1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上學(xué) 院： 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 形狀記憶合金摘要：二十一世紀(jì)將是材料一電子一體化的世紀(jì)。作為新型功能材料家庭中的重要成員，形狀記憶合金在工程機(jī)械和日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。由形狀記憶合金構(gòu)成的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、功率密度大的各類記憶合金驅(qū)動(dòng)器，在輕型機(jī)器人及小型化系統(tǒng)中具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。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.關(guān)鍵詞：形狀記憶合金，形狀記憶效應(yīng)，超彈性，應(yīng)用Keywords: Shape memory alloy, Shape memory effect, Hyperelastic, Applications引言：記憶是人類和某些動(dòng)物才具有的本領(lǐng)，但是有一些金屬材料也具有“記憶”的功能，而且這種記憶功能有著重要作用。1951年人們首次在AuCd合金上發(fā)現(xiàn)獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)，但直到1963年美國(guó)海軍武器實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)TiNi合金具有形狀記憶效應(yīng)時(shí)，才引起人們對(duì)形狀記憶合金的實(shí)用性寄予了很大的希望。迄今為止，已發(fā)現(xiàn)有20多種形狀記憶合金，在工業(yè)自動(dòng)化、能源、航空、航天、運(yùn)輸、建筑、醫(yī)

4、療、家電、儀器儀表以及日常生活用品等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。一、 形狀記憶效應(yīng)形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，簡(jiǎn)稱為SMA)是一種特殊的金屬材料，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗蠹淳哂谢貜?fù)形狀的能力，這種能力被稱為形狀記憶效應(yīng)(Shape memory Effect，簡(jiǎn)稱為SME)。研究表明，很多合金材料都具有SME，但只有在形狀變化過(guò)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(jià)值。到目前為止，應(yīng)用得最多的是NiTi合金和銅基合金(CuZnA1和C Ni)。最先在合金相變過(guò)程中觀察到形狀記憶效應(yīng)的是Chang和Read，他們通過(guò)對(duì)AuCd的相變可逆性研究發(fā)現(xiàn)相變過(guò)程中發(fā)生了電阻率的變化

5、。1958年，在銅 (CuZn)中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。直到1962年，當(dāng)Buehlerh和Co Workers在等原子的NiTi合金中發(fā)現(xiàn)了SME后，對(duì)SMA冶金學(xué)和應(yīng)用的研究才蔚然興起。隨后的十年中，市場(chǎng)上出現(xiàn)了大量的利用SMA制造的產(chǎn)品。形狀記憶效應(yīng)主要分為單程形狀記憶效應(yīng)、雙程形狀記憶效應(yīng)和全程形狀記憶效應(yīng)3種類型，如圖1所示。從形狀記憶效應(yīng)機(jī)理上看，大部分合金和陶瓷等記憶材料的形狀記憶效應(yīng)是通過(guò)馬氏體相變而完成的。也就是熱彈性馬氏體相變產(chǎn)生的低溫相在加熱時(shí)向高溫相進(jìn)行可逆轉(zhuǎn)變的結(jié)果。但這種轉(zhuǎn)變是有條件的，以合金為例，其條件必須是：馬氏體相變是熱彈性的；母體與馬氏體相呈現(xiàn)有序點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；馬

6、氏體內(nèi)部是孿晶變形的；相變時(shí)在晶體學(xué)上具有完全可逆性。其中形狀記憶時(shí)晶體結(jié)構(gòu)變化的模型如圖2所示。形狀記憶效應(yīng)歷程如圖3所示。二、 形狀記憶合金目前，人們已發(fā)現(xiàn)的形狀記憶合金有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多種，根據(jù)合金相組成和相變特征，具有較完全形狀記憶效應(yīng)的合金主要分為鈦一鎳系列形狀記憶合金、銅基系列形狀記憶合金和鐵基系列形狀記憶合金。其主要的形狀記憶方面的性能如表1所示。其中

7、鈦一鎳系列合金是目前形狀記憶合金中研究最全面、記憶性能最好、實(shí)用性強(qiáng)的合金材料。并且可以通過(guò)加入第3種元素、增加鎳的含量、低溫時(shí)效處理等方法提高合金的形狀記憶性能和加工性能，拓寬應(yīng)用范圍。如用于航天、艦艇、海上石油平臺(tái)等方面的液壓管路接頭；核反應(yīng)堆工程中的熱敏元件等。銅系列形狀記憶合金種類比較多，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，銅系列合金的形狀記憶效應(yīng)明顯低于鈦一鎳合金。提高這類合金的形狀記憶性能的主要方法是加入適量的稀士和Ti、Mn、V、B等元素。另外，由于這類合金

8、的優(yōu)點(diǎn)在于原料充足、容易加工、價(jià)格低、轉(zhuǎn)變溫度寬、熱滯后小、導(dǎo)熱性好，因此，具有一定的發(fā)展空間。鐵系列形狀記憶合金開發(fā)的比較晚，但因其具有便宜、易于加工、強(qiáng)度高、剛性好等特點(diǎn)而受到國(guó)內(nèi)外的普遍重視，雖然鐵合金的形狀記憶效應(yīng)不如鈦一鎳系列合金，但通過(guò)加入Ti、Cr、Co、Ni等元素進(jìn)行改進(jìn)，因此，發(fā)展的前途非常大。三、 形狀記憶合金的應(yīng)用由于SMA 的形狀記憶效應(yīng)和偽彈性，對(duì)溫度和應(yīng)力的變化非常敏感，產(chǎn)生的變形和可恢復(fù)力較一般的材料要大的多和抗疲勞性強(qiáng)等獨(dú)有的特性，迄今為止，形狀記憶合金在電子、機(jī)械、航天、建筑、運(yùn)輸、化學(xué)、醫(yī)療、能源以及日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。SMA 可加工成管接頭、阻尼元

9、件、振動(dòng)隔離器、地震抑制器、自動(dòng)控制系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)器和控制器。利用SMA 對(duì)應(yīng)變敏感，電阻率大，加熱可產(chǎn)生大回復(fù)力特點(diǎn)，可將其用于裂紋的檢測(cè)和控制。將SMA 絲或薄膜粘貼在易于產(chǎn)生裂紋或應(yīng)力集中較大的地方，當(dāng)產(chǎn)生裂紋后，SMA 就會(huì)隨裂紋表面張開而產(chǎn)生變形，這樣材料內(nèi)部的電阻值就會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)電阻值的變化就可判斷裂紋的寬度，當(dāng)裂紋的寬度超過(guò)一定的范圍后，將SMA 加熱，由此SMA就會(huì)收縮，產(chǎn)生回復(fù)力，該回復(fù)力可驅(qū)動(dòng)裂紋閉合。SMA 在馬氏體相時(shí)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(guò)濾器。美國(guó)航空航天局(NASA)將TiNi合金板或棒卷成竹筍狀或旋

10、渦狀發(fā)條，收縮后安裝在衛(wèi)星內(nèi)。強(qiáng)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(dāng)進(jìn)行連接操作時(shí)，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(kuò)徑后，把被接管從兩端插入，升高溫度，內(nèi)徑回復(fù)到擴(kuò)徑前的狀態(tài)，把被接管牢牢箍緊。利用SMA 制作的腦動(dòng)脈瘤夾可夾住動(dòng)脈瘤根部，防止血液流入，使動(dòng)脈瘤缺血壞死。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。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(yùn)動(dòng)中對(duì)外產(chǎn)生力的作用。溫度繼電器和溫度保持器、自動(dòng)干燥箱、電子灶、熱機(jī)、衛(wèi)星儀器艙窗門自動(dòng)啟閉、自動(dòng)火警警報(bào)器、熱敏閥門、

11、液氨泄漏探測(cè)器、煤氣安全閥、通風(fēng)管道緊急啟動(dòng)閘門、自動(dòng)收進(jìn)煙頭的煙灰盒及人工心臟等都屬于這種應(yīng)用類型。因?yàn)镾MA 的相變發(fā)生在一定溫度范圍而不是某一固定溫度點(diǎn)，我們往往只利用一部分形狀回復(fù)，使機(jī)械裝置定位于指定的位姿。微型機(jī)器人、昆蟲型生物機(jī)械、機(jī)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(jī)器智能人的執(zhí)行器，集傳感、控制、換能、制動(dòng)于一身，具有仿真性好、控制靈活、動(dòng)作柔順、無(wú)振動(dòng)噪聲、易于結(jié)構(gòu)微型集成化等優(yōu)點(diǎn)。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(chǎng)上的很多產(chǎn)品都應(yīng)用了SMA 的偽彈性(超彈性)性質(zhì)。NiTi合金材料具有良好的抗腐蝕性和生物相容

12、性，可以制成極小的尺寸，既具有良好的彈性又具有足夠的溫度，在生物醫(yī)學(xué)上有其他材料不可替代的廣泛用途。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NiTi絲、玩具及塑料眼鏡鏡框等。NiTi絲用于嬌形上，即使應(yīng)變量高達(dá)10 也不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，而且應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的過(guò)程中，應(yīng)變?cè)龃筝^多時(shí)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。關(guān)于SMA具體的用途如表二所示：四、 形狀記憶合金的高科技應(yīng)用展望20世紀(jì)是機(jī)電學(xué)的時(shí)代。傳感集成電路驅(qū)動(dòng)是最典型的機(jī)械電子控制系統(tǒng)，但復(fù)雜而龐大。形狀記憶材料兼有傳感和驅(qū)動(dòng)的雙重功能，可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的微型化和智能化，如全息機(jī)器人、毫米級(jí)超微型機(jī)械手等。21世紀(jì)將成為材料電子學(xué)的時(shí)代。形狀記憶合金的機(jī)器人的動(dòng)作除溫度外不受任何環(huán)境條件的影響，可望在反應(yīng)堆、加速器、太空實(shí)驗(yàn)室等高技術(shù)領(lǐng)域大顯身手。形狀記憶合金是面向21世紀(jì)的新型功能材料，并且在航空、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域有著用途，而且有著十分可觀的發(fā)展趨勢(shì)。隨著人們研究的深入，形狀記憶材料必將會(huì)有更大的進(jìn)步，來(lái)造福于人類。 參考文獻(xiàn)1楊凱，辜承林，21世紀(jì)的新型功能材料一形狀記憶合金，金屬功能材料，2004.122 吳根華