第一篇：形狀記憶高分子介紹

形狀記憶高分子介紹

（一）、定義

形狀記憶高分子（Shape Memory Polymer）SMP材料是指具有初始形狀的制品，在一定的條件下改變其初始形狀并固定后,通過外界條件（如熱、光、電、化學(xué)感應(yīng)）等的刺激，又可恢復(fù)其初始形狀的高分子材料。

（二）、聚合物形狀記憶機理

高聚物的各種性能是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的本質(zhì)反映，而聚合物的形狀記憶功能是有其特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。目前開發(fā)的形狀記憶聚合物一般是有保持固定成品形狀的固定相和在某種溫度下能可逆的發(fā)生軟化—硬化的可逆相組成。固定相的作用是初始形狀的記憶和恢復(fù)，第二次變形和固定則是有可逆相來完成。固定相可以是聚合物的交聯(lián)結(jié)構(gòu)、部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)、聚合物的玻璃態(tài)或分子鏈的纏繞等。可逆相則為產(chǎn)生結(jié)晶與結(jié)晶熔融可逆變化的部分結(jié)晶相，或發(fā)生玻璃態(tài)與橡膠態(tài)可逆轉(zhuǎn)變（玻璃化溫度Tg）的相結(jié)構(gòu)。

1． 形狀記憶原理

形狀記憶性是指某種材料在成型加工過程中形成某種固有形狀的物品，在某些條件下發(fā)生變形并被固定下來后，當需要它時只要對它施加一定手段（如加熱，光照，通電，化學(xué)處理等），使其迅速恢復(fù)到初始形狀。

也就是說，具有形狀記憶性的物質(zhì)就像有生命的東西，當其在成型加工中被塑造成具有某種固有的初始形狀的物品后，就對自己所獲得的這種初始形狀始終保持有終生記憶的特殊功能，即使在某些情況下被迫改變了本來面目，但只要具備了適當?shù)臈l件，就會迅速恢復(fù)到原有的初始形狀。

這種可逆性的變化可循環(huán)往復(fù)許多次，甚至幾萬次。高分子材料的形狀記憶性，是通過它所具有的多重結(jié)構(gòu)的相態(tài)變化來實現(xiàn)，如結(jié)晶的形成與熔化，玻璃化與橡膠態(tài)的轉(zhuǎn)化等。迄今開發(fā)的形狀記憶高分子材料都具有兩相結(jié)構(gòu)，即能夠固定和保持其成型物品固有初始形狀的固定相以及在一定條件下能可逆地發(fā)生軟化與固化，從而獲得二次形狀的可逆相。這兩相結(jié)構(gòu)的實質(zhì)就是對應(yīng)著形狀記憶高分子內(nèi)部多重結(jié)構(gòu)中的結(jié)點（如大分子鍵間的纏繞處，聚合物中的晶區(qū)，多相體系中的微區(qū)，多嵌段聚合物中的硬段，分子鍵間的交聯(lián)鍵等）和這些結(jié)點之間的柔性連段。

簡言之，就是由固定相或稱硬相(hard domain)和軟化-硬化可逆相或稱軟相(soft domain)構(gòu)成，通過可逆相的可逆變化而具有形狀記憶效應(yīng)。

第二篇：形狀記憶合金材料的應(yīng)用

形狀記憶合金材料的性質(zhì)與應(yīng)用綜述

【摘要】形狀記憶合金是一種新型功能材料，在各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文簡要介紹了形狀記憶合金的特性、應(yīng)用以及發(fā)展前景?！娟P(guān)鍵詞】形狀記憶合金 應(yīng)用 發(fā)展現(xiàn)狀

【引言】形狀記憶合金（Shape Memory Alloys, SMA），是一種在加熱升溫后能完全消除其在較低的溫度下發(fā)生的變形，恢復(fù)其變形前原始形狀的合金材料。最早關(guān)于形狀記憶效應(yīng)的報道是由Chang及Read等人在1952年做出的。他們觀察到Au-Cd合金中相變的可逆性。[3]后來在Cu-Zn合金中也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象，但當時并未引起人們的廣泛注意。直到1962年，Buehler及其合作者在等原子比的Ti-Ni合金中觀察到具有宏觀形狀變化的記憶效應(yīng)，才引起了科學(xué)界與工業(yè)界的重視。這種新型功能材料目前已廣泛用于電子儀器、汽車工業(yè)、醫(yī)療器械、空間技術(shù)和能源開發(fā)等領(lǐng)域。

一、形狀記憶合金的分類

1、單程記憶效應(yīng)：形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)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(yīng)。

2、雙程記憶效應(yīng)：某些合金加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)。

3、全程記憶效應(yīng)：加熱時恢復(fù)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(yīng)。

二、形狀記憶合金的特性

1、形狀記憶效應(yīng)：合金在某一溫度下受外力而變形，當外力去除后，仍保持其變形后的形狀，但當溫度上升到某一溫度，材料會自動回復(fù)到變形前原有的形狀，似乎對以前的形狀保持記憶，這種效應(yīng)稱為形狀記憶效應(yīng)。

2、超彈性：在高于Af點、低于Md點的溫度下施加外應(yīng)力時產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變,卸載就產(chǎn)生逆相變,應(yīng)變完全消失,回到母相狀態(tài),表觀上呈現(xiàn)非線性擬彈性應(yīng)變,這種現(xiàn)象稱為超彈性。

3、高阻尼特性：形狀記憶合金在低于Ms點的溫度下進行熱彈性馬氏體相變，生成大量馬氏體變體(結(jié)構(gòu)相同、取向不同)，變體間界面能和馬氏體內(nèi)部孿晶界面能都很低，易于遷移，能有效地衰減振動、沖擊等外來的機械能，因此阻尼特性特別好。

4、耐磨性：在形狀記憶合金中，Ti-Ni合金在高溫(CsCl型體心立方結(jié)構(gòu))狀態(tài)下同時具有很好的耐腐蝕性和耐磨性?？捎米髟诨そ橘|(zhì)中接觸滑動部位的機械密封材料，原子能反應(yīng)堆中用做冷卻水泵機械密封件。

5、逆形狀記憶特性：將Cu-Zn-Al記憶合金在Ms點上下的很小溫度范圍內(nèi)進行大應(yīng)變量變形,然后加熱到高于Af點的溫度時形狀不完全恢復(fù)，但再加熱到高于200oC時卻逆向地恢復(fù)到變形后的形狀，稱為逆形狀記憶特性。

三、形狀記憶合金在各領(lǐng)域的應(yīng)用

1、醫(yī)療方面：

Ni-Ti合金是醫(yī)用生物材料的佼佼者，在臨床醫(yī)學(xué)和醫(yī)療器械等方面廣泛應(yīng)用。[1]如介入療法，將各類人體腔內(nèi)支架、經(jīng)過預(yù)壓縮變形后,能夠經(jīng)過很小的腔隙安放到人體血管、消化道、呼吸道、以及尿道等各種狹窄部位，支架擴展后，在人體腔內(nèi)支撐起狹小的腔道。具有療效可靠、使用方便、可大大縮短治療時間和減少費用等優(yōu)點。傳統(tǒng)的骨傷手術(shù)器械包括接骨鋼板、螺釘、鋼絲等，手術(shù)時醫(yī)生要進行鉆孔、楔入、捆扎等復(fù)雜操作，對患者的機體不可避免要造成人為損傷。用形狀記憶合金骨科器械手術(shù)時，醫(yī)生先用低溫(0~5攝氏度)消毒鹽水冷卻記憶合金器械，然后根據(jù)需要改變其抱合部位的形狀，安裝于患者骨傷部位。待患者體溫將其加熱到設(shè)定的溫度時，器械的變形部分便恢復(fù)到原來設(shè)計的形狀，從而將傷骨緊緊抱合，起到固定與支撐的作用。不僅具有手術(shù)操作簡便、縮短時間和愈合周期、生物相容性優(yōu)良、降低人為性損傷等優(yōu)點，而且其強度是不銹鋼的4倍，不會發(fā)生彎曲與斷裂。血栓濾器也是一種記憶合金新產(chǎn)品。被拉直的濾器植入靜脈后，會逐漸恢復(fù)成網(wǎng)狀，從而阻止95%的凝血塊流向心臟和肺部。

2、工業(yè)方面

在機械零件的連接、管道的連接,飛機的空中加油的接口處，用形狀記憶合金加工成內(nèi)徑比欲連接管的外徑小4%的套管，然后在液氮溫度下將套管擴徑約8%，裝配時將這種套管從液氮取出,把欲連接的管子從兩端插入。當溫度升高至常溫時，利用電加熱改變溫度,接口處記憶合金變形，套管收縮即形成緊固密封，遠勝于焊接，特別適合用于航空、航天、核工業(yè)及船艦和海底輸油管道等。[1]利用記憶合金的感溫驅(qū)動雙重功能，制作機器人、機械手，體型微小，結(jié)構(gòu)緊湊。在建筑領(lǐng)域，利用形狀記憶合金制成阻尼耗能裝置、隔震裝置、結(jié)構(gòu)加固元件。

3、日常生活

利用形狀記憶合金控制浴室水管的水溫，在熱水溫度過高時通過記憶功能，調(diào)節(jié)或關(guān)閉供水管道。還可以放在暖氣的閥門內(nèi)，用以保持室內(nèi)的溫度，當溫度過低或過高時，自動開啟或關(guān)閉暖氣的閥門。還可以制成超彈性眼鏡架，如果不小心眼鏡架被碰彎曲了，只要將其放在熱水中加熱就可以恢復(fù)原狀。

4、航天領(lǐng)域的應(yīng)用

形狀記憶合金已應(yīng)用到航空和太空裝置。如用在軍用飛機的液壓系統(tǒng)中的低溫配合連接件，歐洲和美國正在研制用于直升飛機的智能水平旋翼中的形狀記憶合金材料。在太空方面,俄羅斯制作的形狀記憶合金裝置已達到了實用水平，如用于空間計劃的大型天線和MIR空間站天線桿的連接與裝配。[2]在美國，太空計劃應(yīng)用形狀記憶合金的驅(qū)動插銷釋放發(fā)射后的有效載荷，也已證實是成功的。

四、形狀記憶合金的發(fā)展前景

形狀記憶效應(yīng)的研究開發(fā)雖然已有50多年的歷史，但人們對它的關(guān)心和研究勢頭并未衰減。形狀記憶材料，從最初的合金已擴展到陶瓷和高分子材料；并且各種先進的生產(chǎn)工藝技術(shù)已被用到形狀記憶材料的研究、開發(fā)和應(yīng)用中，例如復(fù)合技術(shù)、快速冷凝技術(shù)、薄膜制作技術(shù)等的應(yīng)用，已導(dǎo)致了復(fù)合形狀記憶材料、薄帶形狀的記憶材料、薄膜形狀記憶材料的出現(xiàn)和開發(fā)應(yīng)用。形狀記憶材料在智能材料系統(tǒng)中受到高度重視。作為一種與高科技密切相關(guān)的新型功能材料，將會在軍事與民用諸多領(lǐng)域中有重要應(yīng)用，在未來科技進步中必將有更大的發(fā)展。[4]

【參考文獻】

[1] 耿冰 形狀記憶合金的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用特點 遼寧大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版 2007第34卷 第3期

[2] 王輝，陳再良 形狀記憶合金材料的應(yīng)用 機械工程材料 第26卷第3期

[3] 吳波，李惠，孫科學(xué) 形狀記憶合金在土木工程中的應(yīng)用 世界地震工程 15卷3期 [4] 郭世海，張羊換，王新林 磁性形狀記憶合金的研究現(xiàn)狀及發(fā)展 稀有金屬 第29卷第3期

第三篇：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(jié)構(gòu)：910℃以下為具有體心立方晶格結(jié)構(gòu)的α——鐵，910℃以上為具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，這樣的物質(zhì)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(zhuǎn)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(guān)內(nèi)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(yīng)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(fù)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(yīng)(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(fù)應(yīng)變和較大形狀回復(fù)力的,才具有利用價值。到目前為止,應(yīng)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(qū)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(yīng)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(yīng)，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(shù)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(zhuǎn)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(yīng)。這是最早觀察到金屬形狀記憶效應(yīng)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(yīng)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xué)方面，特別是實用形狀記憶合金的煉制水平已得到國際學(xué)術(shù)界的公認，在應(yīng)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(chǔ)理論和材料科學(xué)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(yīng)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(yīng)：

形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)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(yīng)。（2）雙程記憶效應(yīng)：

某些合金加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)。（3）全程記憶效應(yīng)： 加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤睿Q為全程記憶效應(yīng)。SMA的形狀記憶效應(yīng)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(qū)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(yīng)力引起，這種由應(yīng)力引起的馬氏體相變叫做應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，且相變溫度同應(yīng)力呈線性關(guān)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(lǐng)域的特效應(yīng)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(yīng)用范圍涉及機械、電子、化工、宇航、能源和醫(yī)療等許多領(lǐng)域.二、形狀記憶效應(yīng)的應(yīng)用

迄今為止,形狀記憶合金在空間技術(shù)、醫(yī)療器械、機械器具、電子設(shè)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(yīng)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(fù)。

SMA 在馬氏體相時產(chǎn)生塑性形變,溫度升高自由回復(fù)到記憶的形狀。自由回復(fù)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(nèi)。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(dǎo)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(shè)想,利用形狀記憶合金制作宇宙空間站的可展機構(gòu),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(gòu)。(2)強制回復(fù)。

強制回復(fù)最成功的例子是SMA 管接頭。事先把內(nèi)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(nèi)徑回復(fù)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(fù)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(cè)彎嬌形哈倫頓棒等。(3)動力裝置。

有些應(yīng)用領(lǐng)域,要求形狀記憶元件在多次循環(huán)往復(fù)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(fēng)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(yīng)用類型。1997 年美國航空航天局(NASA)的科學(xué)家利用長3cm ,直徑0115mm(01006″)的Ni-Ti SMA 驅(qū)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(jié)束后,偏置彈簧重新使擋板復(fù)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(fù),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(diào)節(jié)器、筆尖記錄器及醫(yī)用內(nèi)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(jié)構(gòu)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(shù)學(xué)院在Cu-Al-Ni 基合金材料的研究基礎(chǔ)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(xué)上用到的具有多自由度能彎曲轉(zhuǎn)入腸道內(nèi)診斷疾病,進行手術(shù)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(nèi)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(nèi)窺鏡前進、后退指令,通過計算機進行柔性控制,使內(nèi)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(shù)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(yīng)用。

SMA 的偽彈性在醫(yī)學(xué)上和日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用,市場上的很多產(chǎn)品都應(yīng)用了SMA 的偽彈性(超彈性)性質(zhì)。主要有牙齒嬌形絲、人工關(guān)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(yīng)變量高達10 %也不會產(chǎn)生塑性變形,而且應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的過程中,應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(gòu)模型在實際工程應(yīng)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(xué)應(yīng)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(yīng)用水平,SMA 元器件還需要進一步微型化,提高反應(yīng)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(yīng)的合金材料;(3)SMA 薄膜的研究與應(yīng)用;(4)SMA 智能復(fù)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(guān)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(chǔ)數(shù)據(jù)資料?？梢灶A(yù)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(lǐng)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(nèi)，在月面上經(jīng)太陽光的照射加熱使它恢復(fù)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(shè)備：電子爐灶換氣門的開閉器、空調(diào)風(fēng)向自動調(diào)節(jié)器、咖啡牛奶沸騰感知器、電飯鍋壓力調(diào)節(jié)器、電磁調(diào)理器過熱感知器、溫泉浴池調(diào)理器等；(3)安全器具：過熱報警器、火災(zāi)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(dǎo)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(zhuǎn)換開關(guān)、空調(diào)進出口風(fēng)向調(diào)節(jié)器、浴池保溫器、玩具、路標方向指示轉(zhuǎn)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(diào)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(jié)語

記憶合金目前已發(fā)展到幾十種，在航空、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)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(lǐng)域中的應(yīng)用[J].山西建筑, 20062 高志剛.形狀記憶合金的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備, 20073 吳根華.形狀記憶合金及其應(yīng)用[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版), 20044 周海鋒.形狀記憶合金及其應(yīng)用[J].機電設(shè)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(yīng)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(xué)學(xué)報, 1995 8 張紅，王小杰，涂水華.形狀記憶合金及其應(yīng)用[J].河南科技, 19969 曹運紅.形狀記憶合金的發(fā)展及其在導(dǎo)彈與航天領(lǐng)域的應(yīng)用[J].飛航導(dǎo)彈, 200010 肖恩忠.形狀記憶合金的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].工具技術(shù), 200511 劉建輝, 李寧, 文玉華.形狀記憶合金的應(yīng)用[J].機械,2001 , 28(3): 56～58

第四篇：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(guān)內(nèi)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(yīng)用的現(xiàn)狀以及發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：形狀記憶合金、形狀記憶合金效應(yīng)、應(yīng)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(fù)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(yīng)(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(fù)應(yīng)變和較大形狀回復(fù)力的,才具有利用價值。到目前為止,應(yīng)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(qū)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(yīng)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(yīng)，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(shù)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(zhuǎn)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(yīng)。這是最早觀察到金屬形狀記憶效應(yīng)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(yīng)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xué)方面，特別是實用形狀記憶合金的煉制水平已得到國際學(xué)術(shù)界的公認，在應(yīng)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(chǔ)理論和材料科學(xué)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(yīng)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(yīng)：

形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)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(yīng)。（2）雙程記憶效應(yīng)：

某些合金加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)。

（3）全程記憶效應(yīng)：

加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤睿Q為全程記憶效應(yīng)。SMA的形狀記憶效應(yīng)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(qū)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(yīng)力引起，這種由應(yīng)力引起的馬氏體相變叫做應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，且相變溫度同應(yīng)力呈線性關(guān)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(lǐng)域的特效應(yīng)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(yīng)用范圍涉及機械、電子、化工、宇航、能源和醫(yī)療等許多領(lǐng)域。

二、形狀記憶效應(yīng)的應(yīng)用

迄今為止,形狀記憶合金在空間技術(shù)、醫(yī)療器械、機械器具、電子設(shè)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(yīng)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(fù)。

SMA 在馬氏體相時產(chǎn)生塑性形變,溫度升高自由回復(fù)到記憶的形狀。自由回復(fù)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(nèi)。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(dǎo)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(shè)想,利用形狀記憶合金制作宇宙空間站的可展機構(gòu),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(gòu)。

(2)強制回復(fù)。

強制回復(fù)最成功的例子是SMA 管接頭。事先把內(nèi)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(nèi)徑回復(fù)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(fù)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(cè)彎嬌形哈倫頓棒等。

(3)動力裝置。

有些應(yīng)用領(lǐng)域,要求形狀記憶元件在多次循環(huán)往復(fù)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(fēng)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(yīng)用類型。1997 年美國航空航天局(NASA)的科學(xué)家利用長3cm ,直徑0115mm(01006″)的Ni-Ti SMA 驅(qū)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(jié)束后,偏置彈簧重新使擋板復(fù)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(fù),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(diào)節(jié)器、筆尖記錄器及醫(yī)用內(nèi)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(jié)構(gòu)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(shù)學(xué)院在Cu-Al-Ni 基合金材料的研究基礎(chǔ)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(xué)上用到的具有多自由度能彎曲轉(zhuǎn)入腸道內(nèi)診斷疾病,進行手術(shù)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(nèi)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(nèi)窺鏡前進、后退指令,通過計算機進行柔性控制,使內(nèi)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(shù)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(yīng)用。

SMA 的偽彈性在醫(yī)學(xué)上和日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用,市場上的很多產(chǎn)品都應(yīng)用了SMA 的偽彈性(超彈性)性質(zhì)。主要有牙齒嬌形絲、人工關(guān)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(yīng)變量高達10 %也不會產(chǎn)生塑性變形,而且應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的過程中,應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(gòu)模型在實際工程應(yīng)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(xué)應(yīng)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(yīng)用水平,SMA 元器件還需要進一步微型化,提高反應(yīng)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(yīng)的合金材料;(3)SMA 薄膜的研究與應(yīng)用;(4)SMA 智能復(fù)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(guān)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(chǔ)數(shù)據(jù)資料。可以預(yù)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(jié)語

記憶合金目前已發(fā)展到幾十種，在航空、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)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(lǐng)域中的應(yīng)用[J].山西建筑, 2006 2 高志剛.形狀記憶合金的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備, 2007 3 吳根華.形狀記憶合金及其應(yīng)用[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版), 2004 4 周海鋒.形狀記憶合金及其應(yīng)用[J].機電設(shè)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(yīng)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(xué)學(xué)報, 1995 8 張紅，王小杰，涂水華.形狀記憶合金及其應(yīng)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(dǎo)彈與航天領(lǐng)域的應(yīng)用[J].飛航導(dǎo)彈, 2000 10 肖恩忠.形狀記憶合金的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].工具技術(shù), 2005 11 劉建輝, 李寧, 文玉華.形狀記憶合金的應(yīng)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

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(guān)內(nèi)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(yīng)用的現(xiàn)狀以及發(fā)展前景。

一、引言

二、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(fù)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(yīng)(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(fù)應(yīng)變和較大形狀回復(fù)力的,才具有利用價值。到目前為止,應(yīng)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(qū)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(yīng)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(yīng)，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(shù)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(zhuǎn)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(yīng)。這是最早觀察到金屬形狀記憶效應(yīng)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(yīng)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xué)方面，特別是實用形狀記憶合金的煉制水平已得到國際學(xué)術(shù)界的公認，在應(yīng)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(chǔ)理論和材料科學(xué)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(yīng)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(yīng)：

形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)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(yīng)。

（2）雙程記憶效應(yīng)：

某些合金加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)。

（3）全程記憶效應(yīng)：

加熱時恢復(fù)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(yīng)。SMA的形狀記憶效應(yīng)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(qū)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(yīng)力引起，這種由應(yīng)力引起的馬氏體相變叫做應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，且相變溫度同應(yīng)力呈線性關(guān)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(lǐng)域的特效應(yīng)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(yīng)用范圍涉及機械、電子、化工、宇航、能源和醫(yī)療等許多領(lǐng)域.二、形狀記憶效應(yīng)的應(yīng)用

迄今為止,形狀記憶合金在空間技術(shù)、醫(yī)療器械、機械器具、電子設(shè)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(yīng)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(fù)。

SMA 在馬氏體相時產(chǎn)生塑性形變,溫度升高自由回復(fù)到記憶的形狀。自由回復(fù)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(nèi)。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(dǎo)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(shè)想,利用形狀記憶合金制作宇宙空間站的可展機構(gòu),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(gòu)。

(2)強制回復(fù)。

強制回復(fù)最成功的例子是SMA 管接頭。事先把內(nèi)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(nèi)徑回復(fù)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(fù)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(cè)彎嬌形哈倫頓棒等。

(3)動力裝置。

有些應(yīng)用領(lǐng)域,要求形狀記憶元件在多次循環(huán)往復(fù)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(fēng)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(yīng)用類型。1997 年美國航空航天局(NASA)的科學(xué)家利用長3cm ,直徑0115mm(01006″)的Ni-Ti SMA 驅(qū)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(jié)束后,偏置彈簧重新使擋板復(fù)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(fù),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(diào)節(jié)器、筆尖記錄器及醫(yī)用內(nèi)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(jié)構(gòu)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(shù)學(xué)院在Cu-Al-Ni 基合金材料的研究基礎(chǔ)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(xué)上用到的具有多自由度能彎曲轉(zhuǎn)入腸道內(nèi)診斷疾病,進行手術(shù)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(nèi)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(nèi)窺鏡前進、后退指令,通過計算機進行柔性控制,使內(nèi)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(shù)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(yīng)用。

SMA 的偽彈性在醫(yī)學(xué)上和日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用,市場上的很多產(chǎn)品都應(yīng)用了SMA 的偽彈性(超彈性)性質(zhì)。主要有牙齒嬌形絲、人工關(guān)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(yīng)變量高達10 %也不會產(chǎn)生塑性變形,而且應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的過程中,應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(gòu)模型在實際工程應(yīng)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(xué)應(yīng)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(yīng)用水平,SMA 元器件還需要進一步微型化,提高反應(yīng)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(yīng)的合金材料;(3)SMA 薄膜的研究與應(yīng)用;(4)SMA 智能復(fù)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(guān)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(chǔ)數(shù)據(jù)資料?？梢灶A(yù)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(lǐng)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(nèi)，在月面上經(jīng)太陽光的照射加熱使它恢復(fù)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(shè)備：電子爐灶換氣門的開閉器、空調(diào)風(fēng)向自動調(diào)節(jié)器、咖啡牛奶沸騰感知器、電飯鍋壓力調(diào)節(jié)器、電磁調(diào)理器過熱感知器、溫泉浴池調(diào)理器等；(3)安全器具：過熱報警器、火災(zāi)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(dǎo)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(zhuǎn)換開關(guān)、空調(diào)進出口風(fēng)向調(diào)節(jié)器、浴池保溫器、玩具、路標方向指示轉(zhuǎn)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(diào)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(jié)語

記憶合金目前已發(fā)展到幾十種，在航空、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)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。

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