智能材料論文

1、 燕 山 大 學 學院： 專業(yè)： 姓名：學號：摘要：本論文主要討論形狀記憶合金相關內(nèi)容,扼要地敘述了形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)以及發(fā)展歷史和分類, 介紹了形狀記憶合金在工程中應用的現(xiàn)狀以及發(fā)展前景。 關鍵詞：智能材料、形狀記憶合金正文：形狀記憶合金(Shape Memory Alloy ,SMA) 是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經(jīng)塑性形變并固定成另一種形狀后,通過加熱到某一臨界溫度以上又可恢復成初始形狀的一類合金。形狀記憶合金具有的能夠記住其原始形狀的功能稱形狀記憶效應(Shape Memory Effect 

2、;,SME)。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形狀變化過程中產(chǎn)生較大回復應變和較大形狀回復力的,才具有利用價值。到目前為止,應用得最多的是Ni2Ti 合金和銅基合金(CuZnAl 和CuAlNi)。形狀記憶合金作為一種特殊的新型功能材料,是集感知與驅(qū)動于一體的智能材料,因其功能獨特,可以制作小巧玲瓏、高度自動化、性能可靠的元器件而備受矚目,并獲得了廣泛應用。 一、形狀記憶合金的發(fā)展史 1932年,瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到"記憶"效應，即合金的形狀被改變之后，一旦加熱到一定的躍變溫度時，它又

3、可以魔術般地變回到原來的形狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金。 1938年。當時美國的在Cu-Zn合金小發(fā)現(xiàn)了馬氏體的熱彈件轉(zhuǎn)變。隨后，前蘇聯(lián)對這種行為進行了研究。1951年美國的Chang相Read在Au47·5Cd(原子)合金中發(fā)現(xiàn)了行狀記憶效應。這是最早觀察到金屬形狀記憶效應的報道。數(shù)年后，Burkhart 在In-Ti 合金中觀察到同樣的現(xiàn)象。然而在當時，這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)只被看作是個別材料的特殊現(xiàn)象而未能引起人們足夠的興趣和重視。直至1962年，美國海軍機械研究所r發(fā)現(xiàn)了Ni-Ti合金中的的形狀記憶效應，才開創(chuàng)了“形狀記憶”的實用階斷

4、。 1969年，美國一家 公司首次將Ni-Ti合金制成管接頭應用于美國F14 戰(zhàn)斗機上；1970年，美國將Ti-Ni記憶合金絲制成宇宙飛船用天線。這些應用大大激勵了國際上對形狀記憶合金的研究與開發(fā)。20世紀7 年代，相繼開發(fā)出了Ni-Ti 基、Cu-Al2-Ni 基和Cu-Zn-Al 基形狀記憶合金；80 年代開發(fā)出了Fe-Mn-Si 基、不銹鋼基等鐵基形狀記憶合金，由于其成本低廉、加工簡便而引起材料工作者的極大興趣。從20世紀90 年代至今，高溫形狀記憶合金、寬滯后記憶合金以及記憶合金薄膜等已

5、成為研究熱點。 從SMA 的發(fā)現(xiàn)至今已有四十余年歷史，美國、日本等國家對SMA 的研究和應用開發(fā)已較為成熟，同時也較早地實現(xiàn)了SMA 的產(chǎn)業(yè)化。我國從上世紀70 年代末才開始對SMA 的研究工作，起步較晚，但起點較高。在材料冶金學方面，特別是實用形狀記憶合金的煉制水平已得到國際學術界的公認，在應用開發(fā)上也有一些獨到的成果。但是，由于研究條件的限制，在SMA 的基礎理論和材料科學方面的研究我國與國際先進水平尚有一定差距，尤其是在SMA 產(chǎn)業(yè)化和工程應用方面與國外差距較大。 二、記憶合金主要分類 &

6、#160;（1）單程記憶效應：形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應。（2）雙程記憶效應：某些合金加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時又能恢復低溫相形狀，稱為雙程記憶效應。 （3）全程記憶效應：加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?，稱為全程記憶效應。 SMA的形狀記憶效應源于熱彈性馬氏體相變，這種馬氏體一旦形成，就會隨著溫度下降而繼續(xù)生長，如果溫度上升它又會減少，以完全相反的過程消失。兩項自由能之差作為相變驅(qū)動力。兩項自由能相等的溫度T0稱為平衡溫度。只有當溫度低于平衡溫度T0時才會產(chǎn)

7、生馬氏體相變，反之，只有當溫度高于平衡溫度T0時才會發(fā)生逆相變。     在SMA中，馬氏體相變不僅由溫度引起，也可以由應力引起，這種由應力引起的馬氏體相變叫做應力誘發(fā)馬氏體相變，且相變溫度同應力呈線性關系。 至今為止發(fā)現(xiàn)的記憶合金體系 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、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。 三、形狀記憶效應的應用 迄今為止,形

8、狀記憶合金在空間技術、醫(yī)療器械、機械器具、電子設備、能源開發(fā)、汽車工業(yè)及日常生活各方面都得到了廣泛的應用,總的來說,按使用特性的不同,可歸納為下面幾類: (1) 自由回復。 SMA 在馬氏體相時產(chǎn)生塑性形變,溫度升高自由回復到記憶的形狀。自由回復的典型例子是人造衛(wèi)星的天線和血栓過濾器。美國航空航天局(NASA) 將Ti2Ni 合金板或棒卷成竹筍狀或旋渦狀發(fā)條,收縮后安裝在衛(wèi)星內(nèi)。發(fā)射衛(wèi)星并進入軌道后,利用加熱器或太陽能加熱天線,使之向宇宙空間撐開。血栓過濾器把Ni2Ti 合金記憶成網(wǎng)狀,低溫下拉直,通過導管插入靜脈腔,經(jīng)體溫

9、加熱后,形狀變?yōu)榫W(wǎng)狀,可以阻止凝血塊流動。有人設想,利用形狀記憶合金制作宇宙空間站的可展機構,即以小體積發(fā)射,于空間展開成所需的形狀,這是很有吸引力的機構。 (2) 強制回復。強制回復最成功的例子是SMA 管接頭。事先把內(nèi)徑加工成比被接管外徑小4 % ,當進行連接操作時,首先把管接頭浸泡在液態(tài)空氣中,在低溫保溫狀態(tài)下擴徑后,把被接管從兩端插入,升高溫度,內(nèi)徑回復到擴徑前的狀態(tài),把被接管牢牢箍緊。利用SMA 制作的腦動脈瘤夾可夾住動脈瘤根部,防止血液流入,使動脈瘤缺血壞死。本田等人用厚度為015mm 的Ti2Ni 板

10、制作的Ag2TiNi 復合夾滿足小而輕、裝卸簡便等要求,效果良好。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。 (3) 動力裝置。有些應用領域,要求形狀記憶元件在多次循環(huán)往復運動中對外產(chǎn)生力的作用。溫度繼電器和溫度保持器、自動干燥箱、電子灶、熱機、衛(wèi)星儀器艙窗門自動啟閉、自動火警警報器、熱敏閥門、液氨泄漏探測器、煤氣安全閥、通風管道緊急啟動閘門、自動收進煙頭的煙灰盒及人工心臟等都屬于這種應用類型。1997 年美國航空航天局(NASA) 的科學家利用長3cm ,直徑0115m

11、m(01006) 的Ni-Ti SMA 驅(qū)動火星探測器上的太陽能電池擋板,加熱SMA ,使其收縮,通過傳動裝置,打開太陽能電池上的玻璃擋板,電池充電。充電結(jié)束后,偏置彈簧重新使擋板復位。擋板的有效開合可起到防塵目的。 (4) 精密控制。因為SMA 的相變發(fā)生在一定溫度范圍而不是某一固定溫度點,我們往往只利用一部分形狀回復,使機械裝置定位于指定的位姿。微型機器人、昆蟲型生物機械、機器人手抓及微型調(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器智能人的執(zhí)行器,集傳感、控制、換能、制動于一身,具有仿真性好、控制靈活

12、、動作柔順、無振動噪聲、易于結(jié)構微型集成化等優(yōu)點。日本的日立公司已研制出具有13個自由度的能揀取雞蛋的機器人。俄羅斯St1Petersburg 機器人及控制技術學院在Cu-Al-Ni 基合金材料的研究基礎上,研制出了擬人機械手(115m 長) ,其手爪能移動200kg的物體。該研究小組還給出了手爪的精確控制系統(tǒng)。醫(yī)學上用到的具有多自由度能彎曲轉(zhuǎn)入腸道內(nèi)診斷疾病,進行手術的機器人也屬于這一類型?，F(xiàn)有的大腸鏡的直徑為1020mm ,這種內(nèi)窺鏡的直徑為13mm ,因此它特別適用于作大腸鏡。診斷過程中,醫(yī)生一邊看纖維鏡中的圖象,一邊移動操縱桿

13、給出前端的第1 ,2 節(jié)彎曲角指令和內(nèi)窺鏡前進、后退指令,通過計算機進行柔性控制,使內(nèi)窺鏡能夠平滑地沿著通路前進或后退,大大減小了患者的痛苦,也增加了診斷的準確性。隨著目前超大規(guī)模集成電路技術的飛速發(fā)展,可進一步制成微米級甚至更小的超微仿生物。 (5) 超彈性應用。SMA 的偽彈性在醫(yī)學上和日常生活中得到了廣泛的應用,市場上的很多產(chǎn)品都應用了SMA 的偽彈性(超彈性) 性質(zhì)。主要有牙齒嬌形絲、人工關節(jié)用自固定桿、接骨用超彈性Ni2Ti 絲、玩具及塑料眼鏡鏡框等。Ni2Ti 絲用于嬌形上,即使應變量高達10

14、 %也不會產(chǎn)生塑性變形,而且應力誘發(fā)馬氏體相變的過程中,應變增大較多時矯正力卻增加很少。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。 四、存在的問題和研究方向 在SMA 的研究和應用中,目前存在許多有待解決的問題,例如: (1) 由于SMA 的各種功能均依賴于馬氏體相變,需要不斷對其加熱、冷卻及加載、卸載,且材料變化具有遲滯性,因此SMA 只適用于低頻(10Hz 以下)窄帶振動中,這就大大限制了材料的應用。 (2) SMA 自身存在損傷和裂紋等缺陷,如何克服這些

15、缺陷,改善材料性能是當前迫切需要解決的問題。 (3) 現(xiàn)有的SMA 機構模型在實際工程應用中都還存在一些缺陷,如何克服這些缺點,從而精確地模擬出SMA 的材料行為也是一個需要研究的重要課題; (4) 在醫(yī)學應用方面,需繼續(xù)研究SMA 的生物相容性和細胞毒性。 (5) SMA 作為一種新型功能材料,其加工和制備工藝較難控制,目前還沒有形成一條SMA 自動生產(chǎn)線,此外材料成本也相當昂貴。 (6) 為了提高應用水平,SMA 元器件還需要進一步微型化,提高反應速度和控制精度,在這方面仍有許多工作要做。 SMA 研究今后的發(fā)展方向和趨勢可歸納為以下幾方面:  (1) 充分發(fā)掘、改進和完善現(xiàn)有SMA 的性能; (2) 研究開發(fā)新的具有形狀記憶效應的合金材料; (3) SMA 薄膜的研究與應用; (4) SMA 智能復合材料的研究與開發(fā); (5) 高溫SMA 的開發(fā)。