智能材料形状记忆合金

智能材料形状记忆合金制作：李瑞士主要内容智能材料的概念形状记忆合金基本原理分类与发展应用智能材料智能材料（intelligentmaterials，简称IM）是指对环境可感知、响应和处理后，能适应环境的材料。智能材料是一种融材料技术和信息技术于一体的新概念功能材料。智能材料应同时具备传感（sensing）、处理（processing）和执行（actuation）三种基本功能。（l）传感功能首先是对所处环境条件及其变化的感知，环境条件包括力、光、电、声、磁、热等物理条件、化学条件和生物条件。其次是把环境条件及其变化转化为某种讯号传导给处理器。智能材料的概念智能材料（2）处理功能包括信息积累、识别、比较、诊断、综合、判断和做出相应的反应，然后把反应转化为指令，传达给执行器。（3）执行功能包括报警、自检测、自诊断、自监控、自校正、自适应、自分解、自增殖、自修复、自净化、自愈合和自学习等。智能材料智能结构或系统一般来讲，单一的一种材料很难同时具备传感、处理和执行三种基本功能。因此，往往要把几种材料、元件或结构组合在一起构成一个结构或系统才能同时具备传感、处理和执行三种基本功能。这种结构或系统称为智能结构或系统，由多种结构材料（结构）、功能材料（元件或结构）所构成。智能材料智能材料的基本功能随着研究的进展正在逐步丰富和发展。智能材料的智能也从低级（如机敏材料）发展到比较高级（如仿生智能材料），最终可能发展到具有类似人类的部分智能。研究智能材料最早的国家是美国和日本。随后英、意、澳等也开展了智能材料的研究。我国从1991年起就把智能材料列为国家自然科学基金和国家863计划的研究项目，并已取得了一定的进展。智能材料宏观智能材料往往由结构材料和具有传感、处理或执行功能的功能材料构成。具有传感或执行功能的材料，有形状记忆材料、电流变流体、机敏窗口、剌激响应型高聚物和高分子人工肌肉材料，等等。这些材料一般只兼有传感和执行双重功能，可称为机敏材料，或低级智能材料。因为它们还不同时具备传感、处理和执行三种功能，或者说它们的智能程度还达不到要求。还不能称为严格意义上的智能材料。形状记忆材料一、形状记忆材料的概念形状记忆材料（shapememorymaterials，简称SMM）是指具有一定初始形状的材料经形变并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物理剌激或化学剌激的处理又可恢复成初始形状的材料。自从1938年在Cu-Zn和Cu-Sn合金中发现形状记忆现象至今，许多形状记忆合金相继发现，已有10多个系列的50多个品种，广泛应用于航空、航天、汽车、能源、电子、家电、机械、医疗和建筑等行业。除了合金外，也发现在非金属材料如高聚物和陶瓷中有形状记忆现象。形状记忆材料二、形状记忆合金形状记忆合金（shapememoryalloys简称SMA）是通过热弹性与马氏体相变及其反转而具有形状记忆效应（shapememoryeffect简称SME）的由两种以上金属元素所构成的材料。形状记忆合金是目前形状记忆材料中形状记忆性能最好的材料。（一）形状记忆合金的基本原理1、马氏体相变马氏体相变是一种元扩散相变或称位移型相变。位移型相变中只有在原子位移以切变方式进行，两相间以宏观弹性形变维持界面的连续和共格，其畸变能足以改变相变动力学和相变产物形貌的才是马氏体相变。形状记忆材料二、形状记忆合金（一）形状记忆合金的基本原理1、马氏体相变马氏体相变首先在钢中发现，以后在钛、锂、钠等金属，多元合金、氧化物和铬酸盐的晶体中也发现了。马氏体相变分为非热弹性马氏体相变和热弹性马氏体相变两类。非热弹性马氏体相变的增长是靠新马氏体的生成，生长速度很快。热弹性马氏体相变的增长是靠旧马氏体的长大，温度下降，马氏体增大，反之，马氏体缩小，长大速度较慢。形状记忆材料二、形状记忆合金（一）形状记忆合金的基本原理2、形状记忆机理形状记忆合金形状记忆的机理是热弹性马氏体相变及反转。（1）具有初始形状L的母相冷却到马氏体相变终了温度以下，实现马氏体相变，变成由24种惯习面变体所构成的马氏体。形状记忆材料二、形状记忆合金（一）形状记忆合金的基本原理2、形状记忆机理（2）加外力后产生塑性变形ε成为具有另一种形状L+ε的马氏体单晶。（3）去掉外力后塑性变形保留而形状L+ε不变。（4）再加温到马氏体逆相变终了温度以上时，发生马氏体相变的反转即逆相变，变回初始形状L的母相，其结构和取向与初始母相也完全一样。形状记忆材料二、形状记忆合金（一）形状记忆合金的基本原理3、形状记忆合金的分类形状记忆合金的形状记忆效应可按形状恢复情况分为三类。第一类为单程记忆效应（不可逆记忆效应），母相L冷却为马氏体后，受力变形为L+ε，加热后恢复母相L相形状，冷却和再冷却后保持形状L不变。形状记忆材料3、形状记忆合金的分类第二类为双程记忆效应，母相形状L冷却为马氏体后，受力变形为L+ε，加热后恢复母相形状L，冷却后又变成形状L+ε，反复加热和冷却，可以可逆地发生从L变为L+ε或相反的变化。故又称为可逆形状记忆效应。第三类为全程记忆效应，某些合金在出现双程记忆效应的同时，再进一步冷却，形状L+ε可变为与母相L形状完全相反的形状L0。形状记忆材料二、形状记忆合金（一）形状记忆合金的基本原理4、拟弹性形状记忆合金除了形状记忆效应外，还具有拟弹性（pseudoelasticity简写为PE），所谓拟弹性就是当形状记忆合金受到外力时发生变形，去除外力后就恢复原状。和普通金属材料的弹性变形不同，普通弹性应变一般小于0.5%，而拟弹性应变可达5%～20%。这是因为形状记忆合金在发生拟弹性形变时，诱发了马氏体相变，去除外力后，又发生马氏体逆相变。从本质上看，形状记忆效应和拟弹性是一致的。形状记忆材料二、形状记忆合金（二）形状记忆合金的种类和发展形状记忆合金的种类很多，目前已有十多个系列，每个系列的成分配比可以在较宽的范围内变化，形成更多的具体品种。Ti-Ni基形状记忆合金Cu基形状记忆合金Fe基形状记忆合金Ti-Ni基形状记忆合金优点：记忆效应优良、性能稳定、生物相容性好缺点：制造过程较复杂，价格高昂Ti-Ni合金通过在1000℃左右固溶后，在400℃进行时效处理，再淬火得到马氏体。在Ti-Ni二元合金系中有TiNi、Ti2Ni和Ti3Ni三种金属间化合物。Cu基形状记忆合金主要由Cu-Zn和Cu-A1两个二元系发展而来。通过第三元素可以有效地提高形状记忆合金相变温度，发展了一系列的Cu-Zn-X(X=Al,Ge,Si,Sn锡,Be铍,Ni)三元合金。性能特点优点：制造加工容易，价格便宜，具有良好的记忆性能，相变点可在一定温度范围内调节，不同成分的Cu-Zn-A1合金相变温度不同。缺点：强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有生物相容性。Fe基形状记忆合金分为两类：（1）热弹性马氏体相变Fe-Pt,Fe-Pd钯,Fe-Ni-Co-Ti合金等；（2）应力诱发马氏体相变（非热弹性马氏体），Fe-Mn-Si,Fe-Cr-Ni-Mn-Si-Co合金等。性能特点：价格较Ti-Ni系和Cu基系合金便宜，原料易得，可以采用现有的钢铁工艺进行冶炼和加工，强度高，刚性好，适用作结构材料，也可作特种用途材料，在应用方面具有明显的竞争优势。形状记忆特性比Ti-Ni合金差。形状记忆合金的发展方向主要为：（1）高温形状记忆合金例如：在核反应堆工程中，记忆合金热动元件的动作温度高达600℃，研制高温形状记忆合金就成为一个主要发展方向。（2）窄滞后形状记忆合金通过热弹性马氏体相变实现记忆效应的合金，相变滞后温度一般在20～30℃，使其热灵敏度较低而应用受限。制成相变滞后温度小于2℃窄滞后形状记忆合金可以大大提高热灵敏度。（3）铁基形状记忆合金成本低，刚性好，且易于加工。形状记忆材料（二）形状记忆合金的种类和发展（4）形状记忆合金薄膜形状记忆合金薄膜，表面积大、散热能力高和电阻率高，增加了灵敏度和响应速度，作为敏感兼驱动元件，显示出潜力。除以上所述外，正在研究的还有低温拟弹性形状记忆合金、高屈服限形状记忆合金和低应力滞后形状记忆合金等。形状记忆材料（三）形状记忆合金的应用形状记忆合金可作成单向形状恢复元件和双向形状恢复动作元件和拟弹性元件，具有广泛的应用前景，部分已达到实用化的程度。（1）机械工业用于各种接头、定位器、压板、固定器、柱塞、密封器、记忆铆钉、特殊弹簧和机器人手等。形状记忆合金度薄膜可望制成微弹簧和微机械手。形状记忆材料（三）形状记忆合金的应用（2）自控和仪表工业用于温度自动调节器和报警器的控制元件、记录笔的驱动装置、电路连接器、各种热敏元件和接线柱等。（3）汽车工业用于发动机防热风扇离合器、排气自动调节喷管、柴油机散热器孔自动开关和喷气发动机油过滤器的形状记忆弹簧等。形状记忆材料（三）形状记忆合金的应用（4）兵器工业用于导弹和制导炮弹机电操作伺服控制尾翼、可变形状杀伤枪弹、穿甲弹弹头、杆式穿甲弹分离弹托用变形机构和炮弹引信远距离解除保险机构等。（5）航空航天工业用于宇宙飞船天线、飞机液压系统连接件和紧固件、导弹的分立导线连接器和机电执行元件等。形状记忆材料（三）形状记忆合金的应用（6）医疗器械用于矫正牙齿拱形金属丝、血凝块过滤器、脊椎矫正棒、人工股关节、接骨板、人工肾微型泵、人工心脏收缩活门，手术固定器等。（7）智能材料形状记忆合金兼有感知和驱动双重功能，在智能材料中应用最有前景。利用它可感知材料中的内应力分布、裂纹的产生和扩展，并自动改变结构外形，主动控制结构振动，抑制裂纹扩展，降低噪音，吸收能量等。