第一篇：新型智能手杖策劃書

新 型 智 能 手 杖 設 計 策 劃 書

課題名稱新型智能手杖的設計 課題申請人

韓旭

所在院（部）

機械工程學院

課題指導教師

張新偉 職稱講師（碩士）

新型智能手杖策劃書

手杖自從人類能夠步行就開始使用，當今已成為許多老年人“助走”的晚年外出的必帶之物。它既可穩(wěn)身健步，又可增強體力，除此之外，手杖還有頗多妙用，人們通常稱它是老年人的“第三條腿”。中國已經(jīng)進入了老齡化社會，意味著手杖具有更大的消費群體?，F(xiàn)在市場上的手杖基本都只是單一支撐功能，不具備各種新環(huán)境下應具有的智能功能。我們此次設計的是一種新型的、智能化的、多功能的、更便捷的手杖，手杖由GPS定位系統(tǒng)，距離傳感器，指南針，小型手電筒、收音機等構成。

1.設計構思的提出

中國乃至世界的很多國家都已經(jīng)進入老年化社會，對于老年人的日常生活質量應當有所提高，而我們的智能手杖的剛好能達到這個目的，讓老年人擺脫種種出行的困擾。

在科技發(fā)展的今天，年輕人的產(chǎn)品到處可見，我們也想讓老人們趕上潮流，讓老人們的晚年更加幸福?，F(xiàn)在越來越多的年輕人選擇和父母分開住，許多老年人在退休后特別的孤獨，有的都已經(jīng)構成心理上的疾病了，在世界老齡化這一現(xiàn)實的條件下，老年人作為社會上的一個為數(shù)不少的群體，更應該引起我們更多人的關注。老年人在生理上許多功能都在退化，老年人的觸覺在55歲之后有急劇遲鈍的可能性，管理平衡的機能構造衰退導致姿勢和步態(tài)不穩(wěn)，也就加大了摔跤的可能性。

這個智能手杖的提出就是鼓勵老年人多外出行走，好好享受陽光，享受生活，也是提高老年人晚年幸福生活的產(chǎn)物之一。

2.手杖設計項目

（1）GPS定位系統(tǒng)

如何實現(xiàn)GPS與手杖結合呢？把手杖把手第一節(jié)內中空，安裝GPS電子設備，GPS接收機主要由接收天線、主機和電源組成。進行相關匹配然后由于衛(wèi)星運行軌道、衛(wèi)星時鐘存在誤差，大氣對流層、電離層對信號的影響，使得民用GPS定位精度只有100米。為提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS）技術，建立基準站（差分臺）進行GPS觀測，利用已知的基準站精確坐標，與觀測值進行比較，從而得出數(shù)據(jù)，并對外發(fā)布。接收機收到該數(shù)據(jù)后，與自身的觀測值進行比較，消去大部分誤差，得到一個比較準確的位置。實驗表明，利用差分GPS（DGPS），定位精度可提高到5米。導航系統(tǒng)主要由導航主機和導航顯示終端兩部分構成。內置的GPS天線會接收到來自環(huán)繞地球的24顆GPS衛(wèi)星中的至少3顆所傳遞的數(shù)據(jù)信息，由此測定使用者當前所處的位置。導航主機通過GPS衛(wèi)星信號確定的位置坐標與電子地圖數(shù)據(jù)相匹配，便可確定使用者在電子地圖中的準確位置。把手杖把手的第1節(jié)內中空,安裝GPS電子設備，GPS接收機主要由接收天線、主機和電源組成。因為拐杖細長和重量輕,其內部電路集成度高,因此,選擇伽明公司的GPS25-LVSOEM板作為主機。GPS25-LVS接收模塊定位速度快,工作穩(wěn)定,耐電壓沖擊,具有很好的抗干擾性,是目前應用最廣泛的GPS接收處理板,能滿足各種導航和授時領域的需求。GPS25-LVS輸入輸出的語句采用串行通信協(xié)議,符合NMEA-0183標準;輸出的周期信號,主要由幀頭、幀尾和幀內數(shù)據(jù)組成。由它接收來自天線的信號,通過變頻、放大、濾波等一系列處理過程,實現(xiàn)對GPS衛(wèi)星信號的跟蹤、鎖定、測量,從而產(chǎn)生計算位置的數(shù)據(jù)信息(包括:緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時間、航向、衛(wèi)星狀況等。在處理GPS數(shù)據(jù)時還要進行經(jīng)緯度坐標和平面直角坐標系相互轉換。函數(shù)MaptoReal()可實現(xiàn)直角坐標到經(jīng)緯度的坐標轉換,這樣經(jīng)過處理后的GPS定位數(shù)據(jù)信息就存放在內存中,接下來是等待狀態(tài)切換,將這些信息通過電子地圖的匹配,查表得出相應坐標的地理位置名稱數(shù)據(jù)。

通過單片機輸出的定位信息只是單一的數(shù)據(jù)信息,由于盲人視覺上無法識別,只能依靠聽覺感知,所以需要將電子地圖的地名坐標數(shù)據(jù)與定位數(shù)據(jù)進行相關匹配,矢量化后的電子地圖數(shù)據(jù)與存儲器里的表項數(shù)據(jù)對比程序查表,由于盲人視覺上無法識別,只能依靠聽覺感知,所以需要將電子地圖的地名坐標數(shù)據(jù)與定位數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給語音芯片進行語音讀出。（2）距離傳感器

如何實現(xiàn)距離傳感器與手杖的結合？盲人使用拐杖時,無法準確的探明前方是否有障礙物,特別是懸掛在前方的障礙物,如果在拐杖把手的頭部安裝超聲波測障器,可以很好地幫助盲人辨別障礙物方位。結合GPS定位功能,可以較好地輔助盲人生活出行。超聲波發(fā)送模塊包括超聲波產(chǎn)生和發(fā)射兩個部分構成。超聲波的產(chǎn)生方法有兩種,一種是硬件產(chǎn)生法,另一種是軟件產(chǎn)生法。本設計采用硬件產(chǎn)生法超聲波產(chǎn)生發(fā)射電路的作用是將振蕩電路振蕩產(chǎn)生40kHz的脈沖信號,由于產(chǎn)生的震蕩信號非常的微弱,并且超聲波在空氣中傳播時,能量隨距離的增加而減小,回波的信號就更弱了,通過一個振蕩達林頓管進行功率放大,來驅動超聲波傳感器的發(fā)射器發(fā)射超聲波信號。整個震蕩電路的啟震是通過單片機出口發(fā)出的低電平脈沖觸發(fā)。其中幾個非門并接,可供較大的輸出電流,從而提高電路的驅動能力,使得超聲波器獲的發(fā)射到足夠的能量,產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的信號。超聲波經(jīng)發(fā)射后受障礙物反射返回,超聲波接收器接收反射信號,并轉換成電信號,經(jīng)過放大、濾波、整形等處理后,即將回波信號轉換成單片機的中斷信號,當超過安全距離界限以后,蜂鳴器報警電路被啟動,并發(fā)聲報警。當拐杖的超聲波檢測電路檢測到障礙物已經(jīng)到達安全距離之內,單片機出口會形成一個高電平使晶體管導通,觸發(fā)啟動蜂鳴器報警,或者在遇到過馬路以及需提醒周圍行人注意時也可以手動啟動蜂鳴器報警。超聲波測障報警系統(tǒng)組成,系統(tǒng)總體采用單片機專業(yè)語言KeilC51編寫軟件分別調用子程序進行相應的串行通訊接口控制、波特率自適應控制等。GPS定位子系統(tǒng)軟件由初始化模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和人機(中斷)模塊組成。其原理圖如下圖所示。

將上述電路裝入手杖的低端一節(jié)便可實現(xiàn)傳感器系統(tǒng)與手杖的完美結合。（3）其他

還裝有指南針、小型手電筒、收音機等，以滿足不同的需求者。

3.手杖功能及優(yōu)勢

（1）GPS定位系統(tǒng)，據(jù)研究很多老人經(jīng)常忘記回家的路，通過GPS定位系統(tǒng)，家人可以準確的，快速的知道老人的具體位置。

（2）距離傳感器，這項功能主要是為盲人設計的，當盲人遇到前方有障礙物時，手杖手柄處會產(chǎn)生振動以提示盲人使用者前方存在障礙物。以及其他的輔助功能。

（3）手柄：堅固、耐用，使用起來更舒適，防滑設計,增加尼龍軟質把手,輕松抓握更舒適.杖尖為鎢錳鋼杖尖很耐用，如果戳到石頭縫隙或冰里，不容易打滑。尖端凹進去的，通常可以戳得更牢固。提供杖尖橡膠防護套，這樣在比較松軟的地上行走，也不會因為插入太深而拔不出

（4）可調節(jié)杖桿：杖桿四節(jié)，長度可自由調節(jié)，當不用的時候，可以收縮的更短，能方便的帶在身上。最長可拉到1.2米，最短可縮至0.54米，使用非常方便。

4.創(chuàng)新點

經(jīng)過我們小組查閱相關資料，現(xiàn)在市場上的拐杖功能都是比較單一的，有的帶有手電筒，收音機等，卻也稱不上智能，只能說是多功能化的，而我們所設計的包含1）GPS定位系統(tǒng)，文中基于方便老年人、盲人、智障人士等特殊人群出行，便于監(jiān)護人監(jiān)控和尋找，綜合應用 MCU 控制、GPS 定位、GSM/GPRS 傳輸、角度測量等技術，制作了一種智能定位報警拐杖。樣機測試證明，當使用者的實際位置超出設定的范圍或路徑，可以給出提示信息，幫助使用者回到設定的范圍或路徑；在拐杖歪倒超過一定時間時，自動向監(jiān)護人發(fā)送求救及定位信息，或者自動撥打相應的電話求救，對特殊人群的出行能夠提供切實有效的幫助。據(jù)研究很多老人經(jīng)常忘記回家的路，通過GPS定位系統(tǒng)，家人可以準確的，快速的知道老人的具體位置。2）距離傳感器，這項功能主要是為盲人設計的，當盲人遇到前方有障礙物時，手杖手柄處會產(chǎn)生振動以提示盲人使用者前方存在障礙物。已經(jīng)其他的輔助功能，這都是我們的創(chuàng)新點。

5.結論

中國乃至世界的很多國家都已經(jīng)進入老年化社會，對于老年人的日常生活質量應當有所提高，而我們的智能手杖的正能達到這樣的目的，讓老年人擺脫種種的出行問題的困擾。讓老年人舒心，讓家人放心。

從研究“智能手杖”的人數(shù)較多可以看出，這是一個非常有前景的設計，雖然對于成品的制作過程和技術手段還存在很多技術瓶頸，但是智能手杖的研發(fā)終究是一個不可逆轉的趨勢。

第二篇：讀《怪手杖》有感

讀《點亮小桔燈》有感

我讀了《點亮小橘燈》和《鼴鼠的月亮河》這兩本書；我最喜歡《點亮小橘燈》這本書。這本書里有很多小故事，每一個故事我都要看上幾遍，仔細體會他的意思。

《點亮小橘燈》里有一個神奇的故事叫《怪手杖》。有一位老人，快100歲了，老人從小的時候就在山上種樹，以前這座山是一座禿山，老爺爺從小一直堅持在這座禿山上種樹，這些樹有的七十歲，有的六十歲，有的一歲......老人一上山樹葉就鼓掌?；ò昃吞瑁饺妇透璩?。

這一天，老人過完100歲生日，老人又上了山，許多人都說，你已經(jīng)100歲了，應該在家養(yǎng)老。老人說：我的腿還有勁，還能爬山。我的手很有勁能種樹。人們聽后只能給他一個手杖，讓他拿著手杖拄著上山，還不放心，就派我扶著。

其實老爺爺腿很有勁，根本不需要我扶，也不用手杖，我跟老爺爺說：“您怎么不用手杖呢？這可是大伙的一片心意啊”老爺爺笑著說：對，對。就拄著手杖往山上走。

真奇怪，我發(fā)現(xiàn)他的手杖拄一下地，手杖上就長出一顆綠芽芽，當我們走上山頂?shù)臅r候，手杖上已近長滿了綠葉。

爺爺真高興呀，和手杖說，你知道我最喜歡種樹，你也想變成一棵小樹對不對？手杖聽后，跳一跳，像個高興的孩子。于是，老爺爺把手杖插在了山頂上，轉眼工夫手杖上長出好多綠油油，亮光光的新葉子，它是一課真正的小樹了。下山后，人們都很奇怪，老爺爺怎么沒有拄著那根手杖呢？老爺爺指著山頂：“我把它留在了山上了”而我呢，神秘的笑了笑。

通過這個故事媽媽又給我講了許多關于植樹造林的好處。樹木是人類的好朋友，它凈化空氣，美化環(huán)境。樹木長大了為人類的建設提供木材。但是現(xiàn)在砍伐樹木嚴重，樹林越來越少，因此我們要愛惜樹木，向老爺爺學習植樹造林。把我們的家園也建設的綠葉成蔭，環(huán)境優(yōu)美。這就是老爺爺?shù)摹豆质终取返墓适?，老爺爺堅持不懈的精神值得我們學習。

第三篇：怪手杖教學設計

13、怪手杖

教學目標： 知識與技能：

1.會認2個生字，正確書寫2個生字，掌握多音字“種”。2.能正確、流利、有感情地朗讀課文。

3.理解課文內容，體會“老爺爺辛勤種樹90年的心情”。過程與方法：

1.通過搜集中國林地占地面積的數(shù)據(jù)，了解我國環(huán)境問題。分析種樹與環(huán)境的關系。

2.創(chuàng)設民主、和諧的學習氛圍，采用小組合作學習的方式，理解課文內容。情感、態(tài)度與價值觀：

讓學生感受到世界環(huán)境所面臨的危機，激發(fā)學生保護自然生態(tài)、熱愛我們的地球的情感。

教學重點：

知道為什么老爺爺100歲了還依然堅持種樹。教學難點：

了解老爺爺種樹的原因，體會他從10歲到100歲不停種樹的辛苦并快樂!課前準備： 1.生字詞語卡片。

2.禿山圖片，滿山都是樹的圖片。

3.搜集全國1900-2016林地面積變化的數(shù)據(jù)。課時安排： 1課時 教學過程：

一、審視課題，導入新課

（一）課件出示課題：怪手杖?？戳诉@個題目，你有怎樣的猜想？學生說出自己的想法。

（二）這是一個怎樣的拐杖呢？（學生展示搜集到的圖片和文字資料，說一說。）

（三）教師課件出禿山和滿山都是樹的圖片。“禿山怎們長出這么多的樹的呢？讀了課文你就知道了?！?/p>

二、自讀課文，學習生字

（一）教師引導學生按要求自讀課文。

1.畫出課文的生字新詞，讀準字音，讀通課文。2.畫出描寫山過去和現(xiàn)在的有關句子，有感情地讀一讀。

3.想一想：一座山得有多少棵樹呢？一個人是怎樣種這么多的樹的呢？

（二）學習生字新詞。

1.出示生字新詞，學生認讀。請學生說說這些字在讀音和書寫上應該注意什么。

2.要求學生用生字進行組詞，并用這些詞語說句子。3.指名分段讀文。檢查學生讀課文情況。

三、集體匯報，學習課文

（一）思考：過去的禿山是什么樣子？后來善成了什么樣子呢？ 教師課件出示相關的圖片、資料，播放資源庫中的視頻材料。

（二）引導學生說一說自己看到的景象：同學們，你們剛才看到了什么？想到了什么？

（三）要求學生讀出文中描寫滿山都是樹景象的句子。1.引導學生借助工具書，說說“驚奇”和“神秘”的意思。2.你從中體會到了什么？（老爺爺即辛苦有快樂）

3.指導學生有感情地朗讀這一段。（課件出示語段，指導學生讀出手杖為什么怪。）

4.指名朗讀。

（四）教師小結：怪手杖是什么意思，為什么說它是怪手杖？

（五）教師出示語段，學生練習朗讀。（課件出示）

（六）教師提問：第3自然段作者運用了什么修辭手法？（樹葉鼓掌、花瓣跳舞、山雀唱歌，這都是擬人）

（七）想到這，你的心里感受怎樣？（老爺爺很辛苦、有毅力、很快樂．．．．．．）

（八）如果你是慕名而來的游客，看到滿山的樹，你會說些什么呢？(學生自由反饋)

（九）教師導讀：這樣一座禿山怎么就長滿了樹的呢？怎么變的呢？（指名反饋，老爺爺90年不停地種樹的結果。）

（十）教師：由于人們亂砍濫伐，浪費大量水資源，使樹木不停地大量減少，而又有很多想老爺爺這樣的人在種樹栽樹，才有我國林地面的不斷增加的結果。

（十一）學習了這篇課文同學們學到了什么？（不能破壞樹木，節(jié)約用紙，愛護我們的環(huán)境，自己制定一個栽樹計劃，每年的清明載多少棵樹。）

四、課堂小結

（一）是呀，地球上還有許多的樹木，還有許多正在被破壞的樹木。同學們是不是想起了動畫片《熊出沒》？熊大熊二保護樹木，光頭強破壞樹木啊！熊大熊二用自己的實際行動來保護環(huán)境，愛護地球。

（二）你們將怎樣保護地球呢？（學生自由發(fā)表自己的想法）

（三）教師小結：地球是我們賴以生存的環(huán)境，是我們共有的家園。我們要愛護它，用我們的實際行動來保護它。

五、指導書寫

（一）出示生字認讀。

（二）在具體環(huán)境中認讀：出示帶有生字的句子。

（三）出示要寫的生字。

（四）讓學生挑出最容易寫錯的字如“杖”，進行指導。

（五）讓學生找其他生字之間的聯(lián)系和規(guī)律，如左右結構、上下結構的字在田字格中的占格位置等。

（六）學生練寫其他的生字。板書設計：

怪手杖

從小種樹

樹多、樹老

樹愛爺爺、爺爺愛樹

人們送手杖

爺爺上山

手杖變成樹

保守秘密

教學反思：

第四篇：新型智能材料(形狀記憶合金)論文（范文）

鐵素體、奧氏體、馬氏體

組成鐵碳合金的鐵具有兩種晶格結構：910℃以下為具有體心立方晶格結構的α——鐵，910℃以上為具有面心立方晶格結構的Υ——鐵。如果碳原子擠到鐵的晶格中去，而又不破壞鐵所具有的晶格結構，這樣的物質稱為固溶體。碳溶解到α——鐵中形成的固溶體稱鐵素體。而碳溶解到Υ——鐵中形成的固溶體則稱奧氏體。奧氏體是鐵碳合金的高溫相。

鋼在高溫時所形成的奧氏體，過冷到727℃以下時變成不穩(wěn)定的過冷奧氏體。如以極大的冷卻速度過冷到230℃以下，這時奧氏體中的碳原子已無擴散的可能，奧氏體將直接轉變成一種含碳過飽和的α固溶體，稱為馬氏體。由于含碳量過飽和，引起馬氏體強度和硬度提高、塑性降低，脆性增大。

高分子形狀記憶合金的發(fā)展及趨勢

摘要：本論文主要討論形狀記憶合金相關內容,扼要地敘述了形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)以及發(fā)展歷史和分類, 介紹了形狀記憶合金在工程中應用的現(xiàn)狀以及發(fā)展前景。引言

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy ,SMA)是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經(jīng)塑性形變并固定成另一種形狀后,通過加熱到某一臨界溫度以上又可恢復成初始形狀的一類合金。形狀記憶合金具有的能夠記住其原始形狀的功能稱為形狀記憶效應(Shape Memory Effect ,SME)。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形狀變化過程中產(chǎn)生較大回復應變和較大形狀回復力的,才具有利用價值。到目前為止,應用得最多的是Ni2Ti 合金和銅基合金(CuZnAl 和CuAlNi)。

形狀記憶合金作為一種特殊的新型功能材料,是集感知與驅動于一體的智能材料,因其功能獨特,可以制作小巧玲瓏、高度自動化、性能可靠的元器件而備受矚目,并獲得了廣泛應用。

二、形狀記憶合金的發(fā)展史

1932年,瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到“記憶”效應，即合金的形狀被改變之后，一旦加熱到一定的躍變溫度時，它又可以魔術般地變回到原來的形狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金。

1938年。當時美國的在Cu-Zn合金小發(fā)現(xiàn)了馬氏體的熱彈件轉變。隨后，前蘇聯(lián)對這種行為進行了研究。1951年美國的Chang相Read在Au47·5Cd(％原子)合金中發(fā)現(xiàn)了行狀記憶效應。這是最早觀察到金屬形狀記憶效應的報道。數(shù)年后，Burkhart 在In-Ti 合金中觀察到同樣的現(xiàn)象。然而在當時，這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)只被看作是個別材料的特殊現(xiàn)象而未能引起人們足夠的興趣和重視。直至1962年，美國海軍機械研究所r發(fā)現(xiàn)了Ni-Ti合金中的的形狀記憶效應，才開創(chuàng)了“形狀記憶”的實用階斷。

1969年，美國一家 公司首次將Ni-Ti合金制成管接頭應用于美國F14 戰(zhàn)斗機上；1970年，美國將Ti-Ni記憶合金絲制成宇宙飛船用天線。這些應用大大激勵了國際上對形狀記憶合金的研究與開發(fā)。20世紀7 年代，相繼開發(fā)出了Ni-Ti 基、Cu-Al2-Ni 基和Cu-Zn-Al 基形狀記憶合金；80 年代開發(fā)出了Fe-Mn-Si 基、不銹鋼基等鐵基形狀記憶合金，由于其成本低廉、加工簡便而引起材料工作者的極大興趣。從20世紀90 年代至今，高溫形狀記憶合金、寬滯后記憶合金以及記憶合金薄膜等已成為研究熱點。

從SMA 的發(fā)現(xiàn)至今已有四十余年歷史，美國、日本等國家對SMA 的研究和應用開發(fā)已較為成熟，同時也較早地實現(xiàn)了SMA 的產(chǎn)業(yè)化。我國從上世紀70 年代末才開始對SMA 的研究工作，起步較晚，但起點較高。在材料冶金學方面，特別是實用形狀記憶合金的煉制水平已得到國際學術界的公認，在應用開發(fā)上也有一些獨到的成果。但是，由于研究條件的限制，在SMA 的基礎理論和材料科學方面的研究我國與國際先進水平尚有一定差距，尤其是在SMA 產(chǎn)業(yè)化和工程應用方面與國外差距較大。記憶合金主要分為以下幾種

（1）單程記憶效應：

形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應。（2）雙程記憶效應：

某些合金加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時又能恢復低溫相形狀，稱為雙程記憶效應。（3）全程記憶效應： 加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?，稱為全程記憶效應。SMA的形狀記憶效應源于熱彈性馬氏體相變，這種馬氏體一旦形成，就會隨著溫度下降而繼續(xù)生長，如果溫度上升它又會減少，以完全相反的過程消失。兩項自由能之差作為相變驅動力。兩項自由能相等的溫度T0稱為平衡溫度。只有當溫度低于平衡溫度T0時才會產(chǎn)生馬氏體相變，反之，只有當溫度高于平衡溫度T0時才會發(fā)生逆相變。

在SMA中，馬氏體相變不僅由溫度引起，也可以由應力引起，這種由應力引起的馬氏體相變叫做應力誘發(fā)馬氏體相變，且相變溫度同應力呈線性關系。至今為止發(fā)現(xiàn)的記憶合金體系

Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。

形狀記憶合金的歷史只有70多年，開發(fā)迄今不過20余年，但由于其在各領域的特效應用，正廣為世人所矚目，被譽為“神奇的功能材料”，其實用價值相當廣泛，其應用范圍涉及機械、電子、化工、宇航、能源和醫(yī)療等許多領域.二、形狀記憶效應的應用

迄今為止,形狀記憶合金在空間技術、醫(yī)療器械、機械器具、電子設備、能源開發(fā)、汽車工業(yè)及日常生活各方面都得到了廣泛的應用,總的來說,按使用特性的不同,可歸納為下面幾類:(1)自由回復。

SMA 在馬氏體相時產(chǎn)生塑性形變,溫度升高自由回復到記憶的形狀。自由回復的典型例子是人造衛(wèi)星的天線和血栓過濾器。美國航空航天局(NASA)將Ti2Ni 合金板或棒卷成竹筍狀或旋渦狀發(fā)條,收縮后安裝在衛(wèi)星內。發(fā)射衛(wèi)星并進入軌道后,利用加熱器或太陽能加熱天線,使之向宇宙空間撐開。血栓過濾器把Ni2Ti 合金記憶成網(wǎng)狀,低溫下拉直,通過導管插入靜脈腔,經(jīng)體溫加熱后,形狀變?yōu)榫W(wǎng)狀,可以阻止凝血塊流動。有人設想,利用形狀記憶合金制作宇宙空間站的可展機構,即以小體積發(fā)射,于空間展開成所需的形狀,這是很有吸引力的機構。(2)強制回復。

強制回復最成功的例子是SMA 管接頭。事先把內徑加工成比被接管外徑小4 % ,當進行連接操作時,首先把管接頭浸泡在液態(tài)空氣中,在低溫保溫狀態(tài)下擴徑后,把被接管從兩端插入,升高溫度,內徑回復到擴徑前的狀態(tài),把被接管牢牢箍緊。利用SMA 制作的腦動脈瘤夾可夾住動脈瘤根部,防止血液流入,使動脈瘤缺血壞死。本田等人用厚度為015mm 的Ti2Ni 板制作的Ag2TiNi 復合夾滿足小而輕、裝卸簡便等要求,效果良好。此外,類似的用途還有電源連接器、自緊固螺釘、自緊固夾板、固定銷、密封墊圈、接骨板和脊柱側彎嬌形哈倫頓棒等。(3)動力裝置。

有些應用領域,要求形狀記憶元件在多次循環(huán)往復運動中對外產(chǎn)生力的作用。溫度繼電器和溫度保持器、自動干燥箱、電子灶、熱機、衛(wèi)星儀器艙窗門自動啟閉、自動火警警報器、熱敏閥門、液氨泄漏探測器、煤氣安全閥、通風管道緊急啟動閘門、自動收進煙頭的煙灰盒及人工心臟等都屬于這種應用類型。1997 年美國航空航天局(NASA)的科學家利用長3cm ,直徑0115mm(01006″)的Ni-Ti SMA 驅動火星探測器上的太陽能電池擋板,加熱SMA ,使其收縮,通過傳動裝置,打開太陽能電池上的玻璃擋板,電池充電。充電結束后,偏置彈簧重新使擋板復位。擋板的有效開合可起到防塵的目的。(4)精密控制。

因為SMA 的相變發(fā)生在一定溫度范圍而不是某一固定溫度點,我們往往只利用一部分形狀回復,使機械裝置定位于指定的位姿。微型機器人、昆蟲型生物機械、機器人手抓及微型調節(jié)器、筆尖記錄器及醫(yī)用內窺鏡都屬于這一類。形狀記憶合金用作機器智能人的執(zhí)行器,集傳感、控制、換能、制動于一身,具有仿真性好、控制靈活、動作柔順、無振動噪聲、易于結構微型集成化等優(yōu)點。日本的日立公司已研制出具有13個自由度的能揀取雞蛋的機器人。俄羅斯St1Petersburg 機器人及控制技術學院在Cu-Al-Ni 基合金材料的研究基礎上,研制出了擬人機械手(115m 長),其手爪能移動200kg的物體。該研究小組還給出了手爪的精確控制系統(tǒng)。醫(yī)學上用到的具有多自由度能彎曲轉入腸道內診斷疾病,進行手術的機器人也屬于這一類型?，F(xiàn)有的大腸鏡的直徑為10～20mm ,這種內窺鏡的直徑為13mm ,因此它特別適用于作大腸鏡。診斷過程中,醫(yī)生一邊看纖維鏡中的圖象,一邊移動操縱桿給出前端的第1 ,2 節(jié)彎曲角指令和內窺鏡前進、后退指令,通過計算機進行柔性控制,使內窺鏡能夠平滑地沿著通路前進或后退,大大減小了患者的痛苦,也增加了診斷的準確性。隨著目前超大規(guī)模集成電路技術的飛速發(fā)展,可進一步制成微米級甚至更小的超微仿生物。(5)超彈性應用。

SMA 的偽彈性在醫(yī)學上和日常生活中得到了廣泛的應用,市場上的很多產(chǎn)品都應用了SMA 的偽彈性(超彈性)性質。主要有牙齒嬌形絲、人工關節(jié)用自固定桿、接骨用超彈性Ni2Ti 絲、玩具及塑料眼鏡鏡框等。Ni2Ti 絲用于嬌形上,即使應變量高達10 %也不會產(chǎn)生塑性變形,而且應力誘發(fā)馬氏體相變的過程中,應變增大較多時矯正力卻增加很少。故能保持適宜的矯正力,既可保證療效,也可減輕患者的不適感。

三、存在的問題和研究方向

在SMA 的研究和應用中,目前尚存在許多有待解決的問題,例如:(1)由于SMA 的各種功能均依賴于馬氏體相變,需要不斷對其加熱、冷卻及加載、卸載,且材料變化具有遲滯性,因此SMA 只適用于低頻(10Hz 以下)窄帶振動中,這就大大限制了材料的應用。

(2)SMA 自身存在損傷和裂紋等缺陷,如何克服這些缺陷,改善材料性能是當前迫切需要解決的問題。

(3)現(xiàn)有的SMA 機構模型在實際工程應用中都還存在一些缺陷,如何克服這些缺點,從而精確地模擬出SMA 的材料行為也是一個需要研究的重要課題;(4)在醫(yī)學應用方面,還需繼續(xù)研究SMA 的生物相容性和細胞毒性。

(5)SMA 作為一種新型功能材料,其加工和制備工藝較難控制,目前還沒有形成一條SMA 自動生產(chǎn)線,此外材料成本也相當昂貴。

(6)為了提高應用水平,SMA 元器件還需要進一步微型化,提高反應速度和控制精度,在這方面仍有許多工作要做。

SMA 研究今后的發(fā)展方向和趨勢可歸納為以下幾方面:(1)充分發(fā)掘、改進和完善現(xiàn)有SMA 的性能;(2)研究開發(fā)新的具有形狀記憶效應的合金材料;(3)SMA 薄膜的研究與應用;(4)SMA 智能復合材料的研究與開發(fā);(5)高溫SMA 的開發(fā)。

四、前景展望

在形狀記憶合金的實用化進程中,急需積累并分析關于材料特性、功能可靠性、生物相容性和細胞毒性等方面的基礎數(shù)據(jù)資料?？梢灶A言,隨著對SMA 研究的進一步深化,傳統(tǒng)的機電一體化系統(tǒng)完全有可能發(fā)展成為材料電子一體化系統(tǒng)。用途：航天領域在室溫下用形狀記憶合金制成拋物面天線，然后把它揉成直徑5厘米以下的小團，放入阿波羅11號的艙內，在月面上經(jīng)太陽光的照射加熱使它恢復到原來的拋物面形狀。這樣就能用空間有限的火箭艙運送體積龐大的天線了。1)汽車：后霧燈罩、手動變速箱的防噪音裝置、燃料蒸發(fā)氣體排出控制閥；(2)電子設備：電子爐灶換氣門的開閉器、空調風向自動調節(jié)器、咖啡牛奶沸騰感知器、電飯鍋壓力調節(jié)器、電磁調理器過熱感知器、溫泉浴池調理器等；(3)安全器具：過熱報警器、火災報警器、煙灰缸滅火栓等；(4)醫(yī)療方面：人工牙根、牙齒矯正絲、導線等；(5)生活用品：自動干燥庫門開閉器、衛(wèi)生間洗滌器水管轉換開關、空調進出口風向調節(jié)器、浴池保溫器、玩具、路標方向指示轉換器、家庭換氣門開閉器、防火擋板、凈水器熱水防止閥、恒溫箱混合水栓溫度調節(jié)閥、眼鏡固定件、眼鏡框架、胸罩絲、釣魚線、便攜電話天線、裝飾品等。

五、結語

記憶合金目前已發(fā)展到幾十種，在航空、軍事、工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療等領域有著用途，而且發(fā)展趨勢十分可觀。這些研究表明我們已經(jīng)做出了一個邁步，但我們需要將這一步邁的更大。加以時日，它將大展宏圖、造福于人類。崔海寧.形狀記憶合金在建筑領域中的應用[J].山西建筑, 20062 高志剛.形狀記憶合金的應用[J].現(xiàn)代制造技術與裝備, 20073 吳根華.形狀記憶合金及其應用[J].安慶師范學院學報(自然科學版), 20044 周海鋒.形狀記憶合金及其應用[J].機電設備, 20025 王永前，趙連城.高溫形狀記憶合金研究進展[J].功能材料, 19956 楊凱,辜承林.形狀記憶合金的研究與應用[J].金屬功能材料, 2000 7 李建忱，呂曉霞，蔣青，周明.形狀記憶合金研究的回顧與前瞻[J].吉林工業(yè)大學學報, 1995 8 張紅，王小杰，涂水華.形狀記憶合金及其應用[J].河南科技, 19969 曹運紅.形狀記憶合金的發(fā)展及其在導彈與航天領域的應用[J].飛航導彈, 200010 肖恩忠.形狀記憶合金的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].工具技術, 200511 劉建輝, 李寧, 文玉華.形狀記憶合金的應用[J].機械,2001 , 28(3): 56～58

第五篇：新型智能材料(形狀記憶合金)論文

高分子形狀記憶合金的發(fā)展及趨勢

摘要：本論文主要討論形狀記憶合金相關內容,扼要地敘述了形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)以及發(fā)展歷史和分類, 介紹了形狀記憶合金在工程中應用的現(xiàn)狀以及發(fā)展前景。

關鍵詞：形狀記憶合金、形狀記憶合金效應、應用

一、引言

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy ,SMA)是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經(jīng)塑性形變并固定成另一種形狀后,通過加熱到某一臨界溫度以上又可恢復成初始形狀的一類合金。形狀記憶合金具有的能夠記住其原始形狀的功能稱為形狀記憶效應(Shape Memory Effect ,SME)。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形狀變化過程中產(chǎn)生較大回復應變和較大形狀回復力的,才具有利用價值。到目前為止,應用得最多的是Ni2Ti 合金和銅基合金(CuZnAl 和CuAlNi)。

形狀記憶合金作為一種特殊的新型功能材料,是集感知與驅動于一體的智能材料,因其功能獨特,可以制作小巧玲瓏、高度自動化、性能可靠的元器件而備受矚目,并獲得了廣泛應用。

二、形狀記憶合金的發(fā)展史

1932年,瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到“記憶”效應，即合金的形狀被改變之后，一旦加熱到一定的躍變溫度時，它又可以魔術般地變回到原來的形狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金。

1938年。當時美國的在Cu-Zn合金小發(fā)現(xiàn)了馬氏體的熱彈件轉變。隨后，前蘇聯(lián)對這種行為進行了研究。1951年美國的Chang相Read在Au47·5Cd(％原子)合金中發(fā)現(xiàn)了行狀記憶效應。這是最早觀察到金屬形狀記憶效應的報道。數(shù)年后，Burkhart 在In-Ti 合金中觀察到同樣的現(xiàn)象。然而在當時，這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)只被看作是個別材料的特殊現(xiàn)象而未能引起人們足夠的興趣和重視。直至1962年，美國海軍機械研究所r發(fā)現(xiàn)了Ni-Ti合金中的的形狀記憶效應，才開創(chuàng)了“形狀記憶”的實用階斷。

1969年，美國一家 公司首次將Ni-Ti合金制成管接頭應用于美國F14 戰(zhàn)斗機上；1970年，美國將Ti-Ni記憶合金絲制成宇宙飛船用天線。這些應用大大激勵了國際上對形狀記憶合金的研究與開發(fā)。20世紀7 年代，相繼開發(fā)出了Ni-Ti 基、Cu-Al2-Ni 基和Cu-Zn-Al 基形狀記憶合金；80 年代開發(fā)出了Fe-Mn-Si 基、不銹鋼基等鐵基形狀記憶合金，由于其成本低廉、加工簡便而引起材料工作者的極大興趣。從20世紀90 年代至今，高溫形狀記憶合金、寬滯后記憶合金以及記憶合金薄膜等已成為研究熱點。

從SMA 的發(fā)現(xiàn)至今已有四十余年歷史，美國、日本等國家對SMA 的研究和應用開發(fā)已較為成熟，同時也較早地實現(xiàn)了SMA 的產(chǎn)業(yè)化。我國從上世紀70 年代末才開始對SMA 的研究工作，起步較晚，但起點較高。在材料冶金學方面，特別是實用形狀記憶合金的煉制水平已得到國際學術界的公認，在應用開發(fā)上也有一些獨到的成果。但是，由于研究條件的限制，在SMA 的基礎理論和材料科學方面的研究我國與國際先進水平尚有一定差距，尤其是在SMA 產(chǎn)業(yè)化和工程應用方面與國外差距較大。

記憶合金主要分為以下幾種（1）單程記憶效應：

形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應。（2）雙程記憶效應：

某些合金加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時又能恢復低溫相形狀，稱為雙程記憶效應。

（3）全程記憶效應：

加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?，稱為全程記憶效應。SMA的形狀記憶效應源于熱彈性馬氏體相變，這種馬氏體一旦形成，就會隨著溫度下降而繼續(xù)生長，如果溫度上升它又會減少，以完全相反的過程消失。兩項自由能之差作為相變驅動力。兩項自由能相等的溫度T0稱為平衡溫度。只有當溫度低于平衡溫度T0時才會產(chǎn)生馬氏體相變，反之，只有當溫度高于平衡溫度T0時才會發(fā)生逆相變。

在SMA中，馬氏體相變不僅由溫度引起，也可以由應力引起，這種由應力引起的馬氏體相變叫做應力誘發(fā)馬氏體相變，且相變溫度同應力呈線性關系。

至今為止發(fā)現(xiàn)的記憶合金體系

Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。

形狀記憶合金的歷史只有70多年，開發(fā)迄今不過20余年，但由于其在各領域的特效應用，正廣為世人所矚目，被譽為“神奇的功能材料”，其實用價值相當廣泛，其應用范圍涉及機械、電子、化工、宇航、能源和醫(yī)療等許多領域。

二、形狀記憶效應的應用

迄今為止,形狀記憶合金在空間技術、醫(yī)療器械、機械器具、電子設備、能源開發(fā)、汽車工業(yè)及日常生活各方面都得到了廣泛的應用,總的來說,按使用特性的不同,可歸納為下面幾類:

(1)自由回復。

SMA 在馬氏體相時產(chǎn)生塑性形變,溫度升高自由回復到記憶的形狀。自由回復的典型例子是人造衛(wèi)星的天線和血栓過濾器。美國航空航天局(NASA)將Ti2Ni 合金板或棒卷成竹筍狀或旋渦狀發(fā)條,收縮后安裝在衛(wèi)星內。發(fā)射衛(wèi)星并進入軌道后,利用加熱器或太陽能加熱天線,使之向宇宙空間撐開。血栓過濾器把Ni2Ti 合金記憶成網(wǎng)狀,低溫下拉直,通過導管插入靜脈腔,經(jīng)體溫加熱后,形狀變?yōu)榫W(wǎng)狀,可以阻止凝血塊流動。有人設想,利用形狀記憶合金制作宇宙空間站的可展機構,即以小體積發(fā)射,于空間展開成所需的形狀,這是很有吸引力的機構。

(2)強制回復。

強制回復最成功的例子是SMA 管接頭。事先把內徑加工成比被接管外徑小4 % ,當進行連接操作時,首先把管接頭浸泡在液態(tài)空氣中,在低溫保溫狀態(tài)下擴徑后,把被接管從兩端插入,升高溫度,內徑回復到擴徑前的狀態(tài),把被接管牢牢箍緊。利用SMA 制作的腦動脈瘤夾可夾住動脈瘤根部,防止血液流入,使動脈瘤缺血壞死。本田等人用厚度為015mm 的Ti2Ni 板制作的Ag2TiNi 復合夾滿足小而輕、裝卸簡便等要求,效果良好。此外,類似的用途還有電源連接器、自緊固螺釘、自緊固夾板、固定銷、密封墊圈、接骨板和脊柱側彎嬌形哈倫頓棒等。

(3)動力裝置。

有些應用領域,要求形狀記憶元件在多次循環(huán)往復運動中對外產(chǎn)生力的作用。溫度繼電器和溫度保持器、自動干燥箱、電子灶、熱機、衛(wèi)星儀器艙窗門自動啟閉、自動火警警報器、熱敏閥門、液氨泄漏探測器、煤氣安全閥、通風管道緊急啟動閘門、自動收進煙頭的煙灰盒及人工心臟等都屬于這種應用類型。1997 年美國航空航天局(NASA)的科學家利用長3cm ,直徑0115mm(01006″)的Ni-Ti SMA 驅動火星探測器上的太陽能電池擋板,加熱SMA ,使其收縮,通過傳動裝置,打開太陽能電池上的玻璃擋板,電池充電。充電結束后,偏置彈簧重新使擋板復位。擋板的有效開合可起到防塵的目的。

(4)精密控制。

因為SMA 的相變發(fā)生在一定溫度范圍而不是某一固定溫度點,我們往往只利用一部分形狀回復,使機械裝置定位于指定的位姿。微型機器人、昆蟲型生物機械、機器人手抓及微型調節(jié)器、筆尖記錄器及醫(yī)用內窺鏡都屬于這一類。形狀記憶合金用作機器智能人的執(zhí)行器,集傳感、控制、換能、制動于一身,具有仿真性好、控制靈活、動作柔順、無振動噪聲、易于結構微型集成化等優(yōu)點。日本的日立公司已研制出具有13個自由度的能揀取雞蛋的機器人。俄羅斯St1Petersburg 機器人及控制技術學院在Cu-Al-Ni 基合金材料的研究基礎上,研制出了擬人機械手(115m 長),其手爪能移動200kg的物體。該研究小組還給出了手爪的精確控制系統(tǒng)。醫(yī)學上用到的具有多自由度能彎曲轉入腸道內診斷疾病,進行手術的機器人也屬于這一類型?，F(xiàn)有的大腸鏡的直徑為10～20mm ,這種內窺鏡的直徑為13mm ,因此它特別適用于作大腸鏡。診斷過程中,醫(yī)生一邊看纖維鏡中的圖象,一邊移動操縱桿給出前端的第1 ,2 節(jié)彎曲角指令和內窺鏡前進、后退指令,通過計算機進行柔性控制,使內窺鏡能夠平滑地沿著通路前進或后退,大大減小了患者的痛苦,也增加了診斷的準確性。隨著目前超大規(guī)模集成電路技術的飛速發(fā)展,可進一步制成微米級甚至更小的超微仿生物。

(5)超彈性應用。

SMA 的偽彈性在醫(yī)學上和日常生活中得到了廣泛的應用,市場上的很多產(chǎn)品都應用了SMA 的偽彈性(超彈性)性質。主要有牙齒嬌形絲、人工關節(jié)用自固定桿、接骨用超彈性Ni2Ti 絲、玩具及塑料眼鏡鏡框等。Ni2Ti 絲用于嬌形上,即使應變量高達10 %也不會產(chǎn)生塑性變形,而且應力誘發(fā)馬氏體相變的過程中,應變增大較多時矯正力卻增加很少。故能保持適宜的矯正力,既可保證療效,也可減輕患者的不適感。

三、存在的問題和研究方向

在SMA 的研究和應用中,目前尚存在許多有待解決的問題,例如:(1)由于SMA 的各種功能均依賴于馬氏體相變,需要不斷對其加熱、冷卻及加載、卸載,且材料變化具有遲滯性,因此SMA 只適用于低頻(10Hz 以下)窄帶振動中,這就大大限制了材料的應用。

(2)SMA 自身存在損傷和裂紋等缺陷,如何克服這些缺陷,改善材料性能是當前迫切需要解決的問題。

(3)現(xiàn)有的SMA 機構模型在實際工程應用中都還存在一些缺陷,如何克服這些缺點,從而精確地模擬出SMA 的材料行為也是一個需要研究的重要課題;(4)在醫(yī)學應用方面,還需繼續(xù)研究SMA 的生物相容性和細胞毒性。(5)SMA 作為一種新型功能材料,其加工和制備工藝較難控制,目前還沒有形成一條SMA 自動生產(chǎn)線,此外材料成本也相當昂貴。

(6)為了提高應用水平,SMA 元器件還需要進一步微型化,提高反應速度和控制精度,在這方面仍有許多工作要做。

SMA 研究今后的發(fā)展方向和趨勢可歸納為以下幾方面:(1)充分發(fā)掘、改進和完善現(xiàn)有SMA 的性能;(2)研究開發(fā)新的具有形狀記憶效應的合金材料;(3)SMA 薄膜的研究與應用;(4)SMA 智能復合材料的研究與開發(fā);(5)高溫SMA 的開發(fā)。

四、前景展望

在形狀記憶合金的實用化進程中,急需積累并分析關于材料特性、功能可靠性、生物相容性和細胞毒性等方面的基礎數(shù)據(jù)資料。可以預言,隨著對SMA 研究的進一步深化,傳統(tǒng)的機電一體化系統(tǒng)完全有可能發(fā)展成為材料電子一體化系統(tǒng)。

五、結語

記憶合金目前已發(fā)展到幾十種，在航空、軍事、工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療等領域有著用途，而且發(fā)展趨勢十分可觀。這些研究表明我們已經(jīng)做出了一個邁步，但我們需要將這一步邁的更大。加以時日，它將大展宏圖、造福于人類。

參考文獻 崔海寧.形狀記憶合金在建筑領域中的應用[J].山西建筑, 2006 2 高志剛.形狀記憶合金的應用[J].現(xiàn)代制造技術與裝備, 2007 3 吳根華.形狀記憶合金及其應用[J].安慶師范學院學報(自然科學版), 2004 4 周海鋒.形狀記憶合金及其應用[J].機電設備, 2002 5 王永前，趙連城.高溫形狀記憶合金研究進展[J].功能材料, 1995 6 楊凱,辜承林.形狀記憶合金的研究與應用[J].金屬功能材料, 2000 7 李建忱，呂曉霞，蔣青，周明.形狀記憶合金研究的回顧與前瞻[J].吉林工業(yè)大學學報, 1995 8 張紅，王小杰，涂水華.形狀記憶合金及其應用[J].河南科技, 1996 9 曹運紅.形狀記憶合金的發(fā)展及其在導彈與航天領域的應用[J].飛航導彈, 2000 10 肖恩忠.形狀記憶合金的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].工具技術, 2005 11 劉建輝, 李寧, 文玉華.形狀記憶合金的應用[J].機械,2001 , 28(3): 56～58