形狀記憶合金

關(guān)于形狀記憶合金第一頁，共四十一頁，2022年，8月28日第二頁，共四十一頁，2022年，8月28日形狀記憶效應(yīng)：具有一定形狀的固體材料(通常是具有熱彈性馬氏體相變的材料)，在某一溫度下(處于馬氏體狀態(tài)Mf)進(jìn)行一定限度的塑性變形后，通過加熱到某一溫度(通常是該材料馬氏體完全消失溫度Af)上時(shí)，材料恢復(fù)到變形前的初始形狀。第三頁，共四十一頁，2022年，8月28日形狀記憶效應(yīng)原理形狀記憶合金在一定范圍內(nèi)發(fā)生塑性變形后，經(jīng)加熱到某一溫度后能夠恢復(fù)變形，實(shí)質(zhì)是熱彈性馬氏體相變。馬氏體在外力下變形成某一特定形狀，加熱時(shí)已發(fā)生形變的馬氏體會(huì)回到原來奧氏體狀態(tài)，這就是宏觀形狀記憶現(xiàn)象，如右圖所示。圖6形狀記憶效應(yīng)過程的示意圖第四頁，共四十一頁，2022年，8月28日形狀恢復(fù)完全可逆需具備以下條件：馬氏體相變是熱彈性的；母相和馬氏體呈現(xiàn)有序的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；馬氏體點(diǎn)陣的不變切變?yōu)閷\生，亞結(jié)構(gòu)為孿晶或?qū)渝e(cuò)；馬氏體相變?cè)诰w學(xué)上是可逆的。第五頁，共四十一頁，2022年，8月28日隨著形狀記憶材料研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)不完全具備上述條件的合金也可以顯示形狀記憶效應(yīng)。溫度場(chǎng)可以誘導(dǎo)形狀記憶效應(yīng)，磁場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等也可誘導(dǎo)馬氏體相變，出現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。圖7傳統(tǒng)熱誘導(dǎo)形狀記憶合金Magneticfield圖8磁誘導(dǎo)形狀記憶合金第六頁，共四十一頁，2022年，8月28日第七頁，共四十一頁，2022年，8月28日合金成分呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)的合金，其基本合金系就有10種以上，如果把相互組合的合金或者添加適當(dāng)元素的合金都算在內(nèi)，則有100種以上。得到實(shí)際應(yīng)用的只有Ti基合金、Cu基合金以及Fe基合金。其余合金則因?yàn)橛行┗瘜W(xué)成分不是常用元素而導(dǎo)致價(jià)格昂貴，或者有些只能在單晶狀態(tài)下使用，不適于工業(yè)生產(chǎn)。第八頁，共四十一頁，2022年，8月28日TiNi合金是目前形狀記憶合金中研究最全面、記憶性能最好的合金材料。TiNi合金強(qiáng)度高、塑性大、耐蝕性好、穩(wěn)定性好，具有優(yōu)異的生物相容性在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用是其它形狀記憶合金不能替代的形狀記憶合金的經(jīng)濟(jì)性是一個(gè)重要因素。Cu基合金的記憶性能、耐蝕性能、力學(xué)性能等都比TiNi合金差，但價(jià)格僅為TiNi合金的l/10，在性能要求不高、反復(fù)使用次數(shù)少，特別是要降低成本的情況下使用；Fe基合金價(jià)格低，加工性能好，力學(xué)強(qiáng)度高，在應(yīng)用方面具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，但其形狀記憶效應(yīng)不是很好。第九頁，共四十一頁，2022年，8月28日表2TiNi合金與CuZnAl合金性能對(duì)比第十頁，共四十一頁，2022年，8月28日形狀記憶效應(yīng)形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)按形狀恢復(fù)情況可以分為三類：?jiǎn)纬绦螤钣洃浶?yīng)雙程形狀記憶效應(yīng)全程記憶效應(yīng)冷卻圖10形狀記憶效應(yīng)的三種形式(a)單程(b)雙程(c)全程第十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日（a）馬氏體狀態(tài)下未變形（b）馬氏體狀態(tài)下已變形（c）放入熱水中，高溫下恢復(fù)奧氏體狀態(tài)，形狀完全恢復(fù)圖11單程TiNi記憶合金彈簧的動(dòng)作變化情況第十二頁，共四十一頁，2022年，8月28日沒放入熱水前放入熱水后冷卻至室溫后再次放入熱水后圖12雙程CuZnAl記憶合金花的動(dòng)作變化情況第十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日?qǐng)D13TiNi合金的全程記憶效應(yīng)（100℃-室溫）圖14TiNi合金的全程記憶效應(yīng)（低溫-100℃）第十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日第十五頁，共四十一頁，2022年，8月28日形狀記憶處理形狀記憶合金的制備通常是先制備合金錠，之后進(jìn)行熱軋、模鍛、擠壓，然后進(jìn)行冷加工。為把形狀記憶合金用做元件，有必要使它記住給定形狀。形狀記憶處理(一定的熱處理)是實(shí)現(xiàn)合金形狀記憶功能方面不可或缺，至關(guān)重要的一環(huán)。第十六頁，共四十一頁，2022年，8月28日TiNi合金單程形狀記憶處理單程記憶處理方法有三種中溫處理低溫處理時(shí)效處理?中溫處理是將軋制或拉絲加工后充分加工硬化的合金成形成給定形狀，在400-500℃溫度下保溫幾分鐘到幾小時(shí)，使之記住形狀的方法。此方法由于工藝簡(jiǎn)單而被廣泛采用。第十七頁，共四十一頁，2022年，8月28日?低溫處理是在高于800℃的溫度下保溫后進(jìn)行完全退火，然后在室溫下制成特定形狀，在200-300℃的低溫下保溫一定時(shí)間，以記憶其形狀的方法。由于在完全退火的軟狀態(tài)下進(jìn)行加工，有利于合金記住復(fù)雜形狀或曲率很小的形狀。?時(shí)效處理是一種在800-1000℃溫度下固溶處理后進(jìn)行淬火，然后在400-500℃的溫度下進(jìn)行幾小時(shí)時(shí)效處理的方法。只對(duì)Ni含量高于50.5at％的富Ni合金有效。第十八頁，共四十一頁，2022年，8月28日TiNi合金雙程記憶處理合金具有雙程記憶效應(yīng)是因?yàn)楹辖鹬写嬖诜较蛐缘膽?yīng)力場(chǎng)或晶體缺陷，相變時(shí)馬氏體容易在這種缺陷處形核，同時(shí)發(fā)生擇優(yōu)生長(zhǎng)。通過記憶訓(xùn)練(強(qiáng)制變形)獲得雙程記憶能力：先獲得單程記憶效應(yīng)，記憶高溫相的形狀；隨后在低于Ms溫度，根據(jù)需要形狀進(jìn)行一定限度的可恢復(fù)變形；加熱到As以上溫度，試樣恢復(fù)到高溫態(tài)形狀后，又降低到Ms以下，再變形試件，使之成為低溫所需形狀；如此反復(fù)多次后，就可獲得雙向記憶效應(yīng)。第十九頁，共四十一頁，2022年，8月28日TiNi合金全程記憶處理全程記憶效應(yīng)的出現(xiàn)是由于與基體共格的Ti11Ni14析出相產(chǎn)生的某種固定的內(nèi)應(yīng)力所導(dǎo)致，應(yīng)力場(chǎng)控制了馬氏體可逆相變的路徑，使馬氏體的可逆相變按固定路徑進(jìn)行。全程記憶處理的關(guān)鍵是限制性時(shí)效，必須根據(jù)需要選擇合適的約束時(shí)效工藝。第二十頁，共四十一頁，2022年，8月28日改變合金成份的配方比例，可以調(diào)節(jié)記憶合金的喚醒溫度。例如在制造NiTi記憶合金時(shí)，如使兩種成分對(duì)半摻，喚醒溫度為80℃，如把Ni的配合比例減少千分之一，而將Ti增加千分之一，則喚醒溫度降為70℃，當(dāng)NiTi之比為45.5∶54.3時(shí)，喚醒溫度恰巧是0℃。在TiNi合金中摻雜Au或Pt可以顯著提高合金的相變溫度，使之成為高溫形狀記憶合金，加入Nb可以使相變熱滯增大到140℃，而加入Cu后相變熱滯則銳減至4℃。另一方面，隨著材料先進(jìn)制備技術(shù)的飛速發(fā)展，納米化處理也越來越多地應(yīng)用于形狀記憶合金中。

形狀記憶合金的其他處理第二十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日形狀記憶合金使用中的問題形狀記憶合金并不是無論承受怎樣的變形只要受熱就能恢復(fù)原狀，有時(shí)可殘留永久變形。為保持良好形狀記憶特性，形變量不能超過一定值。循環(huán)使用次數(shù)少時(shí)，TiNi合金約為6％，CuZnAl合金約為2％；循環(huán)使用次數(shù)多時(shí)，分別低于2％和0.5％。第二十二頁，共四十一頁，2022年，8月28日形狀記憶合金要避免過熱，即在形狀記憶合金受約束狀態(tài)下，不要達(dá)到比Af點(diǎn)高很多的溫度。線圈過熱，相變引起的形狀恢復(fù)應(yīng)力超過絲材本身的屈服應(yīng)力，合金的形狀記憶特性變壞。合金長(zhǎng)時(shí)間置于高溫，產(chǎn)生不能完全記住該溫度下形狀的現(xiàn)象，即記憶力減退。當(dāng)TiNi合金和CuZnAl合金長(zhǎng)時(shí)間分別置于250℃和90℃以上的溫度時(shí)，不管載荷大小如何，都出現(xiàn)不良影響。第二十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日第二十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日工業(yè)應(yīng)用圖15NiTi形狀記憶合金折疊發(fā)射自動(dòng)張開的宇航天線原理圖宇航天線第二十五頁，共四十一頁，2022年，8月28日連接件和緊固件形狀記憶管接頭F-14第二十六頁，共四十一頁，2022年，8月28日密閉中空結(jié)構(gòu)件中很難進(jìn)行緊固操作，形狀記憶緊固鉚釘依靠形狀恢復(fù)可進(jìn)行這種操作。(a)開口(b)拉直(c)插入(d)加熱形狀記憶緊固鉚釘此外，形狀記憶合金還可應(yīng)用于智能機(jī)器人、能量轉(zhuǎn)換熱機(jī)、保險(xiǎn)器和繼電器等。第二十七頁，共四十一頁，2022年，8月28日醫(yī)學(xué)應(yīng)用金屬埋植入人體內(nèi)時(shí)必須考慮其生物相容性。如果埋植體對(duì)人體組織是一種活性物質(zhì)，那么它會(huì)造成周圍的組織和細(xì)胞發(fā)生變性，出現(xiàn)炎癥充血循環(huán)障礙，導(dǎo)致人體組織壞死；如果埋植體是一種非活性物質(zhì)，那么由纖維細(xì)胞分泌的骨膠原纖維在它周圍形成纖維組織，這種纖維組織在埋植體上生成薄膜，使它在人體組織中能夠穩(wěn)定存在。TiNi合金的生物相容性第二十八頁，共四十一頁，2022年，8月28日經(jīng)過試驗(yàn)觀察覆膜形狀、覆膜組織、埋植周圍的骨骼和肌肉狀態(tài)以及接骨板的耐腐蝕性發(fā)現(xiàn)：TiNi合金的生物相容性很好，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。NiTi合金接骨板第二十九頁，共四十一頁，2022年，8月28日矯治牙頜畸形，通常利用金屬絲材進(jìn)行矯正。牙齒矯形用金屬絲有不銹鋼絲和CoCr合金絲，這些材料具有彈性模量高、彈性應(yīng)變小，微小變形可獲得很大的矯正力，對(duì)患者造成疼痛和不適，同時(shí)還容易產(chǎn)生塑性變形。利用NiTi形狀記憶合金的超彈性使得在加載和卸載過程中壓力恒定，即使應(yīng)變高達(dá)10％也不會(huì)產(chǎn)生塑性變形。牙齒矯形絲第三十頁，共四十一頁，2022年，8月28日應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變使彈性模量呈現(xiàn)非線性特性，即使應(yīng)變?cè)龃?，矯正力卻增加很少，永久應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于不銹鋼絲，在大變形范圍內(nèi)可持續(xù)釋放比其他材料更加恒定的矯正力。NiTi合金牙齒矯形絲第三十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日NiTi矯形絲不僅操作簡(jiǎn)便，而且療效也好，可減輕患者的不適感。1980年，中國就開始研制NiTi合金矯形絲，北京有色金屬研究總院與北京口腔醫(yī)院合作，研制出NiTi合金牙弓絲，稱為“中國NiTi牙弓絲”。NiTi牙齒矯形絲第三十二頁，共四十一頁，2022年，8月28日此外，NiTi形狀記憶合金還可用做牙根種植體、Ω形脊柱人造關(guān)節(jié)、NiTi合金聚髕器、接骨用騎縫釘、鋸齒臂環(huán)抱固定器、人工心臟用人造肌肉、血栓過濾器、冠狀動(dòng)脈內(nèi)支架等等。聚髕器形狀記憶加壓騎縫釘鋸齒臂環(huán)抱固定器第三十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日日常生活空調(diào)排氣口上裝有百葉板，風(fēng)向在制冷時(shí)向上、取暖時(shí)向下。利用形狀記憶元件傳感和驅(qū)動(dòng)特性制造上下自動(dòng)轉(zhuǎn)換的百葉板。安裝在排氣口的形狀記憶線圈隨排氣溫度變化進(jìn)行收縮或張開，和另一側(cè)偏動(dòng)彈簧一起完成雙程動(dòng)作，自動(dòng)控制百葉板運(yùn)動(dòng)。經(jīng)10萬次以上的動(dòng)作后證實(shí)，形狀記憶特性沒有任何下降。空調(diào)百葉板空調(diào)百葉板第三十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日

利用形狀記憶合金彈簧可以控制浴室水管的水溫，在熱水溫度過高時(shí)通過“記憶”功能，調(diào)節(jié)或關(guān)閉供水管道，避免燙傷。混水閥第三十五頁，共四十一頁，2022年，8月28日法國巴黎用形狀記憶合金制造城市照明燈，有兩瓣隨著燈的亮、滅而逐漸張開或合上的葉片。白天，路燈熄滅，葉片合上；傍晚之后，葉片受燈泡熱度的作用而逐漸張開，讓燈泡顯露出來進(jìn)行照明。形狀記憶路燈形狀記憶路燈第三十六頁，共四十一頁，2022年，8月28日形狀記憶合金在自動(dòng)收進(jìn)煙頭的煙灰缸、為調(diào)整頭發(fā)受力通過加熱溫度改變卷發(fā)管徑的卷發(fā)軸環(huán)、眼鏡、兒童玩具等上也有不少應(yīng)用。形狀記憶眼鏡智能煙灰缸智能卷發(fā)器第三十七頁，共四十一頁，2022年，8月28日第三十八頁，共四十一頁，2022年，8月28日未來形狀記憶合金的材料研究將向高溫、低溫、寬滯后、窄滯后、雙程、全程、色調(diào)記憶等方向發(fā)展,工藝研究將向低成本、微型化加工、高質(zhì)量、多品種的目