特定的往返動(dòng)作需要。 69 形狀記憶合金作為機(jī)械執(zhí)行器的主要優(yōu)點(diǎn)有： （1）機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、安全、常見的結(jié)構(gòu)有絲狀和螺圈狀。 （2）在無重力的工作條件下能產(chǎn)生清潔、靜音的無火花的操作，特別適合航天航空領(lǐng)域。 70 （3）高的能/重比，在比較了所有的執(zhí)行器機(jī)械后人們得出結(jié)論，在低重力情況下（100g），形狀記憶合金執(zhí)行器能提供最大的能/重比，形狀記憶合金在低重量范圍內(nèi)的能/ 重比遠(yuǎn)高于其他執(zhí)行器。這意味著形狀記憶合金非常適于微執(zhí)行技術(shù)。 （4）高阻

33、尼性能，在沖擊波和震動(dòng)能量下，SMA的阻尼效率高達(dá)90%。 71 工業(yè)上常用形狀記憶合金作開關(guān)，用于電路冷卻閥門、火警探測(cè)系統(tǒng)、阻尼裝置等。 醫(yī)學(xué)上主要利用形狀記憶合金的超彈性性質(zhì)，最成功的應(yīng)用是用于牙科矯正術(shù)上的正牙線上，它可以在歪斜的牙上產(chǎn)生很小的而又持續(xù)的力使歪牙扶正。 72 用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的記憶合金除了具備所需要的形狀記憶或超彈性特性外，還必須滿足化學(xué)和生物學(xué)等方面可靠性的要求。一般植入生物體內(nèi)的金屬在生物體液的環(huán)境中會(huì)溶解成金屬離子，其中某些金屬離子會(huì)引起癌病、染色體畸形等各種細(xì)胞毒性反應(yīng)，或?qū)е卵ǖ?，總稱為生物相容性差。只有那種與生物體接觸后會(huì)形成穩(wěn)定性很強(qiáng)的鈍化膜的合金才可以植入

34、生物體內(nèi)。在現(xiàn)有的實(shí)用記憶合金中，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，僅TiNi合金滿足上述條件。因此TiNi合金是目前使用的唯一的記憶合金。 73 TiNi合金在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用較廣的有口腔牙齒矯形絲以及外科中各種矯形棒、骨連接器、血管夾、凝血慮器等。近年來血管擴(kuò)張?jiān)葢?yīng)用也見報(bào)道。 74 牙齒矯形絲是利用TiNi合金相變偽彈性特點(diǎn)，使合金絲處理成超彈性絲。由于應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變使彈性模量成非線性變化，當(dāng)應(yīng)變?cè)龃髸r(shí)，矯正力卻增加不多。因此佩帶嬌正絲時(shí)，即使產(chǎn)生很大的變形也能保持適宜的矯正力，不僅操作方便，療效好，而且可減輕患者的不適感。TiNi合金的超彈性功能使應(yīng)變高達(dá)10仍不會(huì)發(fā)生塑性變形。 75 圖118 是

35、用于矯形絲的各種材料的負(fù)載與變形曲線。由對(duì)比可見，傳統(tǒng)用的不銹鋼和CoCr合金的彈性系數(shù)大，相對(duì)于很小的變形就需要較大的負(fù)載，而且產(chǎn)生明顯的永久變形。TiNi合金絲明顯優(yōu)于前者。 76 脊柱側(cè)彎矯形用哈氏棒通常是用不銹鋼制成，但由于植入人體后以及在隨后使用中，矯正力明顯下降，甚至在半個(gè)月后下降55，故通常必須進(jìn)行再次手術(shù)以調(diào)整矯正力，使患者在精神上、肉體上承受較大痛苦。 77 改用形狀記憶合金只需一次安放固定手術(shù)。一般是將TiNi合金棒記憶處理成直棒，然后在Ms以下溫度（通常是冰水）彎成與人體畸形脊柱相似的形狀（彎曲應(yīng)力小于8），立即安放于人體內(nèi)并加以固定。手術(shù)后通過體外加熱使溫度高于體溫51

36、0，這時(shí)TiNi合金棒逐漸回復(fù)到高溫相狀態(tài)，產(chǎn)生足夠的矯正力。 78 其它如骨折、骨裂等所需要的固定釘或固定板都是將TiNi合金的Af溫度定在體溫以下。先將合金板（或合金釘?shù)龋┌此栊螤钣洃浱幚矶ㄐ危谑中g(shù)時(shí)，將定形板在冰水中（Ms）變形成便于手術(shù)安裝的形狀，植入所需部位固定，靠體溫回復(fù)固定板形狀。用記憶合金固定骨折等環(huán)患處，患者痛苦少，功能恢復(fù)快，是非常行之有效的方法。 79 形狀記憶合金更多的潛在應(yīng)用是埋置在材料里組成智能復(fù)合材料，如美國把在F16戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼上。用于自修復(fù)功能，在機(jī)器人上用來制造人造肌肉。 80第四節(jié) 智能材料的應(yīng)用 首先開展智能材料結(jié)構(gòu)研究的是美國軍界，約在1984年美國

37、陸軍科研局就旋翼飛行器技術(shù)研究給于贊助，研究內(nèi)容是減小旋翼槳葉的振幅和扭曲。美國空軍著重于航空和航天飛行器智能表層的研究，將該項(xiàng)目落實(shí)在美國空軍科研項(xiàng)目預(yù)測(cè)中，被認(rèn)為是急需發(fā)展的，有創(chuàng)始性的項(xiàng)目，美國空軍萊特研究和發(fā)展中心的航空設(shè)備實(shí)驗(yàn)室又規(guī)劃了智能表層的發(fā)展路線圖。 81 1988年以后，美國各大學(xué)和航空航天機(jī)構(gòu)的公司、研究所都參與研究，他們?cè)O(shè)計(jì)的面很廣，并且取得創(chuàng)造性的進(jìn)展。同時(shí)美國國防部FY92_FY96的邊緣科學(xué)研究規(guī)劃（即代號(hào)UR1）及陸軍科研局和海軍科研局都給于智能材料與結(jié)構(gòu)探索者贊助。 82 UR1資助課題包括材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)方程、單一和復(fù)合智能結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型、驅(qū)動(dòng)器、傳感器、控制系統(tǒng)和處理方法、多體結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)識(shí)別以及氣動(dòng)彈性修正等。陸軍科研局的規(guī)劃則著重于旋翼飛行器和地面運(yùn)輸裝置，例如減小結(jié)構(gòu)件的振動(dòng)和增大氣動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性，加強(qiáng)旋翼飛行器的控制能力和損傷的檢測(cè)，減輕和修理損傷部分。海軍規(guī)劃則著重于水中潛艇噪聲強(qiáng)度的控制。 83 智能材料結(jié)構(gòu)技術(shù)很快被土木工程