智能材料形狀記憶合金

高分子形狀記憶合金的發(fā)展及趨勢(shì)于人類。關(guān)鍵詞：一、引言：形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloy,SMA)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形狀記憶效應(yīng)(ShapeMemoryEffect,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(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Ni2Ti合金和銅基合金(CuZnAl和CuAlNi)二、形狀記憶合金的發(fā)展史1932二、形狀記憶合金的發(fā)展史1932狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金。1938Cu-Zn1951ChangRead子)合金中發(fā)現(xiàn)了行狀記憶效應(yīng)。這是最早觀察到金屬形狀記憶效應(yīng)的報(bào)道。數(shù)In-Ti合金中觀察到同樣的現(xiàn)象。然而在當(dāng)時(shí)，這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)只被看作是個(gè)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1962rNi-Ti創(chuàng)了“形狀記憶”的實(shí)用階斷。1969Ni-TiF14戰(zhàn)斗Ti-Ni20世紀(jì)7年代，相繼開發(fā)出了Ni-TiCu-Al2-NiCu-Zn-Al80Fe-Mn-Si20世紀(jì)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成為研究熱點(diǎn)。SMASMA應(yīng)用開發(fā)已較為成熟，同時(shí)也較早地實(shí)現(xiàn)了SMA70代末才開始對(duì)SMA的研究工作，起步較晚，但起點(diǎn)較高。在材料冶金學(xué)方面，有一些獨(dú)到的成果。但是，由于研究條件的限制，在SMA的基礎(chǔ)理論和材料科學(xué)方面的研究我國(guó)與國(guó)際先進(jìn)水平尚有一定差距，尤其是在SMA產(chǎn)業(yè)化和工程應(yīng)用方面與國(guó)外差距較大。記憶合金主要分為以下幾種單程記憶效應(yīng)：加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。雙程記憶效應(yīng)：憶效應(yīng)。全程記憶效應(yīng)：為全程記憶效應(yīng)。SMA項(xiàng)自由能之差作為相變驅(qū)動(dòng)力。兩項(xiàng)自由能相等的溫度T0稱為平衡溫度。只有當(dāng)溫度低于平衡溫度T0時(shí)才會(huì)產(chǎn)生馬氏體相變，反之，只有當(dāng)溫度高于平衡溫度T0時(shí)才會(huì)發(fā)生逆相變。項(xiàng)自由能之差作為相變驅(qū)動(dòng)力。兩項(xiàng)自由能相等的溫度T0稱為平衡溫度。只有當(dāng)溫度低于平衡溫度T0時(shí)才會(huì)產(chǎn)生馬氏體相變，反之，只有當(dāng)溫度高于平衡溫度T0時(shí)才會(huì)發(fā)生逆相變。SMA起的馬氏體相變叫做應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，且相變溫度同應(yīng)力呈線性關(guān)系。至今為止發(fā)現(xiàn)的記憶合金體系A(chǔ)u-CdAg-CdCu-ZnCu-Zn-AlCu-Zn-SnCu-Zn-SiCu-SnCu-Zn-GaIn-Ti、Au-Cu-Zn、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-NbFe-Mn-Si三、形狀記憶效應(yīng)的應(yīng)用7020廣泛，其應(yīng)用范圍涉及機(jī)械、電子、化工、宇航、能源和醫(yī)療等許多領(lǐng)域。三、形狀記憶效應(yīng)的應(yīng)用性的不同,可歸納為下面幾類:自由回復(fù)。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(NASA)將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(jìn)入軌道后,利用加熱器或太陽(yáng)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(dǎo)管插入靜脈腔,經(jīng)體溫加熱后,形狀變?yōu)榫W(wǎng)構(gòu),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(jī)構(gòu)。強(qiáng)制回復(fù)。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SMA015mm的Ti2Ni板制作的Ag2TiNi復(fù)合夾滿足小而輕、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。動(dòng)力裝置。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、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。1997年美國(guó)航空航天局(NASA)的科學(xué)家利用長(zhǎng)3cm,直徑0115mm(01006″)的Ni-TiSMA驅(qū)動(dòng)火星探測(cè)器上的太陽(yáng)能電池?fù)醢?加熱SMA,使其收縮,通過傳動(dòng)裝置,擋板的有效開合可起到防塵的目的。精密控制。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)立公司已研制出具有13個(gè)自由度的能揀取雞蛋的機(jī)器人。俄羅斯St1Petersburg機(jī)器人及控制技術(shù)學(xué)院在Cu-Al-Ni基合金材料的研究基礎(chǔ)上,研制出了擬人機(jī)械手(115m200kg,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(dòng)操縱桿給出前端的第1,2超彈性應(yīng)用。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輕患者的不適感。應(yīng)用領(lǐng)域：航天航空領(lǐng)域：憶”功能而自然展開，恢復(fù)拋物面行狀。還有在軍用飛機(jī)的液壓系統(tǒng)中的低溫配合連接件，歐洲和美國(guó)正在研制用于直升飛機(jī)的智能水平旋翼中的形狀記憶合金材料。由于直升飛機(jī)高震動(dòng)和高噪聲使用受到限制，其噪聲和震動(dòng)的來(lái)源主要是葉片渦流干擾，以及葉片型線的微小偏差。這就需要一種平衡葉片螺距的裝置，使各葉片能精確地在同一平面旋轉(zhuǎn)。目前已開發(fā)出一種葉片的軌跡控制器，它是用一個(gè)小的雙管形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器控制葉片邊緣軌跡上的小翼片的位置，使其震動(dòng)降到最低。用于制造探索宇宙奧秘的月球天線，人們利用形狀記憶合金在高溫環(huán)境下制做好天線，再在低溫下把它壓縮成一個(gè)小鐵球，使它的體積縮小到原來(lái)的千分之一，這樣很容易運(yùn)上月球，太陽(yáng)的強(qiáng)烈的輻射使它恢復(fù)原來(lái)的形狀，按照需求向地球發(fā)回寶貴的宇宙信息。另外，在衛(wèi)星中使用一種可打開容器的形狀記憶釋放裝置，該容器用于保護(hù)靈敏的鍺探測(cè)器免受裝配和發(fā)射期間的污染。生物醫(yī)療方面：用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的TiNi形狀記憶合金，除了利用其形狀記憶效應(yīng)或超彈性外，還應(yīng)滿足化學(xué)和生物學(xué)等方面的要求，即良好的生物相容性。TiNi可與生物體形成穩(wěn)定的鈍化膜。目前，在醫(yī)學(xué)上 TiNi合金主要應(yīng)用有：牙齒矯形絲用超彈性TiNi合金絲和不銹鋼絲做的牙齒矯正絲，其中用超彈性TiNi合金絲是最適宜的。通常牙齒矯形用不銹鋼絲 合金絲，但這些材料有彈性模量高，彈性應(yīng)變小的缺點(diǎn)。為了給出適宜的矯正力，在矯正前就要加工成弓形，而且結(jié)扎固定要求熟練。如果用 合金作牙齒矯形絲，即使應(yīng)變高達(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(stress-inducedmartensite)使彈性模量呈現(xiàn)非線型特性，即應(yīng)變?cè)龃髸r(shí)矯正力波動(dòng)很少。這種材料不僅操作簡(jiǎn)單，療效好，也可減輕患者不適感。在手術(shù)中安放矯形棒時(shí)，要求固定后脊柱受到的矯正力保持在 30~40kg下，一但受力過大，矯形棒就會(huì)破壞，結(jié)果不僅是脊柱，而且連神經(jīng)也有受損傷的危險(xiǎn)。同時(shí)存在矯形棒安放后矯正力會(huì)隨時(shí)間變化，大約矯正力降到初始時(shí)的30%時(shí)，就需要再進(jìn)行手術(shù)調(diào)整矯正力，這樣給患者在精神肉體上都造成極大痛苦。采用形狀記憶合金制作的哈倫頓棒，只需要進(jìn)行一次安放矯形棒固定。如果矯形棒的矯正力有變化，以通過體外加熱形狀記憶合金，把溫度升高到比體溫約高 5℃，就能恢復(fù)足夠的矯正力。另外，外科中用TiNi形狀記憶合金制做各種骨連接器、血管夾、凝血濾器以及血管擴(kuò)張?jiān)取Ｍ瑫r(shí)還廣泛應(yīng)用于口腔科、骨科、心血管科、胸外科、肝膽科、泌尿科、婦科等，隨著形狀記憶的發(fā)展，醫(yī)學(xué)應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。日常生活方面：中、浴盆和浴室的熱水意外燙傷；這些閥門也可用于旅館和其他適宜的地方。如果水龍頭流出的水溫達(dá)到可能燙傷人的溫度 (大約48℃)時(shí)，形狀憶合金驅(qū)動(dòng)閥門關(guān)閉，直到水溫降到安全溫度，閥門才重新打開。眼鏡框架在眼鏡框架的鼻梁和耳部裝配 TiNi合金可使人感到舒適并抗磨損，由于TiNi合金所具有的柔韌性已使它們廣泛用于改變眼鏡時(shí)尚界。用超彈性TiNi合金絲做眼鏡框架，即使鏡片熱膨脹，該形狀記憶合金絲也能靠超彈性的恒定力夾牢鏡片。這些超彈性合金制造的眼鏡框架的變形能力很大，而普通的眼鏡框則不能做到。移動(dòng)電話天線和火災(zāi)檢查閥門 使用超彈性TiNi金屬絲做蜂窩電話天線是形狀記憶合金的另一個(gè)應(yīng)用。過去使用不銹鋼天線，由于彎曲常常出現(xiàn)損壞問題。使用TiNi壞性受到人們普遍歡迎。因此常用來(lái)制作蜂窩狀電話天線和火災(zāi)檢查閥門。火災(zāi)中，當(dāng)局部地方升溫時(shí)閥門會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，防止了危險(xiǎn)氣體進(jìn)入。這種特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是，它具有檢查閥門的操作，然后又能復(fù)位到安全狀態(tài)；這種火災(zāi)檢查閥門在半導(dǎo)體制造業(yè)中得到使用，在半導(dǎo)體制造的擴(kuò)散過程中使用了有毒的氣體；這種火災(zāi)檢查閥也可在化學(xué)和石油工廠應(yīng)用。機(jī)械電子產(chǎn)品方面：1970年美國(guó)用形狀記憶合金制作 F-14戰(zhàn)斗上的低溫配合連接器，后有數(shù)以百萬(wàn)以上的連件的應(yīng)用。形狀記憶合金作為低溫配合連接在飛機(jī)的液壓系統(tǒng)中及體積較小的石油、石化、電工業(yè)產(chǎn)品中應(yīng)用。另一種連接這種接件已經(jīng)用于密封裝置、電氣連接裝置、電子工程機(jī)械裝置，并能在-65~300件連接。將形狀記憶合金制作成一個(gè)可打開和關(guān)閉快門的彈簧，用于保護(hù)霧燈免于飛行碎片的擊壞。用于制造精密儀器或精密車床，一旦由于震動(dòng)、碰撞等原因變形，只需加熱即可排除故障。在機(jī)械制造過程中，各種沖壓和機(jī)械操作常需將零件從一臺(tái)機(jī)器轉(zhuǎn)移到另一臺(tái)機(jī)器上，現(xiàn)在利用形狀記憶合金開發(fā)了一種取代手動(dòng)或液壓夾具，這種裝置叫驅(qū)動(dòng)汽缸，它具有效率高靈活，裝夾力大等特點(diǎn)。任何一種好的材料，其利用價(jià)值是相當(dāng)大的任何一種好的材料，其利用價(jià)值是相當(dāng)大的,發(fā)展前景也是很樂觀的。比如智能熱敏聚合物是一種能夠?qū)ν饨鐪囟鹊淖兓l(fā)生預(yù)定響應(yīng),從而使聚合物特定的宏觀性能隨之發(fā)生相應(yīng)的變化的高分子材料,形狀記憶聚合物為智能熱敏1,4-聚異戊二烯等均具有現(xiàn)狀記憶特工等領(lǐng)域的應(yīng)用前景,并對(duì)該類材料的發(fā)展前景進(jìn)行了展望.對(duì)于這一種高科技材料我認(rèn)為應(yīng)該更加廣泛的去開發(fā)、去利用，21拋物線形或平面天線，折疊成一團(tuán)，用飛船帶到太空，溫度轉(zhuǎn)變，自展成原來(lái)的大面積和形狀。四、存在的問題和研究方向存在的問題在SMA的研究和應(yīng)用中,目前尚存在許多有待解決的問題,例如:由于SMA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(dòng)中,這就大大限制了材料的應(yīng)用。SMA迫切需要解決的問題?，F(xiàn)有的SMA點(diǎn),從而精確地模擬出SMA的材料行為也是一個(gè)需要研究的重要課題;在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面,還需繼續(xù)研究SMA的生物相容性和細(xì)胞毒性。SMA一條SMA自動(dòng)生產(chǎn)線,此外材料成本也相當(dāng)昂貴。為了提高應(yīng)用水平,SMA精度,在這方面仍有許多工作要做。研究方向SMA研究今后的發(fā)展方向和趨勢(shì)可歸納為以下幾方面:充分發(fā)掘、改進(jìn)和完善現(xiàn)有SMA的性能;研究開發(fā)新的具有形狀記憶效應(yīng)的合金材料;SMASMA高溫SMA五、前景展望研究的六、結(jié)語(yǔ)七、參考文獻(xiàn)崔海寧.形狀記憶合金在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].ft西建筑,2006高志剛.形狀記憶合金的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,20073.吳根華.形狀記憶合金及其應(yīng)用[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004[J].機(jī)電設(shè)備,2002王永前，趙連城.高溫形狀記憶合金研