智能材料與形狀記憶材料綜述

第7章

智能材料與形狀記憶材料

智能材料是近年來在世界上興起并迅速發(fā)展的材料技術(shù)的一個新領(lǐng)域。7.1

智能材料7.1.1基本概念

設(shè)想：混凝土能自己發(fā)現(xiàn)混凝土大壩里的裂縫；玻璃能根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)的變化而自行改變透光率，使進(jìn)入室內(nèi)的陽光變暗或變亮；墻紙可以變化顏色以適應(yīng)不同環(huán)境；空中飛行的飛機(jī)能自行診斷其損傷狀態(tài)并自行修復(fù)。

仿生“活”的材料美國和日本科學(xué)家首先提出的。1989年日本高木俊宜教授將信息科學(xué)融于材料的特性和功能，提出智能材料(Intelligentmaterials)概念，它是指對環(huán)境具有可感知可響應(yīng)等功能的新材料。美國的R．E．Newnhain教授提出了靈巧(Smart)材料的概念，這種材料具有傳感和執(zhí)行功能，他將靈巧材料分為被動靈巧材料、主動靈巧材料和很靈巧材料三類。

智能材料是高技術(shù)新材料領(lǐng)域中正在形成的一門新的分支學(xué)科，是2l世紀(jì)的先進(jìn)材料，是當(dāng)前工程學(xué)科發(fā)展的國際前沿。智能材料是一門交叉學(xué)科，它的發(fā)展不僅是材料學(xué)科本身的需要，而且可以帶動許多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，如物理、化學(xué)、計(jì)算機(jī)、土木工程和航空航天的發(fā)展的。智能材料：是指能模仿生物體，同時具有感知和控制等功能的材料或結(jié)構(gòu)。它既能感知環(huán)境狀況又能傳輸、分析有關(guān)信息，同時作出類似有生命物體的智能反應(yīng)，如自診斷、自適應(yīng)或自修復(fù)等。

這種材料一般具有四種主要功能：①對環(huán)境參數(shù)的敏感；②對敏感信息的傳輸；③對敏感信息的分析、判斷；④智能反應(yīng)。早期的智能材料往往是一種材料集上述四種功能于一身，因此種類極少，而且適應(yīng)面很狹窄，功能單一?，F(xiàn)在對智能材料的四種功能分別進(jìn)行處理，分別按需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，制造多種性能優(yōu)越的智能材料。因此，智能材料往往不是研制一種材料使之具備多種智能特性，而是根據(jù)需要在所使用的基體材料中融入某種新的材料和器件，這種融入的材料或器件一般具有某種或多種智能特性，這樣使智能材料的性能和應(yīng)用得到了很大擴(kuò)展。

（1）敏感特性融入材料使新的復(fù)合材料能感知環(huán)境的各種參數(shù)及其變化。日本東京大學(xué)工學(xué)系開發(fā)出了世界第一個用來檢查核電站、高速公路、隧道等是否存在裂紋的光纖傳感器，靈敏度是過去檢測裝置的千倍以上，價格也很便宜。這種傳感器使用簡便，靈敏度高。只需將光纖制成的線圈貼在大樓、橋梁等物體的表面，如果這些被檢測物體存在裂紋，傳感器就會感知到由此產(chǎn)生的微小聲音和振動，光纖內(nèi)傳導(dǎo)的光信號波長會發(fā)生變化，分析這些變化就能發(fā)現(xiàn)裂紋的位置及開裂的程度。實(shí)驗(yàn)證明，不論裂紋位于建筑物表面、墻壁內(nèi)部還是地下深處，傳感器都能準(zhǔn)確地探測到。增加線圈的數(shù)量還能進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度。如果用玻璃纖維制成的光纖繞成線圈，傳感器的感知效果在600攝氏度的情況下仍然能夠保持不變，適合在核電站和高溫化工廠使用。日本發(fā)明光纖傳感器新華網(wǎng)（2003-02-1116:48:57）機(jī)械手柔性三三維運(yùn)動形狀記憶合金金通常使用的壓壓力傳感器主主要是利用壓壓電效應(yīng)制造造而成的，這這樣的傳感器器也稱為壓電電傳感器。壓壓電傳感器主主要應(yīng)用在加加速度、壓力力和力等的測測量中。壓電傳感器（2）傳輸輸特性智能材料不僅僅需要敏感環(huán)環(huán)境的各種參參數(shù)，而且需需要在材料與與結(jié)構(gòu)中傳遞各種信息息，其信息傳遞遞類似人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，不僅體積微小，而而且傳遞信息息量特大。目前用于智智能材料中信信息傳遞的方方法很多，最最常用的是用用光導(dǎo)纖維來傳遞信息。。（3）智能能特性智能特性是智智能材料的核心，也是智能材材料與普通功功能材料的主主要區(qū)別。要要求能分析、判斷其參數(shù)的性質(zhì)質(zhì)與變化，具具有自學(xué)習(xí)、、自適應(yīng)等功功能。由于計(jì)算機(jī)技技術(shù)的高度發(fā)發(fā)展，智能材材料與結(jié)構(gòu)的的智能特性已已經(jīng)或正在逐逐步實(shí)現(xiàn)，問問題的關(guān)鍵是如何將材料料敏感的各種種信息通過神神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸輸?shù)接?jì)算機(jī)系系統(tǒng)。兩種方法：一種是在大大型智能結(jié)構(gòu)構(gòu)系統(tǒng)中，將將智能材料敏敏感到的各種種參數(shù)傳感到到結(jié)構(gòu)體系的的普通計(jì)算機(jī)內(nèi)內(nèi)；另一種是在在智能材料中中埋入超小型電腦芯芯片。（4）自適應(yīng)應(yīng)特性是由智能材料料中的各種微型驅(qū)動系統(tǒng)統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。該系系統(tǒng)是由超小小型芯片控制制并可作出各各種動作，使使智能材料自自動適應(yīng)環(huán)境境中應(yīng)力、振振動、溫度等等變化或自行行修復(fù)各種構(gòu)構(gòu)件的損傷。。目前常用的微微型驅(qū)動系統(tǒng)統(tǒng)有形狀記憶憶合金，磁致致伸縮材料，，電流變體等等，尤其是電流變體材料料在自適應(yīng)材料料中的應(yīng)用特特別引人注目目。電流變體通常情況下，，我們看到的的液體變成固固體或固體變變成液體，只只與溫度和壓壓力有關(guān)。然然而，你能想想像出電流也也有這樣的作作用嗎？1947年，一個叫溫溫斯洛的美國國人發(fā)現(xiàn)了一一個奇怪的現(xiàn)現(xiàn)象。他把石石膏、石灰和和炭粉加在橄橄欖油中，然然后加水?dāng)嚦沙梢环N懸浮液液，想看看這這種懸浮液能能不能導(dǎo)電。。在試驗(yàn)中，，他意外地發(fā)發(fā)現(xiàn)，這種懸懸浮液沒有加加上電場時，，可以像水或或油一樣自由由地流動；可可是一加上電電場，就能立立即由自由流流動的液體變變成固體，而而且隨著電場場強(qiáng)度的增加加，固體的強(qiáng)強(qiáng)度也在增加加。當(dāng)撤消電電場時，它又又能立即由固固體變回液體體。由于這種種懸浮液可以以用電場來控控制，因此科科學(xué)家們就把把它叫做“電流變體”，并把這種種現(xiàn)象稱為““溫斯洛現(xiàn)象”。溫斯洛還還為此申請了了專利。電流變體（續(xù)續(xù)1）那么，電流變變體究竟有什什么用處呢？？人們最先想到到的是用它來來制造汽車的的離合器和剎剎車裝置。汽車司機(jī)都知知道，改變行行車速度要換換擋，而換擋擋至少也需要要幾秒鐘的時時間。遇到緊緊急情況剎車車時，司機(jī)猛猛踩剎車讓剎剎車片緊緊““抱住”旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的輪子，也也要用1秒鐘左右的時時間。可在這這1秒鐘之內(nèi)，就就有可能造成成車毀人亡的的慘劇。如果果用電流變體體做成離合器器或剎車裝置置，那么只需需千分之幾秒秒的時間，就就可以達(dá)到換換擋或剎車的的目的。因?yàn)闉椴患与妶鰰r時，電流變體體為液體，黏黏度很小，等等于汽車掛不不上擋；加上上電場后，電電流變體的黏黏度隨電場強(qiáng)強(qiáng)度的增加而而增大。當(dāng)電電流變體變成成固體時，主主動軸就和滑滑動輪結(jié)合成成一個整體，，就相當(dāng)于換換上了擋，而而這個過程只只需要千分之之幾秒的時間間。用電流變變體剎車的秘秘密就在于此此。近幾年，科學(xué)學(xué)界正在研究究有“感覺””和有“知覺覺”的仿生智智能材料，它它能隨外界環(huán)環(huán)境的變化而而自動調(diào)節(jié)其其功能，而電電流變體正好好在此可以發(fā)發(fā)揮作用。由由于電流變體體能隨電壓的的不同而改變變自身的強(qiáng)度度，所以能充充當(dāng)智能材料料的“肌肉””。因?yàn)橐皇故箘牛由想婋妷海┘∪饩途蜁冇?，肌肌肉一放松（（撤掉電壓））身子就變軟軟了。在美國，有的的科學(xué)家還用用電流變體，，研制出一種種能自動加固固的直升機(jī)水水平旋翼葉片片。在飛行中中，當(dāng)葉片突突然遇到疾風(fēng)風(fēng)而猛烈振動動有可能斷裂裂時，葉片中中事先加入的的電流變體就就會使直升機(jī)機(jī)葉片變成固固體，從而實(shí)實(shí)現(xiàn)自動加固固的目的。總之，電流變變體的應(yīng)用非非常廣泛，它它有可能開辟辟出一個新材材料世界。電流變體（續(xù)續(xù)2）（5）相容性性埋置的材料性性質(zhì)與原構(gòu)件件的材料基質(zhì)質(zhì)的性質(zhì)越相相近越好。（ⅰ）強(qiáng)度相容：埋置材料不不能影響原材材料的強(qiáng)度或或者說影響很很小。（ⅱ）界面相容：埋入材料的的表面和原材材料有相容性性。（ⅲ）尺寸相容：埋入材料或或器件和原材材料構(gòu)件相比比，體積應(yīng)很很小，不影響響原構(gòu)件特性性。（ⅳ）場分布相容：埋入材料與器件不不影響原材料料構(gòu)件各種場場分布特性，，如應(yīng)力場、、振動模態(tài)等等。7.1.2智能材料的研研究內(nèi)容智能材料是一一門綜合性的的邊緣科學(xué)，，它包括材料料科學(xué)、物理理、化學(xué)、計(jì)計(jì)算機(jī)仿生學(xué)學(xué)、機(jī)電工程程等多學(xué)科領(lǐng)領(lǐng)域，涉及內(nèi)內(nèi)容很多，主主要有下面幾幾方面內(nèi)容：：（1）基礎(chǔ)智能材料料研究（2）自診斷智能材材料的研究（3）自適應(yīng)智智能材料研究究下面就分別展展開敘述。（1）基礎(chǔ)礎(chǔ)智能材料研研究基礎(chǔ)智能材料料是智能器件件的基礎(chǔ)，許許多材料本身身就具有某些些“智能”特特性。例如：：材料的性能（顏色、形狀狀、尺寸、機(jī)機(jī)械特性等））隨環(huán)境或使用用條件的變化化而改變，具具有學(xué)習(xí)、診診斷和預(yù)見的的能力，以及及對信號的識識別和區(qū)分能能力。材料的結(jié)構(gòu)或成分可隨工作條件件變化，從而而具有一種對對環(huán)境自適應(yīng)應(yīng)、自調(diào)節(jié)的的功能。一些材料的電、光以及其其它物理或化化學(xué)性能隨外部條件的的不同而變化化，因而除了了具有識別和和區(qū)分信號、、診斷、學(xué)習(xí)習(xí)和刺激能力力外，還可發(fā)發(fā)展成具有動動態(tài)自動平衡衡及自維修的的功能。目前可用于智智能器件的智智能材料主要要有：形狀記憶智能能材料壓電智能材料料磁致伸縮智能能材料自組裝智能材材料光纖智能材料料電／磁流變液液智能材料（ⅰ）形狀記憶基礎(chǔ)礎(chǔ)智能材料是一類具有形形狀記憶功能能的材料。由于形狀記憶憶合金材料集自感知、自自診斷和自適適應(yīng)功能于一一體，故具有傳感器、處理理器和驅(qū)動器器的功能，是一一類具有特殊殊功能的智能能材料。人們不但可以以利用形狀記記憶合金來制制備各種智能能器件，而且且還可以用形形狀記憶合金金來進(jìn)行智能能材料設(shè)計(jì)，，并對智能材材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)進(jìn)行主動控制制。這就進(jìn)一一步拓寬了形形狀記憶合金金智能材料的的應(yīng)用領(lǐng)域。。記憶型鎳鈦牙牙弓絲（ⅱ）壓電基礎(chǔ)智能能材料壓電智能材料料是一類具有有壓電效應(yīng)的的材料。可實(shí)現(xiàn)傳感元件與動動作元件的統(tǒng)統(tǒng)一，從而可以有有效地用于材材料損傷自診診斷自適應(yīng)，，減振與噪聲聲控制等方面面。常用的壓電材材料主要是壓電陶瓷，而最近發(fā)展展的壓電復(fù)合合材料是將壓壓電陶瓷、聚聚合物按一定定的比例、連連通方式和空空間幾何分布布復(fù)合而成，，具有比常用用壓電陶瓷更更優(yōu)異的性能能。壓電陶瓷主動動控制驅(qū)動器器系統(tǒng)，在控控制坦克炮塔塔振動方面的的應(yīng)用，減輕輕了顫振。（ⅳ）磁致伸縮基礎(chǔ)礎(chǔ)智能材料磁致伸縮效應(yīng)應(yīng)是指磁性物物質(zhì)在磁化過過程中因外磁磁場條件的改改變而發(fā)生幾幾何尺寸可逆逆變化的效應(yīng)應(yīng)。也就是說，它它是一類具有有電磁能／機(jī)機(jī)械能相互轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換功能的材材料。磁致伸縮材料料通常分為金金屬磁致伸縮縮材料和稀土土-鐵(RFe2)超磁致伸縮材材料兩大類。。由于稀土-鐵(RFe2)超磁致伸縮材材料具有磁致伸縮縮值大、機(jī)械械響應(yīng)快、功功率密度大、、耦合系數(shù)高高的優(yōu)點(diǎn)，目目前這類材料料已廣泛用于于聲納系統(tǒng)，，大功率超聲聲器件、精密密定位控制、、機(jī)械制動器器，各種閥門門和驅(qū)動器件件等方面。（ⅴ）自組裝基礎(chǔ)智智能材料自組裝智能材材料是在特定定的基片上，通過化學(xué)學(xué)鍵、氫鍵或或靜電引力將將聚合物分子子或聚合物與與無機(jī)納米粒粒子的復(fù)合物逐層組組裝上去，以形成成單層、雙層層或多層自組組裝薄膜材料。近幾年來，靜靜電自組裝薄薄膜材料發(fā)展展很快。這種種材料具有薄薄膜厚度可精精確控制到分分子水平，薄薄膜與基體以以及薄膜與薄薄膜之間結(jié)合力強(qiáng)、薄薄膜厚度與成成分均勻等特點(diǎn)，在非非線性光學(xué)材材料、光學(xué)器器件等方面有有著重要的潛潛在應(yīng)用。（ⅵ）光纖基礎(chǔ)智能能材料光導(dǎo)纖維是一一種圓柱介質(zhì)質(zhì)光波導(dǎo)，它它能夠約束并并引導(dǎo)光波在在其內(nèi)部或表表面附近沿軸軸線方向向前前傳播。由于光纖具有有感測和傳輸雙重功能，并并且有直徑小小、柔韌易彎彎曲、質(zhì)量輕輕、抗電磁干干擾等優(yōu)點(diǎn)，，因此，光纖纖已成為一種種非常重要的的智能材料，，光纖傳感技技術(shù)則已成為為智能材料的的主要技術(shù)基基礎(chǔ)之一。光纖傳感技術(shù)術(shù)在智能材料料與結(jié)構(gòu)中主主要用于檢測測材料受力、、損傷情況，，結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)監(jiān)測及振動主主動控制等。。用光纖組成成的各種傳感感器可測量溫度、壓壓力、位移、、應(yīng)力、應(yīng)變變等多種物理量量，并具有極極高的靈敏度度。單纖雙向光纖纖收發(fā)器用用途■城域光纖寬帶網(wǎng)，適用于電信信、網(wǎng)通、廣廣電等數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商■■多媒體傳輸：圖像、話音音、數(shù)據(jù)綜合合傳輸、適用用于遠(yuǎn)程教學(xué)學(xué)、會議電視視、可視電話話等應(yīng)用■■實(shí)時監(jiān)控：實(shí)時控制信信號、圖像及及數(shù)據(jù)同時傳傳輸

■抗惡劣環(huán)境：適用于強(qiáng)電電磁干擾、遠(yuǎn)遠(yuǎn)距離的惡劣劣環(huán)境下組網(wǎng)網(wǎng)（2）自診診斷智能材料料的研究自診斷智能材材料是智能材材料中最簡單最基礎(chǔ)礎(chǔ)的一種形式。。它往往只具備備智能特性四四個主要特性性中的二種或三種，這一類智能能材料能接受受和響應(yīng)外部部環(huán)境參數(shù)的的變化，能夠夠自診斷內(nèi)部部運(yùn)行狀態(tài)，，如缺陷或損損傷等，并能能根據(jù)預(yù)先約約定給予報(bào)警警或傳輸有關(guān)關(guān)信息，但不具備驅(qū)動和和自適應(yīng)的功功能。例如對于結(jié)構(gòu)構(gòu)材料，人們們期望材料內(nèi)內(nèi)部的劣化和和損傷以及表表面的微細(xì)裂裂紋形成時，，能自行監(jiān)測測，在形成重重大事故或內(nèi)內(nèi)部變異之前前能夠有效地地預(yù)知或報(bào)警。（3）自適應(yīng)應(yīng)智能材料研研究自適應(yīng)智能材材料是一種完備的智能體系，，它具備智能能材料的四個個基礎(chǔ)屬性。。它不僅能接受受和響應(yīng)外部部的信息，而而且能自動改改變自身狀態(tài)態(tài)，以適應(yīng)外外部環(huán)境變化化。自適應(yīng)包括的的含義如：自我回復(fù)性(形狀和物理、、化學(xué)性能能能夠自動復(fù)原原)；自動調(diào)節(jié)性(能夠隨外部環(huán)環(huán)境的需要而而改變自身狀狀態(tài))；自我修復(fù)性(能根據(jù)自身損損傷狀態(tài)自我我修復(fù))等。（ⅰ）自回復(fù)形狀記憶智能材料就是是一種具有形形狀自回復(fù)功功能的智能材材料。無論將將該材料拉伸伸或彎曲成何何種復(fù)雜形狀狀，只要一加加熱，又回復(fù)復(fù)到原來的初初始形狀。其其原理是利用用了馬氏體相相變，受力后后材料內(nèi)晶格格發(fā)生扭曲變變形而顯示出出塑性形變，，受熱獲得能能量后晶格自自動回復(fù)原狀狀。這種形狀狀記憶材料，，已經(jīng)應(yīng)用于于大型鋼管使使其結(jié)合精密密和牢固。自潔凈功能的的溫度和氣體體傳感器：日本人研制的的一種能夠在在所測試的環(huán)環(huán)境氣體受污污染后隨時自自動恢復(fù)其新新鮮潔凈的表表層和界面。。其原理是利用用CuO／ZnO兩種陶瓷片緊緊密接觸制成成氣體傳感器器，碳?xì)浠衔镌谝粋?cè)被吸附附和分解，在在另一側(cè)被還還原而離開元元件材料表層層，使材料表表面總能接觸觸到最新進(jìn)入入的被檢氣體體，縮短了傳傳感器的響應(yīng)應(yīng)時間，解決決了以往的氣氣體傳感器中中毒劣化的問問題，提高了了檢測的準(zhǔn)確確性，增加了了使用壽命。。（ⅱ）自調(diào)節(jié)節(jié)一般材料的電電阻是恒定的的。電流與電電壓的關(guān)系服服從歐姆定律律。但是，有些陶陶瓷材料的電電阻隨著電壓壓而變化，例例如ZnO等，稱為可變電阻。它具有根據(jù)據(jù)外部電壓的的大小而改變變自身電阻的的能力，故被被列入智能材材料范疇。它能用作智能能性電路開關(guān)；用這種可變變電阻制作成成加熱元件時，可以自動動控制自己的的加熱溫度。。這種本身具有有控溫能力的的材料已成為為高級轎車空空調(diào)的核心元元件。光致變色玻璃璃（光色玻璃）也也是一種能自自行調(diào)節(jié)透光光性能的智能能材料。利用用Ag0－Ag+化學(xué)狀態(tài)之間間的轉(zhuǎn)換，能能夠自動屏蔽蔽強(qiáng)的光線。。最近的所謂謂智能窗，就是利用光能能-電能之間間轉(zhuǎn)換，形成成能屏蔽光線線的大型透明明窗口或者能能夠顯示亮度度和色彩的顯顯示屏幕。（一）彩色裝裝飾玻璃：國內(nèi)首創(chuàng)新新產(chǎn)品，填補(bǔ)補(bǔ)國內(nèi)空白，，主要用于各各種樓、堂、、館、所及廣廣告裝飾，具具有色澤鮮艷艷，光彩照人人，反射性能能強(qiáng)，能拼湊湊成各種圖案案，永不褪色色等特點(diǎn)。目目前，該產(chǎn)品品全部出口東東南亞地區(qū)，，深受外商青青睞。（二）工業(yè)用用濾色玻璃、、光學(xué)儀器玻玻璃：主要用于各各種儀器儀表表盤的濾色防防護(hù)，有幾十十種顏色規(guī)格格。自調(diào)節(jié)智能材材料的另一有有趣實(shí)例，就就是能夠使藥物定位投放放。日本科學(xué)家家已經(jīng)研制一一種微細(xì)膠囊囊物質(zhì)材料，，能夠?qū)⑺幬镂锇髱У降缴眢w的病變變部位。在病病變部位膠囊囊物質(zhì)表皮自自行破裂而釋釋放出藥物，，醫(yī)治病變細(xì)細(xì)胞。這種定向投藥藥原理，用于于農(nóng)藥和化肥肥在酸堿土壤壤中的定位投投放，能提高高效率，降低低成本，減少少污染，是農(nóng)農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展展的方向。（ⅲ）自適應(yīng)性和自自修復(fù)性研究得比較多多的是使材料表層的形形狀和厚度能根據(jù)需要隨隨時自動形成。人體皮膚的的自適應(yīng)性。。如：鈦鋁合金金是用于高溫發(fā)發(fā)動機(jī)的重要要高溫材料，，高溫使用時時，氧化皮層層容易裂開和和脫落，人們們通過加入一一些物質(zhì)到材材料中，在表表皮發(fā)生裂紋紋時，能及時時擴(kuò)散進(jìn)表皮皮的裂紋傷口口內(nèi)，充填裂裂紋，并逐漸漸隆起形成致致密的抗氧化化層而保護(hù)材材料肌體部件件。又如：在高溫溫真空器件的的不銹鋼中，，加入B和N元素，在進(jìn)入入使用狀態(tài)后后，B和N會向表層擴(kuò)散散并相互結(jié)合合形成一層致致密的BN高溫陶瓷保護(hù)護(hù)層，保護(hù)層是材材料中“自生生”出來的，，在成分和結(jié)結(jié)構(gòu)上與基底底之間逐漸過過渡，所以結(jié)結(jié)合非常牢固固。這一舉解解決了以往的的陶瓷涂層容容易剝落的問問題。7.2形狀記憶材料料形狀記憶效應(yīng)應(yīng)形狀記憶合金金形狀記憶陶瓷瓷形狀記憶聚合合物7.2.1形狀記憶效應(yīng)應(yīng)具有一定形狀（初初始形狀）的固體材料，，在某一低溫溫狀態(tài)下經(jīng)過過塑性變形后（另一形狀），通過加熱到這種材料固固有的某一臨臨界溫度以上上時，材料又又恢復(fù)到初始形形狀，這種效應(yīng)稱稱為形狀記憶憶效應(yīng)。圖7-2-1形狀記憶效應(yīng)應(yīng)示意圖對于普通金屬屬材料，受到到外力作用時時，當(dāng)應(yīng)力超超過屈服強(qiáng)度度時，產(chǎn)生塑塑性變形，應(yīng)應(yīng)力去除后，，塑性變形永永久保留下來來，不能恢復(fù)復(fù)原狀。形狀記憶效應(yīng)應(yīng)，如左圖，，材料加載過過程中，應(yīng)變變隨應(yīng)力增加加，OA段為彈性變形形的線性段，，AB為非線性段，，由B點(diǎn)卸載時，殘殘余應(yīng)變?yōu)镺C，將此材料在在一定溫度加加熱，則殘余余應(yīng)變降為零零，材料全部部恢復(fù)原狀。。形狀記憶材料料(shapememorymaterials，簡稱SMM)：是指具有一定定初始形狀的的材料經(jīng)形變變并固定成另另一種形狀后后，通過熱、、光、電等物物理刺激或化化學(xué)刺激的處處理又可恢復(fù)復(fù)成初始形狀狀的材料。形狀記憶效應(yīng)應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和發(fā)發(fā)展：1951年，應(yīng)用光學(xué)學(xué)顯微鏡觀察察到：Au47.5at％Cd合金中，低溫溫馬氏體相和和高溫母相之之間的界面，，隨溫度下降降向母相推移移（母相->馬氏體），隨隨溫度上升又又向馬氏體推推移（逆相變變：馬氏體->母相），這是是最早觀察到到形狀記憶效效應(yīng)的極端例例子。但沒有有命名，也沒沒有引起功能能應(yīng)用的重視視。1964年布赫列等人人發(fā)現(xiàn)Ni－Ti合金具有優(yōu)良良的形狀記憶憶性能，并研研制出實(shí)用的的形狀記憶合合金Nitinol。命名并發(fā)展展。20世紀(jì)70年代以來已開開發(fā)出Ni－Ti基形狀記憶合合金、Cu－Al－Ni基和Cu－Zn－Al基形狀記憶合合金；80年代開發(fā)了Fe－Ni－Co－Ti基和Fe－Mn－Si基形狀記憶合合金。迄今為止，已已有10多個系列的50多個品種。這這些形狀記憶憶合金廣泛應(yīng)應(yīng)用于航空、、航天、汽車車、能源、電電子、家電、、機(jī)械、醫(yī)療療和建筑等行行業(yè)。除合金外，也也發(fā)現(xiàn)在一些些非金屬材料料如高聚物和和陶瓷中也有有形狀記憶現(xiàn)現(xiàn)象。形狀記憶合金金(shapememoryalloys簡稱SMA)：是通過熱彈性性與馬氏體相相變及其逆變變而具有形狀狀記憶效應(yīng)的的由兩種以上上金屬元素所所構(gòu)成的材料料。形狀記憶合金金是目前形狀狀記憶材料中中記憶性能最最好的材料。。已已發(fā)現(xiàn)10系列50多種。按照合金組成成和相變特征征，具有較完完全形狀記憶憶效應(yīng)的合金金可分為3大系列：鈦-鎳系銅銅基系鐵鐵基系7.2.2形狀記憶合金金形狀記憶合金金的應(yīng)用SMA可做成單向形形狀恢復(fù)元件件和雙向形狀狀恢復(fù)動作元元件和擬彈性性元件，在很很多領(lǐng)域具有有廣泛的應(yīng)用用前景。（1）連接緊固件件如管接頭、緊緊固圈、連接接套管和緊固固鉚釘?shù)萐MA連接件結(jié)構(gòu)簡簡單、重量輕輕、所占空間間小，并且安安全性高、拆拆卸方便、性性能穩(wěn)定可靠靠。其中管接頭是是SMA最成功的應(yīng)用用之一，如圖圖7-2-2：圖7-2-2形狀記憶合金金管接頭使用用示意圖Ti－Nialloya待接管b記憶處理管接接頭c擴(kuò)徑后d套管e加熱完成接管管待接管外徑為為Φ，內(nèi)徑為Φ(1-4％)TiNi合金經(jīng)過單向記憶憶處理后，在在低溫下(<Mf)擴(kuò)孔為Φ(1+4％)，擴(kuò)孔潤滑劑劑聚乙烯薄膜膜。保持低溫溫，插入被接接管，去掉保保溫材料，室室溫時，內(nèi)徑徑恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)管路緊固連連接。圖7-2-3Ni-Ti-Nb寬滯記憶合金管接接頭與傳統(tǒng)連連接的比較最初管接頭所所采用的合金金為Ni-Ti和Ni-Ti-Fe合金，安裝前前必須保存在在液氮中，實(shí)實(shí)際應(yīng)用很不不方便。后來開發(fā)了Ni-Ti-Nb寬滯后形狀記記憶合金，經(jīng)經(jīng)適當(dāng)變形處處理相變滯后后，制成的管管接頭可以在在常溫下儲存存和運(yùn)輸，十十分方便。圖7-2-4記憶合金同軸軸電纜緊固圈圈美國Rachem公司研制生產(chǎn)產(chǎn)了Ni-Ti-Nb寬滯后記憶合合金同軸電纜纜緊固圈。由由絲材焊接而而成，表面涂涂有一層可隨隨溫度改變顏顏色的化學(xué)涂涂料，安裝前前可在常溫下下保存，安裝裝時用小型加加熱器加熱到到涂料改變顏顏色即可。這種緊固圈在在美國通信工工程和信號裝裝置中已廣泛泛應(yīng)用。與其其它機(jī)械緊固固法相比：體體積小、重量量輕、安裝方方便、連接無無漏絲、安全全可靠。圖7-2-5形狀記憶合金金緊固鉚釘工程中常用鉚鉚釘和螺栓進(jìn)進(jìn)行緊固，但但有時候操作作困難，例如如在密閉真空空中很難進(jìn)行行操作，可以以用SMA緊固鉚釘方便便的實(shí)現(xiàn)緊固固。尾部處理成記記憶開口狀，，緊固前，把把鉚釘在干冰冰中冷卻后把把尾部拉直，，插入被緊固固件的孔中，，溫度上升產(chǎn)產(chǎn)生形狀恢復(fù)復(fù)，鉚釘尾部部叉開實(shí)現(xiàn)緊緊固。（2）飛行器用天天線圖7-2-6人造衛(wèi)星天線線的示意圖由Ti-Ni合金板制成的的天線能卷入入衛(wèi)星體內(nèi)，，當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入入軌道后，利利用太陽能或或其它熱源加加熱就能在太太空中展開。。圖7-2-7形狀記憶合金金月面天線的的自動展開示示意圖美國字航局(NASA)利用Ti-Ni合金加工制成成半球狀的月月面天線，先先加以形狀記記憶熱處理，，壓成一團(tuán)，阿波羅運(yùn)載載火箭送上月月球表面，小小團(tuán)天線受太太陽照射加熱恢復(fù)原狀狀，即構(gòu)成正常常運(yùn)行的半球球狀天線，用于通訊。（3）驅(qū)動元件利用記憶合金金在加熱時形形狀恢復(fù)的同同時其恢復(fù)力力可對外作功的特性，制成成各種驅(qū)動元元件。這種驅(qū)動機(jī)構(gòu)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，，靈敏度高，，可靠性好。。圖7-2-8記憶合金空間間有用載荷釋釋放機(jī)構(gòu)安裝前，記憶憶合金驅(qū)動器器被軸向壓縮；釋放時，加熱記憶合金驅(qū)動動器，驅(qū)動器器恢復(fù)原長而產(chǎn)生足夠的的軸向拉力拉斷缺口螺栓栓，使有用載載荷釋放。1994年2月3日，美國在Clementine航天器上，用用該機(jī)構(gòu)在15s內(nèi)成功釋放了了4只太陽能板。。圖7-2-9形狀記憶溫控控閥記憶合金絲可可以制成圓柱柱形螺旋彈簧簧作為熱敏驅(qū)驅(qū)動元件。其其特點(diǎn)是利用用形狀記憶特特性，在一定定溫度范圍內(nèi)內(nèi)，產(chǎn)生顯著著的位移或力力的變化。SMA溫控閥原原理：當(dāng)當(dāng)溫度升升到一定定溫度時時，形狀狀記憶彈彈簧克服服偏壓彈彈簧的壓壓力，產(chǎn)產(chǎn)生位移移打開閥閥門，當(dāng)當(dāng)溫度降降低時，，偏壓彈彈簧壓縮縮形狀記記憶彈簧簧，使閥閥門關(guān)閉閉。目前，我我國已在在熱水器等等設(shè)備上上裝有Cu-Zn-Al記憶元件件。機(jī)械手柔柔性三維維運(yùn)動（4）醫(yī)學(xué)應(yīng)應(yīng)用醫(yī)學(xué)領(lǐng)域域的記憶憶合金除除了具備備所需要要的形狀狀記憶或或超彈性性外，還還必須滿滿足化學(xué)學(xué)和生物物學(xué)等方方面的可可靠性，，只有那那種與生生物體接接觸后會會形成穩(wěn)穩(wěn)定性很很強(qiáng)的鈍鈍化膜的的合金才才可以進(jìn)進(jìn)入生物物體內(nèi)。。在現(xiàn)有的的SMA中，僅有有TiNi合金滿足足條件，，是目前前醫(yī)學(xué)上上使用的的惟一的的記憶合合金。我國率先先于20世紀(jì)80年代初，，成功將將TiNi合金應(yīng)用用于臨床床，最早早在口腔腔和骨科科得到應(yīng)應(yīng)用，其其后推廣廣到醫(yī)學(xué)學(xué)各領(lǐng)域域。我國國在臨床床應(yīng)用上上處于國國際領(lǐng)先先水平。。圖7-2-10Ti-Ni合金做成成的薄板板型牙根根結(jié)構(gòu)在牙齒矯矯形手術(shù)術(shù)中，傳傳統(tǒng)使用用不銹鋼鋼和Co－Cr合金絲，，后用Ti-Ni加工硬化化后的合金（超超彈性））取代不不銹鋼絲絲（1978年）。1984年日本采采用Ti-NiSMA成功研制制出薄板板結(jié)構(gòu)型型牙根，，下圖。。低溫下下使牙根根端部合合并，埋埋入顎骨骨后，用用高頻感感應(yīng)熱或或在口腔腔內(nèi)灌入入熱生理理鹽水，，使Ti-NiSMA上升到42度，這時時牙根端端部向兩側(cè)張張開30°，其結(jié)合合力比原原來方法法提高了了40％。圖7-2-11Ti-Ni形狀狀記記憶憶合合金金鋸鋸齒齒臂臂環(huán)環(huán)抱抱內(nèi)內(nèi)固固定定器器(a)環(huán)抱抱器器由由體體部部、、臂臂部部和和鋸鋸齒齒部部組組成成(b)環(huán)抱抱器器橫橫截截面面c)圓柱柱形形環(huán)環(huán)抱抱器器(上)、圓圓錐錐形形環(huán)環(huán)抱抱器器(下)1994年，，有有人人研研制制出出上上圖圖內(nèi)內(nèi)固固定定器器用用于于治治療療長長管管骨骨折折。。這這種種環(huán)環(huán)抱抱器器具具有有良良好好的的抗抗彎彎和和抗抗扭扭作作用用，，對對壓壓縮縮應(yīng)應(yīng)力力的的對對抗抗作作用用明明顯顯低低于于接接骨骨板板，，有有利利于于促促進(jìn)進(jìn)骨骨折折愈愈合合和和減減小小固固定定后后骨骨質(zhì)質(zhì)疏疏松松，，為為長長骨骨干干骨骨折折提提供供了了一一種種新新的的有有效效治治療療手手段段。。7.2.3形狀狀記記憶憶陶陶瓷瓷最先先報(bào)報(bào)道道具具有有形形狀狀記記憶憶效效應(yīng)應(yīng)的的陶陶瓷瓷（（澳澳大大利利亞亞Swain，1986年））：：氧氧化化鎂鎂部部分分穩(wěn)穩(wěn)定定氧氧化化鋯鋯（（Mg-PSZ）的的彎彎曲曲試試驗(yàn)驗(yàn)。。圖7-2-129.4％molMgO-PSZ的形形狀狀記記憶憶效效應(yīng)應(yīng)(示意意圖圖)200MPa拉應(yīng)應(yīng)力力載載荷荷，，100℃/h加熱熱至至800℃保溫溫2h，然然后后同同速速冷冷卻卻后后發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)：：a)燒結(jié)結(jié)態(tài)態(tài)試試樣樣；；b)熱處處理理試試樣樣(1100℃××9h)；將b）在在無無載載荷荷作