形状记忆合金(共7页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上学 院： 班 级： 姓 名： 学 号： 形状记忆合金摘要：二十一世纪将是材料一电子一体化的世纪。作为新型功能材料家庭中的重要成员，形状记忆合金在工程机械和日常生活中得到了广泛的应用。由形状记忆合金构成的结构简单、控制灵活、功率密度大的各类记忆合金驱动器，在轻型机器人及小型化系统中具有独特的技术优势。Abstract: The 21st century is the century electronic unifinication materials in one. As a kind of new functional materials important memb

2、ers of the family, shape memory alloy in engineering machinery and daily life has been widely used. The shape memory alloy consisting of flexible, simple structure, control the power densities in all kinds of memory alloy drive, light-duty robot and miniaturization has unique technology in the syste

3、m advantage.关键词：形状记忆合金，形状记忆效应，超弹性，应用Keywords: Shape memory alloy, Shape memory effect, Hyperelastic, Applications引言：记忆是人类和某些动物才具有的本领，但是有一些金属材料也具有“记忆”的功能，而且这种记忆功能有着重要作用。1951年人们首次在AuCd合金上发现独特的形状记忆效应，但直到1963年美国海军武器实验室发现TiNi合金具有形状记忆效应时，才引起人们对形状记忆合金的实用性寄予了很大的希望。迄今为止，已发现有20多种形状记忆合金，在工业自动化、能源、航空、航天、运输、建筑、医

4、疗、家电、仪器仪表以及日常生活用品等领域已得到广泛应用。一、 形状记忆效应形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称为SMA)是一种特殊的金属材料，经适当的热处理后即具有回复形状的能力，这种能力被称为形状记忆效应(Shape memory Effect，简称为SME)。研究表明，很多合金材料都具有SME，但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的，才具有利用价值。到目前为止，应用得最多的是NiTi合金和铜基合金(CuZnA1和C Ni)。最先在合金相变过程中观察到形状记忆效应的是Chang和Read，他们通过对AuCd的相变可逆性研究发现相变过程中发生了电阻率的变化

5、。1958年，在铜 (CuZn)中也发现了类似的现象。直到1962年，当Buehlerh和Co Workers在等原子的NiTi合金中发现了SME后，对SMA冶金学和应用的研究才蔚然兴起。随后的十年中，市场上出现了大量的利用SMA制造的产品。形状记忆效应主要分为单程形状记忆效应、双程形状记忆效应和全程形状记忆效应3种类型，如图1所示。从形状记忆效应机理上看，大部分合金和陶瓷等记忆材料的形状记忆效应是通过马氏体相变而完成的。也就是热弹性马氏体相变产生的低温相在加热时向高温相进行可逆转变的结果。但这种转变是有条件的，以合金为例，其条件必须是：马氏体相变是热弹性的；母体与马氏体相呈现有序点阵结构；马

6、氏体内部是孪晶变形的；相变时在晶体学上具有完全可逆性。其中形状记忆时晶体结构变化的模型如图2所示。形状记忆效应历程如图3所示。二、 形状记忆合金目前，人们已发现的形状记忆合金有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、NiAl、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等50多种，根据合金相组成和相变特征，具有较完全形状记忆效应的合金主要分为钛一镍系列形状记忆合金、铜基系列形状记忆合金和铁基系列形状记忆合金。其主要的形状记忆方面的性能如表1所示。其中

7、钛一镍系列合金是目前形状记忆合金中研究最全面、记忆性能最好、实用性强的合金材料。并且可以通过加入第3种元素、增加镍的含量、低温时效处理等方法提高合金的形状记忆性能和加工性能，拓宽应用范围。如用于航天、舰艇、海上石油平台等方面的液压管路接头；核反应堆工程中的热敏元件等。铜系列形状记忆合金种类比较多，主要包括CuznAl及CuznAl (X =Mn、Ni)，CuA1一Ni及CuAlNi (X =Ti、Mn)和CuZn (X =Si、Sn、Au)等系列。但是，铜系列合金的形状记忆效应明显低于钛一镍合金。提高这类合金的形状记忆性能的主要方法是加入适量的稀士和Ti、Mn、V、B等元素。另外，由于这类合金

8、的优点在于原料充足、容易加工、价格低、转变温度宽、热滞后小、导热性好，因此，具有一定的发展空间。铁系列形状记忆合金开发的比较晚，但因其具有便宜、易于加工、强度高、刚性好等特点而受到国内外的普遍重视，虽然铁合金的形状记忆效应不如钛一镍系列合金，但通过加入Ti、Cr、Co、Ni等元素进行改进，因此，发展的前途非常大。三、 形状记忆合金的应用由于SMA 的形状记忆效应和伪弹性，对温度和应力的变化非常敏感，产生的变形和可恢复力较一般的材料要大的多和抗疲劳性强等独有的特性，迄今为止，形状记忆合金在电子、机械、航天、建筑、运输、化学、医疗、能源以及日常生活中得到了广泛的应用。SMA 可加工成管接头、阻尼元

9、件、振动隔离器、地震抑制器、自动控制系统中的驱动器和控制器。利用SMA 对应变敏感，电阻率大，加热可产生大回复力特点，可将其用于裂纹的检测和控制。将SMA 丝或薄膜粘贴在易于产生裂纹或应力集中较大的地方，当产生裂纹后，SMA 就会随裂纹表面张开而产生变形，这样材料内部的电阻值就会发生变化，通过电阻值的变化就可判断裂纹的宽度，当裂纹的宽度超过一定的范围后，将SMA 加热，由此SMA就会收缩，产生回复力，该回复力可驱动裂纹闭合。SMA 在马氏体相时产生塑性形变，温度升高自由回复到记忆的形状。自由回复的典型例子是人造卫星的天线和血栓过滤器。美国航空航天局(NASA)将TiNi合金板或棒卷成竹笋状或旋

10、涡状发条，收缩后安装在卫星内。强制回复最成功的例子是SMA 管接头。事先把内径加工成比被接管外径小4%，当进行连接操作时，首先把管接头浸泡在液态空气中，在低温保温状态下扩径后，把被接管从两端插入，升高温度，内径回复到扩径前的状态，把被接管牢牢箍紧。利用SMA 制作的脑动脉瘤夹可夹住动脉瘤根部，防止血液流入，使动脉瘤缺血坏死。此外，类似的用途还有电源连接器、自紧固螺钉、自紧固夹板、固定销、密封垫圈、接骨板和脊柱侧弯娇形哈伦顿棒等。有些应用领域，要求形状记忆元件在多次循环往复运动中对外产生力的作用。温度继电器和温度保持器、自动干燥箱、电子灶、热机、卫星仪器舱窗门自动启闭、自动火警警报器、热敏阀门、

11、液氨泄漏探测器、煤气安全阀、通风管道紧急启动闸门、自动收进烟头的烟灰盒及人工心脏等都属于这种应用类型。因为SMA 的相变发生在一定温度范围而不是某一固定温度点，我们往往只利用一部分形状回复，使机械装置定位于指定的位姿。微型机器人、昆虫型生物机械、机器人手抓及微型调节器、笔尖记录器及医用内窥镜都属于这一类。形状记忆合金用作机器智能人的执行器，集传感、控制、换能、制动于一身，具有仿真性好、控制灵活、动作柔顺、无振动噪声、易于结构微型集成化等优点。SMA 的伪弹性在医学上和日常生活中得到了广泛的应用，市场上的很多产品都应用了SMA 的伪弹性(超弹性)性质。NiTi合金材料具有良好的抗腐蚀性和生物相容

12、性，可以制成极小的尺寸，既具有良好的弹性又具有足够的温度，在生物医学上有其他材料不可替代的广泛用途。主要有牙齿娇形丝、人工关节用自固定杆、接骨用超弹性NiTi丝、玩具及塑料眼镜镜框等。NiTi丝用于娇形上，即使应变量高达10 也不会产生塑性变形，而且应力诱发马氏体相变的过程中，应变增大较多时矫正力却增加很少。故能保持适宜的矫正力，既可保证疗效，也可减轻患者的不适感。关于SMA具体的用途如表二所示：四、 形状记忆合金的高科技应用展望20世纪是机电学的时代。传感集成电路驱动是最典型的机械电子控制系统，但复杂而庞大。形状记忆材料兼有传感和驱动的双重功能，可以实现控制系统的微型化和智能化，如全息机器人、毫米级超微型机械手等。21世纪将成为材料电子学的时代。形状记忆合金的机器人的动作除温度外不受任何环境条件的影响，可望在反应堆、加速器、太空实验室等高技术领域大显身手。形状记忆合金是面向21世纪的新型功能材料，并且在航空、军事、工业、农业、医疗等领域有着用途，而且有着十分可观的发展趋势。随着人们研究的深入，形状记忆材料必将会有更大的进步，来造福于人类。 参考文献1杨凯，辜承林，21世纪的新型功能材料一形状记忆合金，金属功能材料，2004.122 吴根华