第二十章 形狀記憶材料

1、EXITEXITEXIT第十八章第十八章 機(jī)敏材料和智能材料機(jī)敏材料和智能材料一、形狀記憶材料的概念一、形狀記憶材料的概念EXITEXITEXIT第十八章第十八章 機(jī)敏材料和智能材料機(jī)敏材料和智能材料一、形狀記憶材料的概念一、形狀記憶材料的概念形狀記憶材料形狀記憶材料 （shape memory materialsshape memory materials，簡稱簡稱 SMMSMM）是指具有一定是指具有一定初始形狀初始形狀的材料經(jīng)形變并固定成另一種形狀的材料經(jīng)形變并固定成另一種形狀后，通過熱、光、電等物理剌激或化學(xué)剌激的處理又可后，通過熱、光、電等物理剌激或化學(xué)剌激的處理又可恢恢復(fù)成初始形狀復(fù)

2、成初始形狀的材料。的材料。包括包括: :形狀記憶形狀記憶合金合金高聚物高聚物陶瓷陶瓷EXITEXITEXIT第十八章第十八章 機(jī)敏材料和智能材料機(jī)敏材料和智能材料 二、形狀記憶合金二、形狀記憶合金SMA形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng)是通過是通過熱彈性馬氏體相變及其反轉(zhuǎn)熱彈性馬氏體相變及其反轉(zhuǎn)而而產(chǎn)生產(chǎn)生EXITEXITEXIT形狀記憶機(jī)理形狀記憶機(jī)理：（1 1）具有初始形狀具有初始形狀 L L 的的母相冷卻母相冷卻到馬氏體相到馬氏體相變終了溫度以下，實(shí)現(xiàn)馬氏體相變變終了溫度以下，實(shí)現(xiàn)馬氏體相變，變成變成24 24 種馬種馬氏體氏體變體。變體。（2 2）加外力后產(chǎn)生塑性變形加外力后產(chǎn)生塑性變形 成為具

3、有另成為具有另一種形狀一種形狀 L + L + 的馬氏體單晶的馬氏體單晶。（3 3）去掉外力后塑性變形保留而形狀去掉外力后塑性變形保留而形狀 L +L + 不變不變。（4 4）再加溫再加溫到馬氏體逆相變終了溫度以上時(shí)到馬氏體逆相變終了溫度以上時(shí)，發(fā)生馬氏體相變的反轉(zhuǎn)即逆相變，發(fā)生馬氏體相變的反轉(zhuǎn)即逆相變，變回初始形變回初始形狀狀 L L 的母相的母相，其結(jié)構(gòu)和取向與初始母相也完全一其結(jié)構(gòu)和取向與初始母相也完全一樣樣。EXITEXITEXIT第十八章第十八章 機(jī)敏材料和智能材料機(jī)敏材料和智能材料 二、形狀記憶合金二、形狀記憶合金（一一）形狀記憶合金的基本原理形狀記憶合金的基本原理1、馬氏體相變馬

4、氏體相變馬氏體相變首先在馬氏體相變首先在鋼鋼中發(fā)現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)。馬氏體，馬登斯體馬氏體，馬登斯體martensite馬氏體相變是一種馬氏體相變是一種無無擴(kuò)散相變或稱位移型相變。擴(kuò)散相變或稱位移型相變。原子位移以原子位移以切變切變方式進(jìn)行。方式進(jìn)行。逆逆:athwartStart finishEXITEXITEXIT馬氏體相變和晶體滑移形變形狀變化比較馬氏體相變和晶體滑移形變形狀變化比較EXITEXITEXIT馬氏體態(tài)的形變和加熱后的形狀記憶馬氏體態(tài)的形變和加熱后的形狀記憶形狀記憶效應(yīng)源于馬氏體相變及其反轉(zhuǎn)（逆相變）形狀記憶效應(yīng)源于馬氏體相變及其反轉(zhuǎn)（逆相變）較軟的熱彈性馬氏體較軟的熱彈性馬氏體.Ni

5、-Ti合金母相合金母相, 有序結(jié)構(gòu)的奧氏體有序結(jié)構(gòu)的奧氏體.擇優(yōu)取向的有序擇優(yōu)取向的有序馬氏體馬氏體. EXITEXITEXIT第十八章第十八章 機(jī)敏材料和智能材料機(jī)敏材料和智能材料EXITEXITEXIT體心立方堆垛：密排面為（110） ABABABEXITEXITEXITCu-Zn馬氏體片群馬氏體片群EXITEXITEXIT第十八章第十八章 機(jī)敏材料和智能材料機(jī)敏材料和智能材料二、形狀記憶合金二、形狀記憶合金（一一）形狀記憶合金的基本原理形狀記憶合金的基本原理3 3、形狀記憶合金的形狀記憶合金的分類分類第一個(gè)第一個(gè)SMA商品名為商品名為Nitinol,鎳鈦諾鎳鈦諾Ni Ti Naval O

6、rdnance LaboratoryNi Ti Naval Ordnance LaboratoryW. J. Bueler 畢尤勒畢尤勒 Ni:55%, Ti:45%,專利專利按形狀恢復(fù)情況分為三類按形狀恢復(fù)情況分為三類：單程記憶效應(yīng)單程記憶效應(yīng)（不可逆記憶效應(yīng)不可逆記憶效應(yīng)）雙程記憶效應(yīng)雙程記憶效應(yīng)全程記憶效應(yīng)全程記憶效應(yīng)EXITEXITEXIT第十八章第十八章 機(jī)敏材料和智能材料機(jī)敏材料和智能材料二、形狀記憶合金二、形狀記憶合金（二二）形狀記憶合金的種類形狀記憶合金的種類特性特性NiTiCuZnAlCuAlNi晶粒度晶粒度/m1-1050-10025-60轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)變溫度/-50-100-

7、200-170-200-170Tas-Taf/3010-2020-30回復(fù)應(yīng)力回復(fù)應(yīng)力MPa400200-單向形狀記憶單向形狀記憶雙向形狀記憶雙向形狀記憶107次之后次之后6.00.5%1.00.5%1.20.5%EXITEXITEXIT形狀記憶合金的發(fā)展方向主要為形狀記憶合金的發(fā)展方向主要為：（1 1）高溫形狀記憶合金高溫形狀記憶合金例如：例如：在核反應(yīng)堆在核反應(yīng)堆工工程中，記憶合金熱動(dòng)元件的動(dòng)作程中，記憶合金熱動(dòng)元件的動(dòng)作溫度高達(dá)溫度高達(dá)600600，研制高溫形狀記憶合金就成為一個(gè)主要發(fā)研制高溫形狀記憶合金就成為一個(gè)主要發(fā)展方向。展方向。第十八章第十八章 機(jī)敏材料和智能材料機(jī)敏材料和智能材

8、料EXITEXITEXIT（2 2）窄滯后形狀記憶合金窄滯后形狀記憶合金 通過熱彈性馬氏體相變實(shí)現(xiàn)記憶效應(yīng)的通過熱彈性馬氏體相變實(shí)現(xiàn)記憶效應(yīng)的合金合金，相變滯相變滯后溫度一般在后溫度一般在20203030，使其熱靈敏度較低而應(yīng)用受限。使其熱靈敏度較低而應(yīng)用受限。制成相變滯后溫度小于制成相變滯后溫度小于2 2窄滯后形狀記憶合金可以窄滯后形狀記憶合金可以大大大提高大提高熱靈敏度熱靈敏度。（3 3）寬滯后形狀記憶合金寬滯后形狀記憶合金（4 4）鐵基形狀記憶合金鐵基形狀記憶合金成本低，剛性好，且易于加工。成本低，剛性好，且易于加工。第十八章第十八章 機(jī)敏材料和智能材料機(jī)敏材料和智能材料EXITEXIT

9、EXIT（5 5）形狀記憶合金薄膜形狀記憶合金薄膜 形狀記憶合金薄膜形狀記憶合金薄膜，表面積大、散熱能力高和電阻率表面積大、散熱能力高和電阻率高，增加了靈敏度和響應(yīng)速度，作為敏感兼驅(qū)動(dòng)元件，顯高，增加了靈敏度和響應(yīng)速度，作為敏感兼驅(qū)動(dòng)元件，顯示出潛力。示出潛力。除以上所述外，正在研究的還有除以上所述外，正在研究的還有低溫?cái)M彈性形狀記憶低溫?cái)M彈性形狀記憶合金、高屈服限形狀記憶合金和低應(yīng)力滯后形狀記憶合金合金、高屈服限形狀記憶合金和低應(yīng)力滯后形狀記憶合金等。等。 第十八章第十八章 機(jī)敏材料和智能材料機(jī)敏材料和智能材料EXITEXITEXIT也有人對形狀記憶合金具有形狀記憶效應(yīng)的必備條件也有人對形狀

10、記憶合金具有形狀記憶效應(yīng)的必備條件進(jìn)行了研究進(jìn)行了研究，認(rèn)為認(rèn)為熱彈性馬氏體相變并不是合金具有形狀熱彈性馬氏體相變并不是合金具有形狀記憶效應(yīng)的必備條件記憶效應(yīng)的必備條件，例如例如 FeMnSiFeMnSi 和和 FeNiCFeNiC 系都通過非系都通過非熱彈性馬氏體相變而顯示形狀記憶效應(yīng)。熱彈性馬氏體相變而顯示形狀記憶效應(yīng)。只要能形成單變體馬氏體只要能形成單變體馬氏體，排除其他阻力，通過馬氏排除其他阻力，通過馬氏體相變和逆相變，材料就會顯現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)，按照這個(gè)體相變和逆相變，材料就會顯現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)，按照這個(gè)原則，將會開發(fā)出更多系列的形狀記憶合金。原則，將會開發(fā)出更多系列的形狀記憶合金。 第

11、十八章第十八章 機(jī)敏材料和智能材料機(jī)敏材料和智能材料EXITEXITEXIT第十八章第十八章 機(jī)敏材料和智能材料機(jī)敏材料和智能材料二、形狀記憶合金二、形狀記憶合金（三三）形狀記憶合金的應(yīng)用形狀記憶合金的應(yīng)用 單單向向形狀恢復(fù)元件形狀恢復(fù)元件雙向形狀恢復(fù)動(dòng)作元件雙向形狀恢復(fù)動(dòng)作元件擬彈性元件擬彈性元件( (擬彈性擬彈性是怎么回事是怎么回事?)?)EXITEXITEXIT第十八章第十八章 機(jī)敏材料和智能材料機(jī)敏材料和智能材料二、形狀記憶合金二、形狀記憶合金擬彈性擬彈性(pseudo-elasticity簡寫為簡寫為PE)普通彈性應(yīng)變一般小于普通彈性應(yīng)變一般小于0.5%擬彈性應(yīng)變可達(dá)擬彈性應(yīng)變可達(dá)5

12、%20%發(fā)生擬彈性形變時(shí)，誘發(fā)了馬氏體相變，去除外力后，發(fā)生擬彈性形變時(shí)，誘發(fā)了馬氏體相變，去除外力后，又發(fā)生馬氏體逆相變又發(fā)生馬氏體逆相變，恢復(fù)原狀，恢復(fù)原狀。(為什么為什么)EXITEXITEXITEXITEXITEXIT第十八章第十八章 機(jī)敏材料和智能材料機(jī)敏材料和智能材料二、形狀記憶合金二、形狀記憶合金（三三）形狀記憶合金的應(yīng)用形狀記憶合金的應(yīng)用 （1 1）機(jī)械工業(yè)機(jī)械工業(yè)SMASMA彈簧逆相變彈簧逆相變伸長伸長? ?縮短縮短? ?EXITEXITEXITSMA彈簧元件溫度彈簧元件溫度-位移特性測量裝置原理圖位移特性測量裝置原理圖EXITEXITEXITSMA彈簧元件在一定負(fù)載下的溫度

13、彈簧元件在一定負(fù)載下的溫度-位移曲線位移曲線怎么用？怎么用？日本工學(xué)院八王子專門學(xué)校機(jī)器人系日本工學(xué)院八王子專門學(xué)校機(jī)器人系開發(fā)的教育型機(jī)器人開發(fā)的教育型機(jī)器人“卡菲太太卡菲太太”EXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXIT醫(yī)護(hù)型智能機(jī)器人醫(yī)護(hù)型智能機(jī)器人 EXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXIT通過形狀記憶合金模仿肌肉的收縮來實(shí)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?，F(xiàn)人工肌肉的功能。 EXITEXITEXIT超小型馬達(dá)超小型馬達(dá) EXITEXITEXIT機(jī)器人機(jī)器人EXI

14、TEXITEXIT第十八章第十八章 機(jī)敏材料和智能材料機(jī)敏材料和智能材料二、形狀記憶合金二、形狀記憶合金（三三）形狀記憶合金的應(yīng)用形狀記憶合金的應(yīng)用 （2 2）自控和儀表工業(yè)自控和儀表工業(yè)EXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXIT第十八章第十八章 機(jī)敏材料和智能材料機(jī)敏材料和智能材料EXITEXITEXIT第十八章第十八章 機(jī)敏材料和智能材料機(jī)敏材料和智能材料二、形狀記憶合金二、形狀記憶合金（三三）形狀記憶合金的應(yīng)用形狀記憶合金的應(yīng)用 （3 3）

15、汽車工業(yè)汽車工業(yè)（4 4）兵器工業(yè)兵器工業(yè) （5 5）航空航天工業(yè)航空航天工業(yè) EXITEXITEXIT第十八章第十八章 機(jī)敏材料和智能材料機(jī)敏材料和智能材料二、形狀記憶合金二、形狀記憶合金（三三）形狀記憶合金的應(yīng)用形狀記憶合金的應(yīng)用 （6 6）醫(yī)療器械醫(yī)療器械 用于矯正牙齒拱用于矯正牙齒拱形金屬絲、血凝塊形金屬絲、血凝塊過濾器、脊椎矯正過濾器、脊椎矯正棒、人工股關(guān)節(jié)、棒、人工股關(guān)節(jié)、接骨板、人接骨板、人工工腎微腎微型泵、人工心臟收型泵、人工心臟收縮活門，手術(shù)固定縮活門，手術(shù)固定器和避孕器具等。器和避孕器具等。EXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXIT骨折形狀記憶

16、合金環(huán)抱式接骨板骨折形狀記憶合金環(huán)抱式接骨板 EXITEXITEXIT房間間隔缺損封堵器介入心臟示意圖房間間隔缺損封堵器介入心臟示意圖 EXITEXITEXIT第十八章第十八章 機(jī)敏材料和智能材料機(jī)敏材料和智能材料二、形狀記憶合金二、形狀記憶合金（三三）形狀記憶合金的應(yīng)用形狀記憶合金的應(yīng)用 （）其他（）其他 管道維修管道維修EXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXITEXIT記憶熱處理記憶熱處理(1)中溫處理中溫處理中溫處理是將冷卻加工后的合金材料按照所需中溫處理是將冷卻加工后的合金材料按照所需要的形狀加工成型。然后在要的形狀

17、加工成型。然后在400到到500之間進(jìn)之間進(jìn)行幾分鐘到幾小時(shí)的加熱保溫。中溫處理的關(guān)鍵行幾分鐘到幾小時(shí)的加熱保溫。中溫處理的關(guān)鍵是，處理前的合金材料在軋制、拔絲等冷加工過是，處理前的合金材料在軋制、拔絲等冷加工過程中充分的加工硬化程中充分的加工硬化.EXITEXITEXIT記憶熱處理記憶熱處理(2)低溫處理低溫處理所謂低溫處理，就是在所謂低溫處理，就是在800以上的高溫下使合金材以上的高溫下使合金材料完全退火，然后在室溫下成型加工，再放入料完全退火，然后在室溫下成型加工，再放入200-300溫度下保溫?cái)?shù)分鐘至數(shù)十分鐘。由于經(jīng)過完全退火，溫度下保溫?cái)?shù)分鐘至數(shù)十分鐘。由于經(jīng)過完全退火，合金材料變得

18、十分柔軟，非常容易加工成型，特別適合合金材料變得十分柔軟，非常容易加工成型，特別適合做成形狀復(fù)雜、曲率半徑很小的產(chǎn)品。低溫處理的合金做成形狀復(fù)雜、曲率半徑很小的產(chǎn)品。低溫處理的合金材料，其形狀記憶特性，特別是反復(fù)動(dòng)作的疲勞壽命要材料，其形狀記憶特性，特別是反復(fù)動(dòng)作的疲勞壽命要比中溫記憶處理的差。比中溫記憶處理的差。EXITEXITEXIT記憶熱處理記憶熱處理(3)時(shí)效處理時(shí)效處理時(shí)效處理就是經(jīng)過時(shí)效處理就是經(jīng)過80080010001000均勻化處理后，均勻化處理后，將其急劇冷卻，再放入將其急劇冷卻，再放入400400左右的溫度下經(jīng)歷幾個(gè)左右的溫度下經(jīng)歷幾個(gè)小時(shí)保溫的方法。因?yàn)槭抢昧诵r(shí)保溫的方法。因?yàn)槭抢昧薔iNi含量較多、有化含量較多、有化合物析出、造成析出硬化這一特點(diǎn)，所以時(shí)效記憶合物析出、造成析出硬化這一特點(diǎn)，所以時(shí)效記憶處理方法只對處理方法只對NiNi含量在含量在50.5at%50.5at%以上的合金才有效以上的合金才有效EXITEXITEXIT國內(nèi)研究生產(chǎn)狀況國內(nèi)研究生產(chǎn)狀況國內(nèi)的大連理工大學(xué)、華南