76创先争优活动领导点评工作实施方案

形状记忆合金—１—自动旋转轮AutomaticRotatingWheel实验现象由记忆合金制成的弹簧进热水中发生收缩，离开热水后，由于温度下降，弹簧逐渐伸长,恢复到原来形状，弹簧收缩时会对轮子轴线产生一力矩，于是轮子便旋转起来，几根弹簧周期性变形，轮子便不停转动，如右图所示：实验原理自动旋转轮是利用形状记忆合金记忆回复特性，以热水为热源，热水温度为65℃~85℃，借助记忆合金弹簧在不同温区（室温温度、热水温度）之间产生的力矩差驱使轮盘转动的装置。自动旋转轮中所用弹簧均由形状记忆合金自动旋转轮制成。形状记忆合金具有奇特的形状记忆能力，它随着温度的变化表现出形状变化——温度升轴承固定轴轴承高时，弹簧逐渐收缩，同时产生收缩力；温度降低时，弹簧伸长，同时产生伸长的力，正是借助记忆合金弹簧在不同温区（室温温度、热水温度）之间产生的力矩差驱使轮盘转动。由于收缩的力大于伸长的力，这两个力的差就是自动旋转轮转动的动力源，它们产生的力矩使轮子转起来。此装置不要燃料，也不耗费电力，仅仅需要相关几十度的水，将热能转化为机械实验原理图能，且其工作全过程既不排放废液又耗能极低，恢复原形的程度几乎可达100%。实验拓展——形状记忆合金相关名词：形状记忆合金——一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点，金属就产生塑性变形，应力消除后就留下了永久变形，有些金属材料在发生了塑性变形之后，经过加热到某一温度之上，能够恢复到变形前的形状，这种现象叫形状记忆效应，具有形状记忆效应的金属通常是两种以上金属元素组成的合金，这种合金叫做形状记忆合金。马氏体相变——属结构改变型的相变，即材料经相变时由一种晶体结构改变为另一种晶体结构。母相、马氏体相、逆相变——通常把马氏体相变中的高温相叫做母相，低温相叫做马氏体相。多数材料的马氏体经加热至一定温度将转变为母相，称为逆相变。形状记忆合金—２—合金的记忆原理合金具有奇特的形状记忆能力，从本质上追究，是合金内部微观结构固有的变化规律。固态金属合金中，原子是按一定的规律有序排列的，有的合金随着环境温度的变化，内部原子的排列方式会发生变化，当温度回到原来的数值时，合金内部原子的排列又会恢复到原来的排列方式。现用示意图（如下）来说明形状记忆合金的特点，以回答合金“记忆力”从何而来。图中黑色小球是金属原子，原子在母相时有序排列，当温度下降后，原子的排列方式发生变化，产生相变，如果施加外力作用，它就发生形变，此时若使环境温度提高到转变温度值，则原子排列方式将恢复到原来母相状态。同时合金的外形也回到母相的长方形外表。母相冷却加热变形马氏体相变形马氏体相示意图形状记忆特性形状记忆合金的形状记忆效应表现在马氏体相变过程中，记忆合金随着温度的表现出形状变化（形状回复），同时产生回复应力；经历了一定的热循环或应力循环后，形状记忆特性开始逐渐衰减以至消失，即存在有疲劳寿命，但由于应力诱发马氏体相变的作用，因此形状记忆合金具有很高的消振能力和良好的疲劳性能。如Ni-Ti合金，在490Mpa应力下，疲劳寿命达10ⁿ（n=7）。把这些与形状记忆效应相关的性能称为形状记忆特性。形状记忆效应中的超弹性：超弹性是在Af温度以上对记忆合金施以应力，使合金产生应力诱发马氏体相变。这时产生的马氏体是不稳定的，一旦应力消除，它就立即产生马氏体逆相变，回复到母相状态。在相变过程中，可回复应变量可达20%，甚至更高，所以冠以超弹性。利用合金的这种超弹性，可以制作出应变量变化而应力保持不变的弹簧，例如许多国家已经广为使用的形状记忆合金齿列矫正丝就是利用了这一特性；超弹性材料还可以作为形状记忆合金—３—机械能储存材料加以利用，例如将这种超弹性记忆合金材料作成的卷簧使用于汽车的刹车部分，当行使的汽车由于红灯或其他原因需要临时停车刹车时，超弹性记忆合金材料就被上卷，等到需要再启动时，就可以在超弹性合金弹簧中所贮存的能量。形状记忆效应在晶体材料中，形状记忆效应表现为：当一定形状的母相样品由Af以上冷却至Mf以下形成马氏体后，将马氏体在Mf以下变形，经加热至Af伴随逆相变，材料会自动恢复其在母相时的形状，如图所示：Af冷至Mf变形MfMf原始形状加热至Af形状记忆效应示意图当马氏体变形后经逆相变，能回复母相形状的称为单程形状记忆效应；有的材料经适当“训练”后，不但对母相形状具有记忆，并且再度冷却时能回复马氏体变形后的形状称为双程记忆效应（一般双程形状记忆效应并不完全）。在实际应用中，主要是利用形状记忆合金的形状记忆效应和相变伪弹性。形状记忆效应的最大特点是集两个功能为一体，一是温度传感，二是执行元件，它和普通弹簧的功能相类似，但是因为它的记忆特性和温度紧密相关，所以在性能特性上和普通弹簧有很大的不同，主要表现在：（1）普通弹簧的负载与变位的关系，也就是应力—应变曲线呈线性关系，而形状记忆合金呈非线形关系。（2）普通弹簧的性能特性可以看作与温度无关，而形状记忆合金的性能特性与温度紧密相关。（3）普通弹簧在加载和卸载过程中的特性曲线是重合的，而形状记忆合金的特性曲线几乎都不重合，存在有温度滞后或应变滞后现象。形状记忆合金的应用阿波罗登月舱在月球上安置直径数米的半球形天线，这座天线是用当时研制成功不久的形状记忆合金材料按设计要求制造的。然后降低温度把它压成一团，装进登月舱送上月球的，当天线在太阳光的照耀下温度升高，达到记忆温度（转变温度）时，天线的记忆能力被“唤醒”，恢复了原来的形状，于是一座半球形天线便屹立于月球之上。在医学上，镍—钛合金与生物体有好的相容性，可以在人体内作为固定折断骨骼的插销，做成接骨板，使断骨紧紧相接；用记忆合金做成精细的网络，然后降低温度压成细丝，插入血管，由于体温使它恢复网络形状，在血管里起血栓的过滤作用，用于牙矫形弓丝，人造心脏等。工程上某些领域如航空，航天，核工业和海底输油管道等，为了保证系统万无一失，管道连接处长采用记忆合金管套。用形状记忆合金加工内径比要接的管子外径小4%的套管，然后在低温下将管套直径扩大8%，再把要连接的两根管子从套管两端插入，当温度升到常形状记忆合金—４—温后，有记忆的套管就恢复原形，使管子紧密连接。形状记忆合金可作为智能材料应用。例如利用它在加热和冷却时会产生伸缩力，因而作成驱动机器人手臂的机构，这样就不需要传统的促动器上的齿轮，凸轮等机构，而由智能材料自身的功能来实现。双程CuZnAl记忆合金弹簧。是利用形状记忆合金双程记忆效应制成的，随温度变化可自行伸缩的感温驱动元件。充分展示了工业用形状记忆合金元件典型结构形式。采用CuZnAl记忆合金丝，表面镀锡，以热水或热风为热源，伸缩温度为65℃~85℃，自由状态为45mm，伸长状态为200mm。双程CuZnAl记忆合金花是利用CuZnAl形状记忆合金双程记忆恢复特性制成的记忆合金花，动作幅度为1800。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。涡轮型热机是利用形状记忆合金记忆恢复特性，借助温度差异，通过记忆合金的相变行为，在从动轮上产生力矩差，借助摩擦力驱使双轮转动，将热能转化为机械能的装置。采用TiNiCu记忆合金丝，以热水为热源，热水温度为65℃~85℃，操作时，需将黄铜轮底部的记忆合金丝浸入热水中并赋予从动轮以惯性使之启动，则双轮即可连续转动。发展前景形状记忆合金开创了一种新型的工程连接法，大量应用于工程领域的管接头和紧固件上。形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性还可以广泛应用于医学领域。形状记忆合金是一种集感知和驱动双重功能于一体的新型材料，可广泛应用于各种自动调控装置。如形状记忆薄膜和细丝可能成为未来超微型机械手和机器人的理想材料。参考文献：《形状记忆合金》[日]舟久保熙康机械工业出版社《合金的形状记忆效应与超弹性》赵连城蔡伟赵玉峰国防工业出版社《科学与技术》王建明东北大学出版社《形状记忆合金及其应用》杨杰吴月华中国科学技术大学出社