第十一章智能材料與結構

第十一章智能材料與結構1第一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五自1998年美國弗吉尼亞大學召開了關于“智能材料結構和數(shù)學問題”專題學術討論會以來，智能材料系統(tǒng)的研究成為材料科學與工程的熱點之一，有人甚至稱21世紀是智能材料的世紀，目前美國已有幾十家公司經(jīng)營智能材料結構的產(chǎn)品。人們之所以如此關注智能材料系統(tǒng)是因為它在建筑、橋梁、水壩、電站、飛行器、空間結構、潛艇等振動、噪聲、形狀自適應控制、損傷自愈合等方面具有良好的應用前景。第二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)智能材料的概念及分類智能材料結構的誕生有著一定的背景。80年代末期，復合材料普遍使用，為解決它的強度和剛度變化等問題，使得驅動元件和傳感件較為容易地融合進入材料，組成整體，從而具有多種用途，同時驅動元件和傳感件材料的發(fā)展以及材料集成技術上的突破，也促進了智能材料結構的出現(xiàn)。材料科學的發(fā)展，使得人們對機械、電子、動作等材料的多方面性能耦合進行研究，微電子技術、總線技術及計算機技術的飛速發(fā)展，解決了信息處理和快速控制等方面的難題，這些都為智能材料結構的出現(xiàn)提供了有利條件。第三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五1.1智能材料的概念及其特點智能材料系統(tǒng)和結構的有關名稱定義目前尚不統(tǒng)一，但一般智能材料系統(tǒng)都應該具有敏感、處理、執(zhí)行三個主要部分。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構(思考和處理的功能)，實現(xiàn)自我指令和自我執(zhí)行(執(zhí)行功能)的新型材料。第四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五該材料具有模仿生物體的自增值性、自修復性、自診斷性、自學習性和環(huán)境適應性。將具有仿生命功能的材料融合于基體材料中，使制成的構件具有人們期望的智能功能，這種結構稱為智能材料結構。它是一個類似于人體的神經(jīng)、肌肉、大腦和骨骼組成的系統(tǒng)，而基體材料就相當于人體的骨骼。第五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五而智能材料是能夠感知環(huán)境變化，通過自我判斷和結論，實現(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、宇宙、海洋科學技術等領域。它的研究開發(fā)孕育著新一代的技術革命。智能化將成為21世紀高分子材料的重要發(fā)展方向之一。第六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五例如光導纖維、形狀記憶合金和鎵砷化合物半導體控制電路埋入復合材料中，光導纖維是傳感元件，能檢測出結構中的應變和溫度，形狀記憶合金能使結構動作，改變性狀，控制電路根據(jù)傳感元件得到的信息驅動元件動作。因此融合于材料中的傳感元件相當于人體的神經(jīng)系統(tǒng)，具有感官功能，驅動元件相當于人體的肌肉，控制系統(tǒng)相當于人的大腦。智能材料與普通功能材料的區(qū)別如圖11－1所示。第七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五1.2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非金屬系、智能材料及高分子系智能材料。第八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五金屬系智能材料由于其強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)中作為結構材料。金屬材料在使用過程中會產(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自身的損傷，而且可將其抑制，具有自修復功能，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合材料兩大類。第九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五無機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。目前此類智能材料在電流變流體、壓電陶瓷光質變色和電質變色材料等方面發(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性高分子凝膠的研究和開發(fā)非?；钴S，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合材料等。根據(jù)結構來分，智能材料結構可以分成兩種類型，分述如下：第十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五（1）嵌入式智能材料在基本材料中嵌入具有傳感、動作和控制處理功能的三種原始材料，傳感元件采集和檢測外界給予的信息，控制處理器指揮驅動元件執(zhí)行相應的動作。第十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五

（2）材料本身具有一定的智能功能

某些材料微結構本身具有智能功能，能夠隨著環(huán)境和時間改變自己的性能，例如自濾波玻璃和受輻射時能自衰減的InP半導體等。第十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)智能材料結構的信息處理方法

圖11-2是智能結構的動作流程圖。首先識別外界參數(shù)，通過分析、判斷，然后行動。其中行動是依靠埋入材料中的驅動元件來實現(xiàn)，它能夠自適應的改變結構形狀、剛度、位置、應力狀態(tài)、固有頻率、阻尼摩擦阻力等。第十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五對驅動元件的要求是：（1）驅動元件應能和結構基體材料很好結合，具有高的結合強度；（2）驅動元件本身的靜強度和疲勞強度要高；（3）激勵驅動元件動作的方法要簡單和安全，對結構基體材料無影響，激勵的能量要?。坏谑捻?，共九十六頁，編輯于2023年，星期五（4）激勵后的變形量要大，并能伴隨著產(chǎn)生激勵力，而且能夠控制；（5）驅動元件在反復激勵下，保持性能穩(wěn)定；（6）驅動元件的頻率響應要寬，響應速度快，并能控制。第十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五正在研究和使用的驅動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。當前的驅動元件還不能全部滿足上述要求，只能在幾個方面具有特點，也就是每種驅動元件都有他們的特色，但也存在問題。第十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五（1）提高驅動元件本身的性能，滿足上述六條要求；（2）

改善驅動元件的激勵方法；（3）

研究多種激勵元件組合使用的方法，達到取長補短的目的；（4）

研究新型的復合驅動元件；（5）研究驅動元件在材料中的布置方案。第十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五傳感器、致動器和控制器是智能結構的重要部分。傳感器要求有高度感受結構力學狀態(tài)的能力，在振動系統(tǒng)中即能把位移、速度或加速度等信號轉換成電信號輸出，它直接反應實時的振動狀態(tài)，所以它必須有足夠的可靠性、敏感性和較高的反應速度，以便能迅速、準確地得到振動信息；另外，還要求其具有體積小，易于集成的特點。第十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五致動器是執(zhí)行信息處理單元發(fā)出的控制指令，并按照規(guī)定的方式對外界或內部狀態(tài)和特性變化作合理的反應，直接將控制器輸出的電信號轉變?yōu)榻Y構的應變或位移，具有改變智能結構形狀、位置及其它機械特性的能力?？刂破魑挥诮Y構之中，由具有控制功能的硬件電路或電腦芯片與軟件組成，是智能結構的神經(jīng)中樞。第十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五智能結構的設計中首先要明確應用目標，然后分析控制目標的具體要求，確定智能結構中復合材料的控制輸入和輸出的形式。最關鍵的問題是必須運用已知材料的特性、振動理論以及自動控制理論，建立合理的數(shù)學模型，構建控制系統(tǒng)，并選擇有效的控制策略。第二十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié)智能材料結構中的驅動元件及形狀記憶合金20世紀90年代以來，研究方向傾向民用，特別是智能土建結構的研究與發(fā)展，加速了智能材料與結構的全面發(fā)展，這一時期國際上各種學術研討會也特別多，在美國、日本、法國、德國、意大利等國都召開了學術會議或是專題學術研究會。第二十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五3.1智能材料結構中的驅動元件目前研究投入較多的智能材料的驅動元件主要有作為執(zhí)行器的開關記憶材料（含形狀記憶合金、陶瓷、薄膜三個類型）；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。利用這些材料的功能，加上精細的復合設計和制作便得到聚傳感、驅動和控制于一體的智能材料。第二十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五壓電材料在受到應力作用時會產(chǎn)生電荷分布，同樣在壓電材料上外加電壓時，會發(fā)生形變，成為逆壓電效應，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、鈦酸鋇等和有機聚合物壓電材料如片聚二氟乙烯樹脂（PVDF）。在同樣單位應力作用下，有機聚合物壓電材料產(chǎn)生的電場強度要比陶瓷壓電材料大若干倍。同時具有較優(yōu)良的加工性能，制備智能材料不受形狀的限制，因此有機聚合物壓電材料更適合制備智能材料。第二十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五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合制成熱釋電復合材料、電光復合材料以及半導體鐵電纖維，壓電纖維的主要應用就是制成壓電復合材料，集傳感與驅動于一體。第二十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五3.2形狀記憶材料及性能形狀記憶合金是智能材料結構中最先應用的一種驅動元件,它集感知和驅動于一體。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。當材料加熱時，材料的殘余形變消失，并回復到高溫下所固有的形狀。第二十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五再進行加熱或冷卻時，形狀保持不變，這就是所謂的形狀記憶效應(ShapeMemoryEffect),就象合金記住了高溫狀態(tài)的形狀一樣。具有形狀記憶效應的金屬通常是兩種以上金屬的合金，稱為形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloys,SMA.)。第二十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五材料在高溫下制成特定形狀，在低溫任意變形，加熱時再恢復為高溫形狀，重新冷卻還保持高溫時的形狀時，我們稱之為單程記憶效應。例如目前國內商品化的NiTi形狀記憶合金絲，在低溫馬氏體組織時，加外力使合金應變<8%后，對材料加熱，溫度超過馬氏體相變點時，形狀回復率可達100％。第二十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，形狀記憶特性會衰減，存在一個疲勞壽命。當回復變形在2％以下時，疲勞壽命為105次，對于埋入構件基體材料中的形狀記憶合金的初始變形很大，但回復量很小，因此它的疲勞壽命可達107次。第二十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五對材料進行特殊的處理，使材料能夠記住高溫和低溫狀態(tài)的兩種形狀，即加熱時恢復高溫形狀，低溫時恢復低溫形狀，我們稱之為雙程形狀記憶效應或可逆形狀記憶效應。例如對NiTi合金經(jīng)過一定的熱處理訓練，不僅在馬氏體逆相變過程中能完全回復到變形前的狀態(tài)，而且在馬氏體相變過程中也會自發(fā)地發(fā)生形狀變化，回復到馬氏體狀態(tài)的形狀，而且反復加熱冷卻都會出現(xiàn)上述現(xiàn)象。第二十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五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400～500C進行時效處理，去除約束后的形狀如圖11-3(a)所示；第三十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五當試件冷卻到Mf’時，形狀接近直線狀態(tài)，如圖11-3(b)；冷卻到Mf以下時，試件的形狀發(fā)生180C翻轉，如11-3(c)所示；加熱到Af和Af’以上時，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。第三十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五圖11-4（a）是一般金屬材料的應力應變曲線，當應力超過彈性極限，卸除應力后，留下永久變形，不會回復原狀；圖11-4（b）是超彈性材料的應力應變曲線，超過彈性極限后應力誘發(fā)母相形成馬氏體，當應力繼續(xù)增加時，馬氏體相變也繼續(xù)進行，當應力降低時，相變按逆向進行，即從馬氏體轉向母相，永久變形消失這種現(xiàn)象叫超彈性記憶小效應（PME）；第三十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五圖11-4（c）是合金母相在應力作用下誘發(fā)馬氏體，并發(fā)生形狀變化，去除應力后，除彈性部分外，形狀并不回復原狀，但通過加熱產(chǎn)生逆變，便能恢復原形。這種現(xiàn)象叫作形狀記憶效應（SME）。第三十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五形狀記憶效應是由于馬氏體相變造成的。除鋼鐵外，大多數(shù)合金中的馬氏體相變是可逆的，即冷卻時由母相P轉變?yōu)轳R氏體相M，即PM，加熱時馬氏體相M又逆向轉變?yōu)槟赶郟，即MP。根據(jù)熱力學觀點，母相與馬氏體的化學自由能在T0溫度時相等，不發(fā)生轉變，必須溫度低于T0，母相才有轉變?yōu)轳R氏體的趨勢，同時還必須克服非化學自由能增量和相變時存在的相變阻力，即溫度冷到Ms馬氏體相變才開始進行。第三十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五隨著溫度下降，馬氏體量會逐漸增多，直到Mf溫度時，馬氏體轉變才終止。同樣理由，馬氏體要可逆的轉為母相，加熱溫度必須高于T0溫度，而且要加熱至As溫度時，母相才開始形成，直至Af溫度逆變才完成。第三十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五通常稱：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。第三十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五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)療設備、航空、航天、儀器儀表、機器人、自動控制以及人造衛(wèi)星、能量轉換等領域。近年來在陶瓷材料、超導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，引起了世界各國學者的廣泛關注。第三十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五3.2.1形狀記憶合金形狀記憶合金是研究最早的一種材料，它的操作功能主要分為5個方面。（1）單程記憶效應：在低于Mf溫度之下時，加壓力樣品變形，去掉壓力時不能完全恢復，當加熱到Af之上時殘存的形變才能恢復。（2）雙程記憶合金效應，當溫度冷卻到Mf之下時自發(fā)的形變產(chǎn)生，當溫度再升到Af之上時形變恢復。第三十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五（3）形變恢復應力，在Mf溫度下樣品受壓變形，去掉壓力，保持在位置上再加熱，這時恢復應力產(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，形變應力產(chǎn)生并且做功，稱為功輸出。（5）超彈性或偽彈性效應，在Af溫度之上時，加較大壓力時樣品變形從A到B，當壓力卸載后樣品的形變又完全恢復。第三十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五形狀記憶合金這些特有的功能與外界溫度和內部的馬氏體相應密切相關。例如從高溫到低溫的滯回線，應力—溫度的關系，應力—壓力的關系，以及應力—壓力—溫度三者之間的關系。第四十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五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，如Ni—Ti、Ni—Ti—Cu、Cu—Zn—Al合金體系，接近商品化的Cu—Al—Ni和Fe—Mn—Si合金體系，而具有潛在應用的體系有Ni—Al和Ni—Ti—Zi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Ni—Ti合金是最具有使用價值的，有人做過數(shù)百萬次實驗，發(fā)現(xiàn)其恢復性能仍然保持。第四十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五1．TiNi形狀記憶合金等原子比的TiNi合金是應用的最早的形狀記憶合金，其中Ni元素的質量分數(shù)為55～56％。根據(jù)使用目的不同可選用適當?shù)暮辖鸪煞帧Ｋ阅軆?yōu)越，穩(wěn)定性好，具有特殊的生物相容性，因而得到廣泛的應用,特別在醫(yī)學與生物上的應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。第四十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五在材料使用過程中，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)出的形狀恢復程度，回復應力，使用中的疲勞壽命，即經(jīng)歷一定熱循環(huán)或應力循環(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。第四十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五TiNi記憶合金的相變溫度對成分最敏感。Ni含量每增加0.1%，相變溫度會降低10C。第三元素對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值。第四十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五為獲得記憶效應,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之間加熱保溫數(shù)分鐘到數(shù)小時(定形處理)后空冷，就可獲得較好的綜合性能。對于冷加工后成形困難的材料，可以在800以上進行高溫退火，這樣在室溫極容易成形，隨后于200-300保溫使之定形.此種在較低溫度處理的記憶元件及形狀回復特性較差。第四十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五富Ni的TiNi合金需要進行時效處理,一則為了調節(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時效處理若干時間(通常為5001小時).隨著時效溫度的提高或時效時間的延長,相變溫度Ms相應下降.此時的時效處理就是定型記憶過程。第四十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五為了使合金式樣反復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),最常用的方法是進行記憶訓練(又稱鍛煉)。首先如同單向記憶處理那樣獲得記憶效應,但此時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行一定限度的可以回復的形狀。第四十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五加熱到Af以上溫度,試件回復到高溫態(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,如此反復多次后,就可獲得雙向記憶效應,在溫度升降過程中,試件均可自動的反復記憶高低溫時的二種形狀。這種記憶訓練實際上就是強制變形。第四十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五對于Ti-51%(原子分數(shù))Ni合金不僅具有雙向記憶性能,而且在高溫與低溫時,記憶的形狀恰好是完全逆轉的。這是由于與基體共格的Ti11Ni14析出相產(chǎn)生的某種固定的內應力所致。第四十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五無論上述何種記憶處理,為了保持良好的形狀記憶特性,其變形的應變量不得超過一定值,該值與元件的形狀、尺寸、熱處理條件、循環(huán)使用次數(shù)等有關,一般為6％(不包括全方位記憶處理).同時在使用中,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。第五十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五2.銅基形狀記憶合金盡管形狀記憶合金具有強度高、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用受到一定限制。因而近二十年來銅基形狀記憶合金的應用較為活躍,但需要解決的主要問題是提高材料塑性改善對熱循環(huán)和反復變形的穩(wěn)定性及疲勞強度等。第五十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五銅基形狀記憶合金的相變溫度對合金成分和處理條件極敏感。例如Cu-14.1Al-4.0Ni合金在1000固熔后分別淬入溫度為10與100介質中,其合金的Ms對應為-11與60。因此實際應用中,可以利用淬火速度來控制相變溫度。第五十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五無論是CuZnAl還是CuAlNi合金,相變溫度對Al含量都很敏感。CuAlNi等銅基合金在反復使用中，較易出現(xiàn)試樣斷裂現(xiàn)象，其疲勞壽命比NiTi合金低2-3個數(shù)量級。第五十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五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，為了保持應變的連續(xù)性，必會產(chǎn)生應力集中，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等方法使合金晶粒細化，達到改善合金性能的目的。第五十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五3.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等由于價格昂貴而未能得到應用。直到1982年有關FeMnSi記憶合金研究論文的發(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，如果能在回復應變量小、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)應用上有很大的進展。第五十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五鐵基形狀記憶合金的最大回復應變量為2％，超過此形變量將產(chǎn)生滑移變形，導致ε－馬氏體與奧氏體界面的移動發(fā)生困難。具有形狀記憶效應的合金系已達二十多種，但其中得到實際應用的僅集中在TiNi合金與CuZnAl合金，CuAlNi及FeMnSi系記憶合金也在開發(fā)應用中。第五十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五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導致使用溫度的較大起伏。在記憶元件的設計、制造及使用中，不僅關心材料的相變溫度，還必須考慮其回復力、最大回復應變、使用中的疲勞壽命及耐腐性能等。第五十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五一般來說，TiNi合金記憶特性好，但價格昂貴。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系合金雖然價格便宜、加工容易，但記憶特性稍差，特別是可回復應變量小。因此實際應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，需要反復使用的較精密的元件，一般采用TiNi合金，而對于象火警警報器等只需一次動作的元件就往往選用CuZnAl合金。第五十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五3.2.2形狀記憶陶瓷近幾年來人們又開發(fā)出形狀記憶陶瓷，可在電場作用下發(fā)生形變。與形狀記憶合金相比，這種材料由于電場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，不足之處是應變范圍還不夠大（0.08—1%），但這也許適合某些特定的場合。第五十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五形狀記憶陶瓷的結構圖如圖11-5所示。它是典型的鈣鈦礦結構，點陣結構為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。第六十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五通過調整溫度和A、B的組成鈣鈦礦晶體的形狀會發(fā)生改變，如圖11-6所示。不同量的離子置換PZT時產(chǎn)生相變，四面體結構和六面體結構均為鐵電相，而八面體結構為反鐵電相，當施加電場時會誘使反鐵電相轉變鐵電相，從而產(chǎn)生應力。當鐵電體至于電場中時，由于材料的極化導致應力的產(chǎn)生，對于反鐵電體，由于內部含有兩個極性相反的區(qū)域，宏觀極性抵銷，當施加電場時，只有很小的應力產(chǎn)生。第六十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五如果反鐵電體相的組成接近鐵電相的組成，施加一個大電場，就可以使反鐵電相轉變?yōu)殍F電相，相變伴隨著晶格變形，導致凈體積增長，產(chǎn)生形變，相變形式如下：AFE電場FE當電場降低，材料回復到原始狀態(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。第六十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五形狀記憶陶瓷主要用于在空間光學望遠鏡的自適應調整上，圖11－7為鏡面調整示意圖，可用在哈伯望遠鏡、日冕儀等，另外形狀記憶陶瓷還有希望用作能量儲存執(zhí)行元件。第六十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五3.2.3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速度。主要采用濺射或電化學方法制備Ti—--Ni、Cu—Zn、Au—Cd等薄膜。形狀記憶合金薄膜具有一些潛在的應用，如可能應用在智能結構的阻尼器，微機械手、微彈簧中。第六十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五3.3形狀記憶合金的應用從20世紀70年代開始形狀記憶合金得到真正的應用，至今已有二十多年，應用領域極廣，從精密復雜的機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)動機到過電流保護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。第六十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五用作連接件，是記憶合金用量最大的一項用途。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，更適合于嚴禁明火的管道連接，而且具有操作簡便，性能可靠等優(yōu)點。第六十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五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動元件。其特點時利用形狀記憶特性，在一定溫度內，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動。也就是具有雙向動作的功能。當溫度降低時，偏壓彈簧壓縮形狀記憶彈簧，使閥門關閉，從而產(chǎn)生周而復始的循環(huán)。目前，我國已在熱水器等設備上裝有CuZnAl記憶元件。第六十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五利用偏壓彈簧使形狀記憶元件具有雙向動作功能的還有機器人手臂、肘、腕、指等動作、電流斷路器、自動干燥箱以及空調機風向自動調節(jié)器等。上述元件都是利用形狀記憶合金在回復到高溫態(tài)時強度高，而在低溫馬氏體相態(tài)下較軟的特性，在低溫時，借助偏動彈簧的彈力使之變形。設計中，記憶元件與偏動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作需要。第六十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五形狀記憶合金作為機械執(zhí)行器的主要優(yōu)點有：（1）機械結構簡單、緊湊、安全、常見的結構有絲狀和螺圈狀。（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域。第六十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五（3）高的能/重比，在比較了所有的執(zhí)行器機械后人們得出結論，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的能/重比遠高于其他執(zhí)行器。這意味著形狀記憶合金非常適于微執(zhí)行技術。（4）高阻尼性能，在沖擊波和震動能量下，SMA的阻尼效率高達90%。第七十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五工業(yè)上常用形狀記憶合金作開關，用于電路冷卻閥門、火警探測系統(tǒng)、阻尼裝置等。醫(yī)學上主要利用形狀記憶合金的超彈性性質，最成功的應用是用于牙科矯正術上的正牙線上，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。第七十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五用于醫(yī)學領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，還必須滿足化學和生物學等方面可靠性的要求。一般植入生物體內的金屬在生物體液的環(huán)境中會溶解成金屬離子，其中某些金屬離子會引起癌病、染色體畸形等各種細胞毒性反應，或導致血栓等，總稱為生物相容性差。只有那種與生物體接觸后會形成穩(wěn)定性很強的鈍化膜的合金才可以植入生物體內。在現(xiàn)有的實用記憶合金中，經(jīng)過大量實驗證實，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。第七十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五TiNi合金在醫(yī)學上應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。近年來血管擴張元件等應用也見報道。第七十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五牙齒矯形絲是利用TiNi合金相變偽彈性特點，使合金絲處理成超彈性絲。由于應力誘發(fā)馬氏體相變使彈性模量成非線性變化，當應變增大時，矯正力卻增加不多。因此佩帶嬌正絲時，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變高達10％仍不會發(fā)生塑性變形。第七十四頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五圖11－8是用于矯形絲的各種材料的負載與變形曲線。由對比可見，傳統(tǒng)用的不銹鋼和CoCr合金的彈性系數(shù)大，相對于很小的變形就需要較大的負載，而且產(chǎn)生明顯的永久變形。TiNi合金絲明顯優(yōu)于前者。第七十五頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五脊柱側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，甚至在半個月后下降55％，故通常必須進行再次手術以調整矯正力，使患者在精神上、肉體上承受較大痛苦。第七十六頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五改用形狀記憶合金只需一次安放固定手術。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（彎曲應力小于8％），立即安放于人體內并加以固定。手術后通過體外加熱使溫度高于體溫5－10℃，這時TiNi合金棒逐漸回復到高溫相狀態(tài)，產(chǎn)生足夠的矯正力。第七十七頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五其它如骨折、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?，在手術時，將定形板在冰水中（<Ms）變形成便于手術安裝的形狀，植入所需部位固定，靠體溫回復固定板形狀。用記憶合金固定骨折等環(huán)患處，患者痛苦少，功能恢復快，是非常行之有效的方法。第七十八頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五形狀記憶合金更多的潛在應用是埋置在材料里組成智能復合材料，如美國把在F—16戰(zhàn)斗機機翼上。用于自修復功能，在機器人上用來制造人造肌肉。第七十九頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五第四節(jié)智能材料的應用首先開展智能材料結構研究的是美國軍界，約在1984年美國陸軍科研局就旋翼飛行器技術研究給于贊助，研究內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，將該項目落實在美國空軍科研項目預測Ⅱ中，被認為是急需發(fā)展的，有創(chuàng)始性的項目，美國空軍萊特研究和發(fā)展中心的航空設備實驗室又規(guī)劃了智能表層的發(fā)展路線圖。第八十頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五1988年以后，美國各大學和航空航天機構的公司、研究所都參與研究，他們設計的面很廣，并且取得創(chuàng)造性的進展。同時美國國防部FY92_FY96的邊緣科學研究規(guī)劃（即代號UR1）及陸軍科研局和海軍科研局都給于智能材料與結構探索者贊助。第八十一頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五UR1資助課題包括材料科學、結構方程、單一和復合智能結構的數(shù)學模型、驅動器、傳感器、控制系統(tǒng)和處理方法、多體結構動力學、結構識別以及氣動彈性修正等。陸軍科研局的規(guī)劃則著重于旋翼飛行器和地面運輸裝置，例如減小結構件的振動和增大氣動力學穩(wěn)定性，加強旋翼飛行器的控制能力和損傷的檢測，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度的控制。第八十二頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五智能材料結構技術很快被土木工程、船舶、海上陸架、汽車、醫(yī)學等行業(yè)看中，認為它將會引起這些行業(yè)的新的技術革命，為此，分別制定了5年、10年規(guī)劃，投入大量資金。第八十三頁，共九十六頁，編輯于2023年，星期五日本繼美國以后，在日本技術