形狀記憶合金good

形狀記憶合金good第一頁，共九十二頁，2022年，8月28日1第五講形狀記憶合金ShapeMemoryAlloy第二頁，共九十二頁，2022年，8月28日2主要內(nèi)容形狀記憶合金的發(fā)展形狀記憶合金的原理形狀記憶合金的分類形狀記憶合金的制備形狀記憶合金的應(yīng)用第三頁，共九十二頁，2022年，8月28日3金屬具有記憶能力人們把具有“記憶能力”的合金(ShapeMemeoryAlloy—SMA)做成花、鳥、魚、蟲等各種造型，只要浸入一定溫度的水中，可以出現(xiàn)花開放，鳥展翅，魚擺尾，蟲蠕動等現(xiàn)象，栩栩如生，如魔術(shù)般使人驚嘆。用CuZnAl記憶合金片制備的金屬花，以熱水或熱風(fēng)為熱源，開放溫度為65℃-85℃，閉合溫度為室溫，花蕾直徑80mm，展開直徑200mm。第四頁，共九十二頁，2022年，8月28日4人們對形狀記憶效應(yīng)的物理本質(zhì)及其影響因素已有較為清晰的認(rèn)識，形狀記憶合金已被確認(rèn)為一種熱驅(qū)動功能材料，人們利用其形狀記憶效應(yīng)，在儀器儀表、自動控制、航空航天、醫(yī)療器具、汽車工程以及機器人等領(lǐng)域中實現(xiàn)廣泛應(yīng)用。形狀記憶合金的應(yīng)用第五頁，共九十二頁，2022年，8月28日5形狀記憶合金的發(fā)展第六頁，共九十二頁，2022年，8月28日6形狀記憶效應(yīng)源自材料中發(fā)生的馬氏體相變。德國金屬學(xué)家Martens發(fā)現(xiàn)：鋼在奧氏體高溫區(qū)淬火時，原來面心立方的奧氏體晶粒內(nèi)以原子無擴散形式轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)，得到的組織以他的名字被命名為馬氏體。板條馬氏體鋼的淬火第七頁，共九十二頁，2022年，8月28日71938年，美國的格里奈哥和穆拉迪安在Cu-Zn合金中發(fā)現(xiàn)了馬氏體的熱彈性轉(zhuǎn)變，他們的研究在當(dāng)時并沒有受到世界的重視；1951年，美國的里德等人在Au-Cd合金的研究中首次發(fā)現(xiàn)該合金具有形狀記憶效應(yīng)；隨后，在InTi合金中也發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)。這些合金價格昂貴，難以實現(xiàn)應(yīng)用，人們開始尋找成本低廉的形狀記憶合金。第八頁，共九十二頁，2022年，8月28日8低成本形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)完全是偶然的。1962年，美國海軍軍械研究所將NiTi合金作為對溫度敏感的振動衰減合金加以研究，在討論該項研究經(jīng)費分配時，某一成員用手將這種材料制成的細(xì)絲一端彎曲，無意中靠近手中點燃的雪茄，忽然發(fā)現(xiàn)靠近火焰部分的細(xì)絲伸直了。1963年，軍械研究所宣布在NiTi合金絲中發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)。NiTi合金具有強度高、塑性大、耐腐蝕性好、成本相對低廉等許多特點而引起極大關(guān)注，人們開始考慮形狀記憶合金的廣泛應(yīng)用。第九頁，共九十二頁，2022年，8月28日91970年，人們又在成本更為低廉的CuAlNi合金中也發(fā)現(xiàn)形狀記憶現(xiàn)象，并明確這種現(xiàn)象是能產(chǎn)生熱彈性馬氏體相變的合金所共有的特性。以此為轉(zhuǎn)折點，迄今人們己在許多合金中相繼發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，如表所示?，F(xiàn)在，人們發(fā)現(xiàn)一些有機高分子材料、無機陶瓷等都具有形狀記憶的功能。第十頁，共九十二頁，2022年，8月28日10形狀記憶合金的成分范圍和Ms(馬氏體相變開始溫度)點合金成分Ms點/℃合金成分Ms點/℃AgCd11-49at%Cd-190/-50InTi18-23at%Ti50/100AuCd46.5-50at%Cd30/100NiAl36-38at%Al-100/100CuAlNi14-14.5at%Al,3-4.5at%Ni-140/100TiNi49-51at%Ni-50/100CuAuZn23-28at%Au45-47at%Zn-150/100FePt25at%Pt/-130CuSn15at%Sn-120/30FePd30at%Pd/-100CuZn38.5-41.5at%-180/-10MoCu5-35at%Cu-250/180第十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日11形狀記憶合金的原理第十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日12Fe在910℃以下為體心立方晶格結(jié)構(gòu)的α-Fe，910℃以上為面心立方晶格結(jié)構(gòu)的γ-Fe。碳溶解到α-Fe中形成的固溶體為鐵素體(F)；碳溶解到γ-Fe中形成的固溶體為奧氏體(A)；如果奧氏體以較大的冷卻速度過冷，奧氏體中的碳原子沒有擴散的可能，奧氏體將直接轉(zhuǎn)變成一種含碳過飽和的固溶體，稱為馬氏體(M)。由于含碳量過飽和，馬氏體的強度和硬度高、塑性低，脆性大。奧氏體和馬氏體第十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日13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，材料恢復(fù)到變形前的初始形狀。具有形狀記憶效應(yīng)的合金稱為形狀記憶合金。第十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日14形狀記憶效應(yīng)實驗原始形狀拉直加熱后恢復(fù)變形前形狀第十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日15熱彈性馬氏體相變面心立方的奧氏體晶粒內(nèi)的原子經(jīng)無擴散位移，產(chǎn)生形狀改變和表面浮凸，這種呈現(xiàn)不變平面特征的一級相變、形核長大型相變稱為馬氏體相變，相變后形成體心立方的馬氏體。把馬氏體相變開始和相變結(jié)束的溫度表示為Ms和Mf，把馬氏體逆相變(轉(zhuǎn)變成奧氏體)的溫度表示為As和Af。鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變第十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日16為使A(母相)-M(馬氏體相)相變產(chǎn)生，M相的化學(xué)自由能必須低于A相。相變需要驅(qū)動力，不過冷到適當(dāng)?shù)陀赥0(A相和M相化學(xué)自由能達到平衡)的溫度，相變不能進行，逆相變也需驅(qū)動力，必須過熱到適當(dāng)高于T0的溫度，相變才能進行。馬氏體相和母相化學(xué)自由能差隨溫度變化與馬氏體相變的關(guān)系第十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日17低于Ms溫度下，馬氏體形成以后，界面上的彈性變形隨著馬氏體的長大而增加；當(dāng)表面能、彈性變形能及共格界面能等能量消耗的增加與相變化學(xué)自由能的減少相等時，馬氏體和母相間達到熱彈性平衡狀態(tài)，馬氏體停止長大。CuAlNi合金冷卻過程中熱彈性馬氏體相變(馬氏體長大)第十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日18溫度繼續(xù)下降，馬氏體相變驅(qū)動力增加，馬氏體又繼續(xù)長大，也可能出現(xiàn)新的馬氏體生長。溫度升高，相變驅(qū)動力減小，馬氏體出現(xiàn)收縮。熱效應(yīng)和彈性效應(yīng)之間的平衡態(tài)是熱彈性的由來，具有這種行為的馬氏體為熱彈性馬氏體，相變?yōu)闊釓椥择R氏體相變。CuAlNi合金加熱過程中熱彈性馬氏體相變(馬氏體縮小)第十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日19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，加熱時已發(fā)生形變的馬氏體會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。形狀記憶效應(yīng)過程的示意圖第二十頁，共九十二頁，2022年，8月28日20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)有序的點陣結(jié)構(gòu)；馬氏體點陣的不變切變?yōu)閷\生，亞結(jié)構(gòu)為孿晶或?qū)渝e；馬氏體相變在晶體學(xué)上是可逆的。第二十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日21出現(xiàn)熱彈馬氏體相變的條件：母相與馬氏體的比容差小；母相的彈性極限高；母相原子排列規(guī)律性強；熱彈性馬氏體相變確保不破壞母相與新相之間的共格聯(lián)系，新相在加熱條件下容易向母相轉(zhuǎn)變。第二十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日22有序點陣結(jié)構(gòu)相變時母相的晶體位向自動得到保存，兩相間的點陣對應(yīng)關(guān)系單一，相變時點陣應(yīng)變非常小，逆相變時必然選取原位向的母相；有序化材料具有較高的彈性極限，熱彈性馬氏體相變產(chǎn)生的小尺度畸變不會超過材料的彈性極限，逆相變中母相和馬氏體相的界面保持彈性共格，為逆相變時重新構(gòu)成原母相的結(jié)構(gòu)提供有利條件。第二十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日23馬氏體內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)是孿晶或?qū)渝e外力作用下，通過孿晶移動，某一取向的馬氏體長大，其它不利取向的馬氏體縮小(擇優(yōu)取向馬氏體)，保證馬氏體變形時不會出現(xiàn)太多母相的等效晶體位向。逆相變時，馬氏體中只形成幾個甚至一個母相的等效晶體位向，只有特定取向的母相晶核才能不斷長大，馬氏體恢復(fù)成原母相晶體，宏觀變形也得到恢復(fù)。晶體學(xué)上相變可逆性通過逆相變，不僅在晶體結(jié)構(gòu)上，而且在晶體位向上都恢復(fù)到相變前的母相狀態(tài)。晶體學(xué)上的相變可逆性保證逆相變后形成有序性很高的原母相晶體，宏觀變形也完全恢復(fù)。第二十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日24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)。溫度場可以誘導(dǎo)形狀記憶效應(yīng)，磁場、應(yīng)力場等也可誘導(dǎo)馬氏體相變，出現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。傳統(tǒng)熱誘導(dǎo)形狀記憶合金磁誘導(dǎo)形狀記憶合金Magneticfield第二十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日25傳統(tǒng)形狀記憶合金具有較大的可逆恢復(fù)應(yīng)變和大的恢復(fù)力，但必須通過改變合金的溫度來獲得應(yīng)變，響應(yīng)速度慢，響應(yīng)頻率低(約為1Hz左右)。磁性形狀記憶合金的優(yōu)勢就在于它兼具鐵磁性和熱彈性馬氏體相變，并且結(jié)合了形狀記憶合金應(yīng)變大和磁致伸縮材料響應(yīng)快的優(yōu)點。第二十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日26利用磁場對合金中的馬氏體變體施加靜磁力，促使有利取向的馬氏體變體長大，吞并不利取向的變體(表現(xiàn)為孿晶界的移動)，從而產(chǎn)生宏觀變形；磁場強度減小或撤去時，孿晶界又回到初始位置。磁致形狀記憶效應(yīng)只存在具有熱彈性馬氏體相變的磁性合金中，典型磁致形狀記憶合金有NiMnGa、NiFeGa、Fe基和Co基合金等。目前，已在Ni48.8Mn29.7Ga21.5單晶中得到約10%的可恢復(fù)磁感生應(yīng)變。第二十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日27相變偽彈性和超彈性外加應(yīng)力也可引起馬氏體消長，這樣形成的馬氏體叫應(yīng)力誘發(fā)馬氏體(SIM)。Af溫度以上的馬氏體只在應(yīng)力下穩(wěn)定。隨應(yīng)力增加或減小，馬氏體也相應(yīng)長大或縮??；應(yīng)力除去后，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體當(dāng)即逆轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定母相，相變引起的變形消失。這種不通過加熱即恢復(fù)到原先形狀的相變，看起來像彈性變形，但其應(yīng)力應(yīng)變曲線是非線性的，稱為相變偽彈性，應(yīng)變完全恢復(fù)時稱為超彈性。第二十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日28偽彈性僅與應(yīng)力誘發(fā)相變和熱彈性相變有關(guān)。AB段：奧氏體相的彈性變形；BC段：B點為應(yīng)力誘發(fā)馬氏體的最小應(yīng)力，C點相變結(jié)束；奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變使應(yīng)變增加，其斜率遠(yuǎn)小于AB段，說明相變?nèi)菀走M行，CD段：相變結(jié)束后，應(yīng)力作用下馬氏體發(fā)生彈性變形。偽彈性應(yīng)力應(yīng)變示意圖第二十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日29在D點之前應(yīng)力被取消，例如在點C’，應(yīng)變通過幾步可恢復(fù)：C’F段：馬氏體的彈性恢復(fù)；FG段：馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變后引起的應(yīng)變恢復(fù)，F(xiàn)點是卸載中馬氏體能存在的最大應(yīng)力，在該點開始發(fā)生馬氏體向奧氏體的逆相變，隨后馬氏體量不斷減少直到奧氏體完全恢復(fù)(G點)，GH段：奧氏體的彈性恢復(fù)。第三十頁，共九十二頁，2022年，8月28日30就形狀記憶而言，試樣在As點下受到的應(yīng)變一且加熱到Af點以上即可消失；就相變偽彈性而言，試樣在Af點以上受到的應(yīng)變一旦卸載即可消失。兩種形狀恢復(fù)的起因都是逆相變，本質(zhì)上兩者是同一現(xiàn)象，只不過誘發(fā)逆相變的方法不同：在Ms以下溫度對合金進行變形，只產(chǎn)生形狀記憶；在Af以上溫度對合金施加應(yīng)力，只出現(xiàn)偽彈性。形狀記憶效應(yīng)與偽彈性產(chǎn)生條件示意圖第三十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日31形狀記憶合金的分類第三十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日32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。其余合金則因為有些化學(xué)成分不是常用元素而導(dǎo)致價格昂貴，或者有些只能在單晶狀態(tài)下使用，不適于工業(yè)生產(chǎn)。第三十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日33TiNi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)濟性是一個重要因素。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基合金價格低，加工性能好，力學(xué)強度高，在應(yīng)用方面具有明顯的競爭優(yōu)勢，但其形狀記憶效應(yīng)不是很好。第三十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日34TiNi合金與CuZnAl合金性能對比合金類型TiNi合金CuZnAl合金恢復(fù)應(yīng)變最大8%最大4%恢復(fù)應(yīng)力最大400MPa最大200MPa循環(huán)壽命105(ε=0.02)107(ε=0.005)102(ε=0.02)103(ε=0.005)耐蝕性良好不良，有應(yīng)力腐蝕破壞加工性不良不太好記憶處理較易相當(dāng)難第三十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日35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：單程形狀記憶效應(yīng)雙程形狀記憶效應(yīng)全程記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng)的三種形式(a)單程(b)雙程(c)全程冷卻第三十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日36單程記憶效應(yīng)將母相在高溫下制成某種形狀，再將母相冷卻，使之發(fā)生馬氏體相變，然后對馬氏體進行任意變形；當(dāng)溫度升至Af點，馬氏體完全消失，材料恢復(fù)母相形狀，重新冷卻時不能恢復(fù)低溫相時的形狀。雙程記憶效應(yīng)加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時恢復(fù)低溫相形狀，通過溫度升降自發(fā)可逆地反復(fù)恢復(fù)高低溫相形狀的現(xiàn)象稱為雙程記憶效應(yīng)，又稱可逆記憶效應(yīng)。全程形狀記憶效應(yīng)加熱時恢復(fù)高溫形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹母邷叵嗟默F(xiàn)象。第三十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日37（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)單程TiNi記憶合金彈簧的動作變化情況第三十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日38沒放入熱水前放入熱水后冷卻至室溫后再次放入熱水后雙程CuZnAl記憶合金花的動作變化情況第三十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日39把受過強迫時效的四條薄帶在其中心位置上以45度的夾角捆扎在一起，在約100℃開水中(加熱)呈現(xiàn)具有凸透鏡曲率的近圓形，如a所示；從開水中緩慢提起來時自行變化成b形狀；完全提上來且于室溫下時，變化成近直線形狀c；ac之間的自發(fā)形變是由奧氏體向馬氏體相變引起。TiNi合金的全程記憶效應(yīng)（100℃-室溫）第四十頁，共九十二頁，2022年，8月28日40浸泡在冰水中時，下部變化成d形狀；在干冰-酒精液中冷卻到約-40℃時(冷卻，奧氏體全部轉(zhuǎn)變成馬氏體)變化成e形狀，同a相比完全是其相反的形狀；再次返回到開水(重新加熱，馬氏體全部轉(zhuǎn)變成奧氏體)中時，立刻變化成f形狀，其形狀與a完全相同。TiNi合金的全程記憶效應(yīng)（低溫-100℃）第四十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日41形狀記憶合金的制備第四十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日42形狀記憶處理形狀記憶合金的制備通常是先制備合金錠，之后進行熱軋、模鍛、擠壓，然后進行冷加工。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)。第四十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日43TiNi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℃溫度下保溫兒分鐘到幾小時，使之記住形狀的方法。此方法由于工藝簡單而被廣泛采用。第四十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日44低溫處理是在高于800℃的溫度下保溫后進行完全退火，然后在室溫下制成特定形狀，在200-300℃的低溫下保溫一定時間，以記憶其形狀的方法。由于在完全退火的軟狀態(tài)下進行加工，有利于合金記住復(fù)雜形狀或曲率很小的形狀。時效處理是一種在800-1000℃溫度下固溶處理后進行淬火，然后在400-500℃的溫度下進行幾小時時效處理的方法。只對Ni含量高于50.5at％的富Ni合金有效。第四十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日45TiNi合金雙程記憶處理合金具有雙程記憶效應(yīng)是因為合金中存在方向性的應(yīng)力場或晶體缺陷，相變時馬氏體容易在這種缺陷處形核，同時發(fā)生擇優(yōu)生長。通過記憶訓(xùn)練(強制變形)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)。第四十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日46TiNi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行。全程記憶處理的關(guān)鍵是限制性時效，必須根據(jù)需要選擇合適的約束時效工藝。第四十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日47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，TiNi合金約為6％，CuZnAl合金約為2％；循環(huán)使用次數(shù)多時，分別低于2％和0.5％。TiNi形狀記憶合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線第四十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日48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，不要達到比Af點高很多的溫度。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。合金長時間置于高溫，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合金長時間分別置于250℃和90℃以上的溫度時，不管載荷大小如何，都出現(xiàn)不良影響。第四十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日49形狀記憶合金的應(yīng)用第五十頁，共九十二頁，2022年，8月28日50工業(yè)應(yīng)用

宇航天線NiTI形狀記憶合金折疊發(fā)射自動張開的宇航天線原理圖第五十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日51宇航天線可由NiTi合金絲制成。將TiNi合金天線冷至低溫，使其轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體；將TiNi合金板或棒變形加工成竹筍狀或旋渦狀發(fā)條，收縮后安裝在衛(wèi)星內(nèi)；衛(wèi)星進入軌道后，團狀天線彈出，在太陽照射下，溫度升高到As以上，團狀天線自動張開，恢復(fù)到原來形狀；溫度升高到Af溫度以上時，完全恢復(fù)到原來的形狀，天線向宇宙空間撐開。美國宇航局根據(jù)達一想法研制了安放在月球表面上的拋物面天線組件。第五十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日52連接件和緊固件形狀記憶合金管接頭用相變點約-150℃的TiNiFe合金制備。合金內(nèi)徑加工成比被接管徑約小4-5％，把管接頭浸泡在液態(tài)空氣中，在低溫狀態(tài)下使內(nèi)徑擴大約7-8%，擴徑后管接頭用保溫材料保持低溫，被接管從管接頭兩側(cè)插入，去掉保溫材料，管接頭溫度上升到室溫，內(nèi)徑恢復(fù)到擴徑前狀態(tài)，牢牢箍緊被接管。形狀記憶管接頭第五十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日53形狀記憶合金管接頭具有高度的可靠性，不需熔焊的高溫高熱，不會損害周圍材料，在低溫下易拆卸，便于檢修檢查。這種管接頭在F-14戰(zhàn)斗機上使用了10萬個以上，從未出現(xiàn)過漏油等事故。這類管接頭在核潛艇的管路連接上也可大量應(yīng)用。150mm大口徑管接頭在海底輸油管道及其修補工程上得到應(yīng)用。F14戰(zhàn)斗機戰(zhàn)略核潛艇第五十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日54密閉中空結(jié)構(gòu)件中很難進行緊固操作，形狀記憶緊固鉚釘依靠形狀恢復(fù)可進行這種操作。Af點低于室溫的合金用來制造緊固鉚釘，尾部形狀記憶處理成開口形狀；進行緊固操作前，把緊固鉚釘浸泡在干冰或液態(tài)空氣中進行充分冷卻，然后把尾部拉直；插入被緊固孔；溫度回升后產(chǎn)生形狀恢復(fù)，鉚釘尾部叉開把物體固緊。(a)開口(b)拉直(c)插入(d)加熱形狀記憶緊固螺釘?shù)谖迨屙?，共九十二頁?022年，8月28日55智能機器人形狀記憶合金可制成驅(qū)動器、控制器等應(yīng)用在智能機器人中。形狀記憶驅(qū)動器通過適當(dāng)加熱和控制，可完成往返或旋轉(zhuǎn)運動，兼之具有感溫功能。形狀記憶控制機構(gòu)同傳統(tǒng)伺服控制機構(gòu)相比，一個形狀記憶元件就可起到傳統(tǒng)機構(gòu)中傳感、驅(qū)動和傳遞三系統(tǒng)功能的作用。智能控制器第五十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日56下圖為具有相當(dāng)于肩、肘、腕、指等的5維自由度的微型機器人試制品，形狀記憶合金可應(yīng)用于其中?？啃螤钣洃浐辖饎幼鞯奈⑿蜋C器人結(jié)構(gòu)圖第五十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日57手指和手腕是靠TiNi合金線圈的伸縮，肘部和肩是靠直線狀TiNi合金絲的伸縮，分別實現(xiàn)開閉和屈曲動作。每個元件通過控制電流來調(diào)節(jié)其位置和動作速度。這種機器人結(jié)構(gòu)小巧，動作柔軟自如(可實現(xiàn)抓舉盛水紙杯之類的柔軟物體)，這是因為通過元件控制量(電流)控制的不是位置，而是形狀恢復(fù)力，作用接近人體肌肉。第五十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日58低于Mf點溫度下，把重M的重物掛在形狀記憶線圈上，絲材伸長到屈服力和重力達到平衡；把線圈加熱到Af點以上，溫度上升使合金產(chǎn)生形狀恢復(fù)，形狀恢復(fù)力大于重力，絲材在彈性應(yīng)變的狀態(tài)下收縮L，提起重物做MgL的功；重物提上去后降低溫度，絲材伸長，接上重物，再升高溫度把重物提上去，實現(xiàn)熱機循環(huán)。形狀記憶熱機原理能量轉(zhuǎn)換熱機第五十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日59渦輪型熱機中，TiNi合金線圈通過空轉(zhuǎn)輪在溫水槽、冷水槽和差動滑輪之間穿引連接，形成連續(xù)環(huán)路。溫水側(cè)線圈產(chǎn)生縮短收縮，冷水側(cè)線圈產(chǎn)生伸長松弛，使差動滑輪受到很大的轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。兩者對滑輪的轉(zhuǎn)矩差成為熱機輸出功率.采用直徑為0.5mm的TiNi合金線圈，轉(zhuǎn)速可達750r/min，輸出功率為。形狀記憶合金制備的渦輪形熱機第六十頁，共九十二頁，2022年，8月28日60保險器和繼電器用形狀記憶合金制造的溫度保險器不同于熔斷保險絲，可產(chǎn)生很強的力拉斷接點，消弧效應(yīng)明顯，適合于作大功率、高電壓用保險器。形狀記憶合金溫度保險器第六十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日61形狀記憶合金可制造電接觸器的接觸棒。當(dāng)冷卻劑噴到接觸棒上時，作開關(guān)的記憶合金與電路觸點無接觸；將棒加熱到室溫時，合金棒因形狀記憶改變形狀，產(chǎn)生與電路觸點接觸。這種接觸器可通過控制溫度使其自動斷路或通路，同時還可遠(yuǎn)距離操作，廣泛用于接觸器很小或人員難以接近的場合。形狀記憶電接觸器第六十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日62醫(yī)學(xué)應(yīng)用金屬埋植入人體內(nèi)時必須考慮其生物相容性。如果埋植體對人體組織是一種活性物質(zhì)，那么它會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六十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日63覆膜形狀覆膜厚度和形狀隨埋植時間不同出現(xiàn)一定差異。埋植12月后，覆膜厚度十分不均勻，許多地方形成滑液囊；埋植17月后，覆膜變成薄而光滑致密的纖維結(jié)締組織，只在接骨板螺釘部存在少量不均勻覆膜。NiTi合金接骨板第六十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日64覆膜組織：埋植3個月后，TiNi合金接骨板上形成的覆膜主要由細(xì)胞質(zhì)和骨膠原纖維組織構(gòu)成；埋植6個月后，覆膜中的細(xì)胞質(zhì)減少，主要由致密的骨膠原纖維組織構(gòu)成，形成的覆膜厚度比3個月的?。宦裰?7個月后，細(xì)胞質(zhì)減少到在由骨膠原纖維構(gòu)成的致密結(jié)締組織中僅存一點的程度。第六十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日65埋植周圍的骨骼和肌肉：沒觀察到骨骼形狀變化，在埋植周圍和接觸部位的骨胳上也未發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞變化，剝離接骨板后，在剝離部位看到成骨細(xì)胞和新生骨膜的生成。埋植后沒有產(chǎn)生結(jié)締組織變性或脂肪變性，埋植17個月后在螺釘頭部所接觸的部位上形成薄肌纖維束，最引人注目的是這些組織中具有許多富含脂肪的細(xì)胞和血管。第六十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日66耐蝕性：在接骨板表面上沒發(fā)現(xiàn)任何均勻腐蝕和局部腐蝕現(xiàn)象，表明對動物組織液的耐蝕性非常好。游離原子：Ni原子游離在骨內(nèi)的有效誤差微小，同樣也研究了滲在各內(nèi)臟器官內(nèi)的游離原子狀態(tài)，其結(jié)果表明，埋植期間內(nèi)積累起來的游離原子的有效誤差等于零。這些結(jié)果表明，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)用價值。第六十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日67牙科領(lǐng)域矯治牙頜畸形，通常利用金屬絲材進行矯正。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，對患者造成疼痛和不適，同時還容易產(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10％也不會產(chǎn)生塑性變形。牙齒矯形絲第六十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日68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)變增大，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合金牙齒矯形絲第六十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日69NiTi矯形絲不僅操作簡便，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牙齒矯形絲第七十頁，共九十二頁，2022年，8月28日70牙根種植體對于缺少牙齒的病人來說，齒根修復(fù)是使其咀嚼功能恢復(fù)到最接近自然功能的一種方法。日本用NiTi形狀記憶合金制作了薄板結(jié)構(gòu)型牙根。使用時先在低溫下將牙根端部加壓并使之并攏，將其埋入顎骨，在口腔中不停灌漱熱水，使牙根溫度上升，此時牙根端部分別向兩側(cè)張開，實現(xiàn)固定的結(jié)合力，避免咀嚼時因牙根張開而脫落，并因其支持力強，可持續(xù)時間大大延長。第七十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日71矯形外科采用Ω形脊柱人造關(guān)節(jié)可在頸椎治療中替代傳統(tǒng)骨融合。先在低溫下將Ω形器的弓形臂展平(圖a)，并置于頸椎椎體的中間部位(圖b)，由于體溫的影響，Ω形器的臂部恢復(fù)原狀，保持頸椎高度(圖c)。這種關(guān)節(jié)成形術(shù)提高病人功能恢復(fù)的程度，最大程度減小病情的進一步惡化，同時避免并發(fā)癥的發(fā)生。Ω形脊柱人造關(guān)節(jié)Ω形脊柱人造關(guān)節(jié)應(yīng)用示意圖第七十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日72脊柱側(cè)彎矯形用哈倫頓棒各種脊柱側(cè)彎一旦導(dǎo)致高度畸變，不僅身心受到劇烈痛苦，而且內(nèi)臟也受到壓迫，所以必須進行外科矯形手術(shù)。脊柱側(cè)彎病癥第七十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日73目前，這種矯形手術(shù)采用不銹鋼哈倫頓棒。不銹鋼矯形棒安裝固定后使脊柱受到的矯正力在30-40kg以下，固定20min后矯正力就下降20%，不久就會下降到僅有最初固定力的30%。一到這時必須再進行手術(shù)，調(diào)整矯形力，使患者在精神和肉體上受到極大痛苦。脊柱內(nèi)固定系統(tǒng)第七十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日74形狀記憶合金哈倫頓棒只要進行一次安放固定手術(shù)就行，不需要第二次手術(shù)。先將NiTi合金矯形棒在低溫下彎折，使其變?yōu)楣位騭形，曲率與脊柱吻合；將NiTi合金矯形棒固定在椎板的棘突上；在溫生理鹽水作用下，NiTi合金矯形棒恢復(fù)原來形狀，產(chǎn)生較大的恢復(fù)力推動脊柱進行矯正，達到治療目的。利用NiTi記憶合金矯形體進行脊柱矯形的最大特點是體內(nèi)始終有一個較大的彎曲力矩作用在脊柱上，使畸形得到矯正，無骨折、無神經(jīng)損傷等嚴(yán)重并發(fā)癥，術(shù)后不用牽引，也不用石膏固定。第七十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日75NiTi合金聚髕器治療粉碎性髕骨骨折比較困難，我國設(shè)計了一種用于治療髕骨骨折的形狀記憶NiTi聚髕器，現(xiàn)已成功用于臨床治療之中。聚髕器由功能爪和連接腰組成，能從多個方向產(chǎn)生恢復(fù)力并作用于髕骨，持續(xù)地以縱向聚合加壓，將粉碎的髕骨聚合于解剖位置直至骨折愈合。聚髕器第七十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日76臨床應(yīng)用中，通常在低溫下將爪漸漸展開，使爪間距稍大于髕骨縱向直徑；骨折復(fù)位后，爪的自由端固定在髕骨周圍；用熱生理鹽水升溫，聚髕器的形狀恢復(fù)，髕骨周圍產(chǎn)生的會聚壓力使骨折碎片牢牢聚合在一起，加快骨折愈合。關(guān)節(jié)運動時，聚髕器的會聚壓力抵消股四頭肌的張力，骨折部位可得到穩(wěn)固保護。NiTi合金聚髕器應(yīng)用示意圖第七十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日77接骨用騎縫釘連接碎骨，治療骨折，有時要使用起絆緊作用的U字形騎縫釘?，F(xiàn)用騎縫釘插進后使骨骼不分離，只起固定作用，經(jīng)不住身體運動所產(chǎn)生的剪切力，有時固定力在人體活動過程中甚至減半。用形狀記憶加壓U形釘對治療關(guān)節(jié)骨折具有獨特優(yōu)勢。形狀記憶加壓騎縫釘?shù)谄呤隧?，共九十二頁?022年，8月28日78先在低溫下將加壓部分展開，延長兩爪間跨距，骨折復(fù)位后，將U形釘插入鉆好的孔中，用熱紗布對手術(shù)部位進行熱敷，使其升溫，U形釘恢復(fù)到原始形狀，對骨折部分施加恒定壓力，將骨折碎片牢牢固定。關(guān)節(jié)運動產(chǎn)生壓力或張力時，U形釘也能牢牢地壓在骨折部位。這種騎縫釘在德國已實現(xiàn)應(yīng)用，沒有出現(xiàn)任何事故。形狀記憶加壓騎縫釘?shù)谄呤彭?，共九十二頁?022年，8月28日79形狀記憶鋸齒臂環(huán)抱固定器在長管狀骨的骨折治療中，除穩(wěn)定固定外，還要求能有效地抗彎曲、抗剪切、抗扭轉(zhuǎn)，同時保持軸向壓縮力，促進骨折愈合及骨重塑。形狀記憶鋸齒臂環(huán)抱固定器具有固定抓緊功能，特別適合治療十分困難的長骨骨折。形狀記憶鋸齒臂環(huán)抱內(nèi)固定器第八十頁，共九十二頁，2022年，8月28日80根據(jù)X光片，選擇合適長度的環(huán)抱器，環(huán)抱固定器的內(nèi)徑比患者的骨直徑小約10％-20％；將環(huán)抱器消毒后，置于0-5℃的消毒冰鹽水中，用撐開鉗逐漸均勻地?fù)伍_各鋸齒臂，每對鋸齒臂之間的距離略大于骨干直徑，迅速置入已整復(fù)好的骨折段，使骨折部位于環(huán)抱器中部；用熱鹽水沖洗各鋸齒臂，由于形狀記憶效應(yīng)，環(huán)抱器迅速恢復(fù)原狀，鋸齒臂閉合，抱緊患骨。各種尺寸的形狀記憶鋸齒臂環(huán)抱內(nèi)固定器第八十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日81醫(yī)療裝置當(dāng)心臟出現(xiàn)毛病，不可能用手術(shù)治療時，不得不依賴于心臟移植或人工心臟。可以用形狀記憶合金制造人工心臟用人造肌肉，用以充當(dāng)人造心臟的驅(qū)動源。人工心臟用人造肌肉人造心臟第八十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日82直徑