形状记忆合金课件

形状记忆合金及其应用1形状记忆合金总论形状记忆合金(ShapeMemoryAlloys，SMA)是近几十年发展起来的一种新型的智能材料，它既有传感功能(感知和接收应力、应变、电、热等信号)，又有驱动功能(能对激励产生响应)，它具有形状记忆效应(SME)、超弹性效应(PE)、高阻尼和电阻突变等独特的性能，此外，该合金还具有比强度高、无磁性、耐腐蚀、耐磨损、生物相容性好等特性。目前已逐步应用于航空航天飞行器、空间结构平台、机器人、核反应堆、建筑及桥梁结构、海洋结构等方面，以实现结构的主被动变形控制、振动控制及在线监测结构内部的应力、应变、温度、损伤等状况。SMA的独特性能使其在近几十年来一直是国内外学者研究的热点和难点，至今为止，发现具有形状记忆效应的合金材料共有二十种，大致可分为NiTi基合金、Cu基合金和Fe基合金三大类；而如果按添加不同元素的合金单独计算，则有上百种。其中NiTi基合金性能稳定、可靠，是目前应用最为广泛的形状记忆材料，国内外在航天、航空、机械、电子、交通、能源、生物医学以及日常生活等领域中SMA的研究、应用方面积累了大量的实际经验。形状记忆效应最早是1932年由Olander在研究Au-Cd合金时发现的，但一直没有引起足够的重视。直到1963年，美国海军武器实验室布勒(W.J.Buehler)等，奉命研制新式装备，需要TiNi合金丝，因为领回来的TiNi合金丝是弯曲的，使用不方便，于是他们就将细丝拉直，试验中，当温度升到一定值的时候，已经被拉直的TiNi合金丝，突然又全部恢复到原来弯曲的形状，而且和原来一模一样，反复作了多次试验，结果证实这些细丝确实有“形状记忆力”。后来他们研制出具有实用价值的TiNi形状记忆合金。记忆效应的发现双程CuZnAl记忆合金花

采用CuZnAl记忆合金片，以热水或热风为热源，开放温度为65℃~85℃，闭合温度为室温。花蕾直径80mm,展开直径200mm。动作幅度为1800。另外，可据用户要求订做。

通过形状记忆合金模仿肌肉的收缩来实现人工肌肉的功能。用背部的金属纤维振动翅膀。2形状记忆合金的四大特性SMA最具代表性的特性是形状记忆效应和超弹性，以及高阻尼效应和电阻效应。而SMA的特性与马氏体的相变和逆相变等密切相关，为此定义了相变的四个特征温度：马氏体(M)相变开始温度Ms及结束温度Mf、奥氏体(A)相变开始温度As及结束温度Af，一般Mf<Ms<As<Af

。SMA相变过程中内部晶体结构变化的模型如图所示。SMA晶体结构变化模型(3)阻尼效应：SMA热诱发马氏体相变及其逆相变过程中各种界面(孪晶面、相界面、变体界面)的可逆迁移需吸收能量，即可逆马氏体相变具有阻尼作用。SMA的阻尼可以达到10-1数量级，且阻尼随振动频率的增大而显著减小，当频率高于某一临界值时，其阻尼较小且趋于稳定；在一定范围内，阻尼随振幅和预应力的增大而增大。用于控制结构振动。(4)电阻效应：降温时，当温度到SMA马氏体相变开始温度(Ms)时，其电阻率显著增加；升温时，当温度达到奥氏体相变开始温度(As)时，其电阻率显著降低。用于制作温度传感器。3形状记忆合金本构方程及参数测量形状记忆材料的特殊行为给本构关系的描述带来了很大难度，直到1979年Mulel构造了超弹性体的相变模型，关于形状记忆合金本构关系的研究才大规模地展开。在过去的20多年，各国学者从各种不同角度构造了不同类型的本构关系，主要可以分为三大类:细观热动力学模型、细观力学模型和宏观唯象模型。细观热动力学模型，主要是通过描述一个在有限区域内含有一个无限小的热动力学过程来构造相变过程中自由能。详细描述了材料在相变过程中马氏体的形核与长大，两相截面的移动等细观过程，这类模型有助于理解材料的相变过程，但很难应用于工程实际。建立在实验基础上描述材料宏观行为的唯象理论模型，由于模型简单，引入参数少且容易由实验获得，近10多年来有很大的发展，在智能结构的分析中也发挥了巨大的作用，这些模型都是基于热力学、热动力学和相变动力学的本构关系。在实际中应用较多的模型有Tanaka模型、liangandRogers模型和Brinson模型。这三个模型在本质上是相似的，Liang-Rogers都是基于能量守恒及Clausius-Duhen不等式，从热力学第一、第二定律出发，利用Helmholtz自由能，并将形状记忆合金的相变过程，简化为马氏体体积百分数杏的变化过程。这三个模型的主要区别是，他们所采用的描述马氏体体积百分数咨变化规律的相变演化方程不同。细观力学模型仍然以热力学为基础描述，用相变过程中能量的变化来描述形状记忆合金材料的相变过程，所不同的是它采用细观力学的方法来描述形状记忆合金在相变过程中两种组织的相互作用能，因此建立在细观力学基础上的本构模型为形状记忆合金材料的宏观力学行为找到了理论依据。3.2

LiangandRogers模型3.4

BoydandLagoudas模型3.5参数测量为了获取上面描述形状记忆合金本构方程的参数，需要一系列的试验，试验设计的原则是尽量使得参数测量过程解耦。这一系列的试验包括：(1)SMA相变点温度的测试(2)恒定温度下应力—应变测试(3)自由状态下应变—温度测试(4)恒定应变下应力—温度的测试3.6基于热分析法(DSC)SMA相变温度的测量物质在升温以及降温过程中，若发生了物理或化学上的反应，就会有热量的释放和吸收，从而在温度记录曲线上有异常反映，我们将这种现象称之为热效应。热分析法测相变的原理为相变热力学，在连续冷却过程中，需要有过冷度或者过热度才能发生相变。因此，在其平衡温度上下的相变点内，两相之间将有自由能差，这些自由能在发生相变时，其外观表现为冷却曲线将在此温度发生转变。3.6.1测试原理形状记忆合金相变温度主要包括：加热时马氏体逆转变的开始温度As；马氏体逆转变的终了温度Af；冷却时马氏体转变的开始温度Ms；冷却时马氏体转变的终了温度Mf。目前的测量方法有：变温X射线法，热分析法（热差分析法DTA。差示扫描法DSC），膨胀法，声发射法，电阻法。各种方法的优缺点如下：(1)X射线法测得的相变温度与实际的相比存在较大偏差，故通常采用X射线物相分析研究微观上的位错组态，结合其他的相变温度测量方法，寻求相变行为与位错组态之间的关系。3.6.2测量方法先加工出长、宽、高均小于1mm（可变）的试样(质量在17mg)（降低滞后性），放到刚玉坩埚内，以一定的升降温速度进行加热和冷却，在温度变化的同时绘制吸、放热曲线．降温过程发生马氏体相变时伴随着一个放热峰，而升温过程发生奥氏体相变时伴随着吸热峰。通常，每次测量记录一条以温度或时间为X轴，热流速率差或热工率差为Y轴的曲线,曲线出现峰值变化时即代表马氏体发生逆转变或者转变。3.6.3试验方案3.6.4试验设备差示扫描量热仪(1)试验前，接通DSC仪器电源10min，使电器元件温度平衡。(2)取实验材料以及一块对比材料（无相变，无吸热放热现象），仪器恒温10min。(3)以5℃／min的降温速率冷却到-50度，并记录曲线。(4)以5℃／min的升温速率重新加热到100度，并记录曲线。(5)恒温5min，再以5℃／min的降温速率冷却到-50度，并记录曲线。(6)重复试验3次。3.6.5试验步骤总结形状记忆合金在结构控制中的应用的方式可分为以下几种：(1)将形状记忆合金埋入结构中；利用SMA的回复力可增加结构的等效刚度，从而改变结构的共振频率。该方法可用于结构的共振振动控制。(2)将形状记忆合金粘贴在结构表面；(3)将形状记忆合金与结构以离散点的形式相联接。利用形状记忆合金产生的拉伸或收缩力达到控制结构振动和变形的目的。第一种方式，它的优点使得本体结构和作动器融为一体，外观也较为规整；它的缺点是使得被控对象的设计、工艺更为复杂，结构可靠性离散度大，对形状记忆合金驱动器而言会造成加热过程损伤本体结构，散热过程极其缓慢。这种使用方式一般用于结构的变形控制中，结构的主动振动控制一般不采用。4.1

SMA作动器类型第二方式，它的优点是不会给本体结构带来附加的工艺、设计等方面的负担，安装方便，加热方便，散热较快，从而驱动器的响应频率也较快；它的缺点是在加热过程中，由于温度较高很容易造成脱胶现象，从而大大降低了系统的可靠性，另外由于驱动器通过粘贴胶与本体结构复合，控制力通过粘贴胶依靠剪切力传递，而一般来说，胶的剪切性能较差，这样在系统工作过程中造成胶与形状记忆合金分离，使得系统工作失效。第三种方式，它的优点是安装方便，加热方便，散热快，从而驱动器能够达到较高的频率响应。缺点是驱动器与本体结构的连接点需进行加强，非连接处需对形