形狀記憶材料應(yīng)用.ppt

1、1,形狀記憶材料應(yīng)用,2,形狀記憶合金由于具有許多優(yōu)異的性能，因而廣泛應(yīng)用于航空航天、機械電子、生物醫(yī)療、橋梁建筑、汽車工業(yè)及日常生活等多個領(lǐng)域。,(1)工程應(yīng)用 形狀記憶合金在工程上的應(yīng)用很多，最早的應(yīng)用就是作各種結(jié)構(gòu)件，如緊固件、連接件、密封墊等。另外，也可以用于一些控制元件，如一些與溫度有關(guān)的傳感及自動控制。 形狀記憶合金 一面世，就為航空工業(yè)立了一功。如美國F-14戰(zhàn)斗機平均每架要用800個形狀記憶合金接頭。自1970年以來美國海軍飛機使用了幾十萬個這樣的管接頭，沒出現(xiàn)過一次失敗的記錄。用形狀記憶合金做管接頭的辦法：先在轉(zhuǎn)變溫度以上，把鎳鈦合金管接頭按密封要求尺寸進行加工，使它的內(nèi)徑比

2、所要連接管子的外徑小4%；然后在液氮低溫下將管接頭直徑擴大，使它的內(nèi)徑比所要連接管子的外徑稍大點（大4%），并把兩根要連接的管子從,3,兩端對準(zhǔn)插入接頭；最后，當(dāng)管子處于工作狀態(tài)，溫度回升到轉(zhuǎn)變溫度以上，鎳鈦合金發(fā)揮形狀記憶效應(yīng)，管接頭自動收縮，管徑變細(xì)，回復(fù)第一次加工的尺寸，它就把兩根管子緊緊地連在一起。 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環(huán)境下制做好天線，再在低溫下把它壓縮成一個小鐵球，使它的體積縮小到原來的千分之一，這樣很容易運上月球，太陽的強烈的輻射使它恢復(fù)原來的形狀，按照需求向地球發(fā)回寶貴的宇宙信息。另外，在衛(wèi)星中使用一種可打開容器的形狀記憶釋放裝置，該容

3、器用于保護靈敏的鍺探測器免受裝配和發(fā)射期間的污染。,4,5,用形狀記憶合金作緊固件、連接件的優(yōu)點是： 夾緊力大，接觸密封可靠，避免了由于焊接而產(chǎn)生的冶金缺陷； 適于不易焊接的接頭，如嚴(yán)禁明火的管道連接、焊接工藝難以進行的海底輸油管道修補等。 金屬與塑料等不同材料可以通過這種連接件連成一體； 安裝時不需要熟練的技術(shù)。 把形狀記憶合金制成的彈簧與普通彈簧安裝，可以制成自控元件，在高溫（Af以上溫度）和低溫時，形狀記憶合金彈簧由于發(fā)生相變，母相與馬氏體強度不同，使元件向左，右不同方向運動。這種構(gòu)件可以作為暖氣閥門，溫室門窗自動開啟的控制，描筆式記錄器的驅(qū)動，溫度的檢測、驅(qū)動。形狀記憶合金對溫度比雙金

4、屬片敏感得多，可代替雙金屬片用于控制和報警裝置中。,6,1970 年美國用形狀記憶合金制作 F-14 戰(zhàn)斗上的低溫配合連接器，隨后有數(shù)以百萬以上的連件的應(yīng)用。形狀記憶合金作為低溫配合連接在飛機的液壓系統(tǒng)中及體積較小的石油、石化、電工業(yè)產(chǎn)品中應(yīng)用。另一種連接件的形狀是焊接的網(wǎng)狀金屬絲，用于制造導(dǎo)體的金屬絲編織層的安全接頭。這種接件已經(jīng)用于密封裝置、電氣連接裝置、電子工程機械裝置，并能在-65300可靠地工作。已開出的密封系統(tǒng)裝置可在嚴(yán)酷的環(huán)境中用作電氣件連接。 將形狀記憶合金制作成一個可打開和關(guān)閉快門的彈簧，用于保護霧燈免于飛行碎片的擊壞。用于制造精密儀器或精密車床，一旦由于震動、碰撞等原因變形

5、，只需加熱即可排除故障。在機械制造過程中，各種沖壓和機械操作常需將零件從一臺機器轉(zhuǎn)移到另一臺機器上，現(xiàn)在利用形狀記憶合金開發(fā)了一種取代手動或液壓夾具，這種裝置叫驅(qū)動汽缸，它具有效率高靈活，裝夾力大等特點。 1973年，美國試制成第一臺Ti-Ni熱機，利用形狀記憶合金在高溫，低溫時發(fā)生相變，產(chǎn)生形狀的改變，并伴隨極大的應(yīng)力實現(xiàn)機械能與熱能之間的相互轉(zhuǎn)換。盡管這種熱機只產(chǎn)生了0.5w的功率（1983年功率已達(dá)20w），但發(fā)展前景十分誘人，可以利用這種裝置實現(xiàn)利用海水溫差發(fā)電的夢想。,7,(2) 醫(yī)學(xué)應(yīng)用 利用Ti-Ni合金與生物體良好的相容性，可制造醫(yī)學(xué)上的凝血過濾器、脊椎矯正棒、骨折固定板等。

6、（a）牙齒矯形絲 用超彈性 TiNi 合金絲和不銹鋼絲做的牙齒矯正絲，其中用超彈性 TiNi 合金絲是最適宜的。通常牙齒矯形用不銹鋼絲 CoCr 合金絲，但這些材料有彈性模量高，彈性應(yīng)變小的缺點。為了給出適宜的矯正力，在矯正前就要加工成弓形，而且結(jié)扎固定要求熟練。如果用 TiNi 合金作牙齒矯形絲，即使應(yīng)變高達(dá)10%也不會產(chǎn)生塑性變形，而且應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變(stress-induced martensite)使彈性模量呈現(xiàn)非線型特性，即應(yīng)變增大時矯正力波動很少。這種材料不僅操作簡單，療效好，也可減輕患者不適感。,8,(b) 脊柱側(cè)彎矯形 各種脊柱側(cè)彎癥(先天性、習(xí)慣性、神經(jīng)性、佝僂病性、特發(fā)

7、性等)疾病，不僅身心受到嚴(yán)重?fù)p傷，而且內(nèi)臟也受到壓迫，所以有必要進行外科手術(shù)矯形。目前這種手術(shù)采用不銹鋼制哈倫敦棒矯形，在手術(shù)中安放矯形棒時，要求固定后脊柱受到的矯正力保持在3040kg以下，一但受力過大，矯形棒就會破壞，結(jié)果不僅是脊柱，而且連神經(jīng)也有受損傷的危險。同時存 在矯形棒安放后矯正力會隨時間變化，大約矯正 力降到初始時的30%時，就需要再進行手術(shù)調(diào)整 矯正力，這樣給患者在精神和肉體上都造成極 大痛苦。采用形狀記憶合金制作的哈倫頓棒， 只需要進行一次安放矯形棒固定。如果矯形棒的 矯正力有變化，以通過體外加熱形狀記憶合金， 把溫度升高到比體溫約高5，就能恢復(fù)足夠的 矯正力。,9,形狀記憶

8、合金材料還能代替石膏夾板（如下左圖所示） 在內(nèi)科方面，可將細(xì)的Ti-Ni絲插入血管，由于體溫使其恢復(fù)到母相的網(wǎng)狀，阻止95%的凝血塊不流向心臟。用形狀記憶合金制成的肌纖維與彈性體薄膜心室相配合，可以模仿心室收縮運動，制造人工心臟。給患者帶來了福音。隨著形狀記憶的發(fā)展，醫(yī)學(xué)應(yīng)用將會更加廣泛。,10,(3)日常生活應(yīng)用 (a) 防燙傷閥 在家庭生活中，已開發(fā)的形狀記憶閥 可用來防止洗滌槽中、浴盆和浴室的熱水意外燙傷；這些閥 門也可用于旅館和其他適宜的地方。如果水龍頭流出的水溫 達(dá)到可能燙傷人的溫度(大約 48)時，形狀記憶合金驅(qū)動閥門 關(guān)閉，直到水溫降到安全溫度，閥門才重新打開。 (b) 眼鏡框架

9、 在眼鏡框架的鼻梁和耳部裝配 TiNi 合金可使人感到舒適并抗磨損，由于 TiNi 合金所具有的柔韌性已使它們廣泛用于改變眼鏡時尚界。用超彈性 TiNi 合金絲做眼鏡框架，即使鏡片熱膨脹，該形狀記憶合金絲也能靠超彈性的恒定力夾牢鏡片。這些超彈性合金制造的眼鏡框架的變形能力很大，而普通的眼鏡框則不能做到。 (c) 移動電話天線和火災(zāi)檢查閥門 使用超彈性TiNi金屬絲做蜂窩狀電話天線是形狀記憶合金的另一個應(yīng)用。過去使用不銹鋼天線，由于彎曲常常出現(xiàn)損壞問題。使用TiNi形狀記憶合金絲移動電話天線，具有高抗破壞性受到人們普遍歡迎。因此常用來制作蜂窩狀電話天線和火災(zāi)檢查閥門?；馂?zāi)中，當(dāng)局部地方升溫時閥門

10、會自動關(guān)閉，防止了危險氣體進入。這種特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點是，它具有檢查閥門的操作，然后又能復(fù)位到安全狀態(tài)；這種火災(zāi)檢查閥門在半導(dǎo)體制造業(yè)中得到使用，在半導(dǎo)體制造的擴散過程中使用了有毒的氣體；這種火災(zāi)檢查閥也可在化學(xué)和石油工廠應(yīng)用。,11,12,近年來，日本研制出一種形狀記憶塑料苯 乙烯和丁二烯聚合物。當(dāng)加熱至60時，丁二烯部 分開始軟化，而苯乙烯仍保持堅硬，以此來保 持形狀記憶功能?，F(xiàn)狀記憶塑料制成的連接器 加熱變軟，連接兩段管子，冷卻后變硬恢復(fù)原有直 徑，這種連接器可產(chǎn)生很高的結(jié)合度，可以在家庭內(nèi)使用。日本幾家汽車甚至設(shè)想把形狀記憶塑料制成汽車的保險杠和易撞傷部位，一旦汽車撞癟，只要稍加熱（如

11、用電吹風(fēng)），就會恢復(fù)原形。 總之，聚合物形狀記憶材料具有廣闊的應(yīng)用前景。,13,形狀記憶材料是一種集感知和驅(qū)動雙重功能為一體的新型材料。 你還能想到能用形狀記憶材料來做什么有益于人們的生產(chǎn)和生活嗎？,想一想?。?14,試想一下，酷暑難當(dāng)，揮汗如雨之際，如果你的襯衣居然善解人意地自動把袖子卷起來讓你涼快一下，是不是一件很酷的事？意大利一家公司新近就用形狀記憶合金纖維造出了一件這樣的襯衫。據(jù)報道，這種襯衣使用鎳鈦記憶合金纖維和尼龍混織而成，比例為五根尼龍絲配一根鎳鈦合金絲。在周圍溫度升高時，這件襯衣的袖子會立即自動卷起。據(jù)稱，這襯衣還不怕起皺，即使揉成亂糟糟的一團，用電吹風(fēng)吹一下，馬上就能復(fù)原，甚

12、至人的體溫也可以自動把它“燙平”。此外，它還可水洗，不易引起皮膚過敏。但由于含有合金纖維，衣服不可避免地帶著一些金屬特有的灰色。鑒于這件襯衣樣品的制作成本高達(dá)2500英鎊，愛好追逐時尚的消費者在短期內(nèi)不太可能在服裝店里見到它。,暢想形狀記憶材料,15,用它做成“金屬食道支架”，能在患者喉部膨脹成新的食道，必要時只要想食道里加冰塊，食道又會遇冷收縮，從而課輕易取出。 在工程和建筑領(lǐng)域用 TiNi 形狀記憶合金作為隔音材料及探測地震損害控制的潛力已顯示出來。已試驗了橋梁和建筑物中的應(yīng)用，因此作為隔音材料及探測損害控制的應(yīng)用已成為一個新的應(yīng)用領(lǐng)域。 隨著薄膜形狀記憶合金材料的出現(xiàn)和開發(fā)利用，形狀記憶合金在智能材料系統(tǒng)中受到高度重視