形狀記憶合金

神奇的功能材料—形狀記憶合金

北京交通大學(xué)張克軍cauzkj@12/18/20241神奇的功能材料—形狀記憶合金形狀記憶效應(yīng)Ti-Ni形狀記憶合金的原理Ti-Ni形狀記憶合金的驅(qū)動(dòng)性能研究形狀記憶合金的應(yīng)用12/18/20242

1932年，瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到“記憶”效應(yīng)，即合金的形狀被改變之后，一旦加熱到一定的躍變溫度時(shí)，它又可以魔術(shù)般地變回到原來(lái)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。

形狀記憶合金作為一種新型功能性材料為人們所認(rèn)識(shí)，并成為一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科分支，可以認(rèn)為是始于1963年。當(dāng)時(shí)美國(guó)的海軍武器實(shí)驗(yàn)室的W.J.Buchler博土研究小組，在一次偶然的情況下發(fā)現(xiàn)，TiNi合金工件因?yàn)闇囟炔煌?，敲擊時(shí)發(fā)出的聲音明顯不同，這說(shuō)明該合金的聲阻尼性能與溫度相關(guān)。通過(guò)進(jìn)一步研究，將這種材料制成的細(xì)絲的一端彎曲，并靠近點(diǎn)煙火柴火焰，發(fā)現(xiàn)彎曲的細(xì)絲伸直了。

12/18/20243形狀記憶效應(yīng)(ShapeMemoryEffect,簡(jiǎn)稱SME)形狀記憶效應(yīng)——將材料在一定條件下進(jìn)行一定限度以內(nèi)的變形后，再對(duì)材料施加適當(dāng)?shù)耐饨鐥l件，材料的變形隨之消失而回復(fù)到變形前的形狀的現(xiàn)象。具有形狀記憶效應(yīng)的材料——形狀記憶材料形狀記憶合金

一般金屬材料收到外力作用后，首先發(fā)生彈性變形，達(dá)到屈服點(diǎn)，金屬就產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力消除后就產(chǎn)生了永久變形。有些金屬在高溫下定形后冷卻到低溫并施加變形，從而形成殘余形變。

12/18/20244具有形狀記憶效應(yīng)的金屬，通常是由2種以上的金屬元素構(gòu)成的合金，故稱為形狀記憶合金

(ShapeMemoryAlloys，簡(jiǎn)稱SMA)。

20世紀(jì)80年代先后在高分子聚合物、陶瓷材料、超導(dǎo)材料中發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。形狀記憶合金12/18/20245形狀記憶效應(yīng)可分為3種類型：①單程形狀記憶效應(yīng)②雙程形狀記憶效應(yīng)③全程形狀記憶效應(yīng)

形狀記憶合金12/18/20246單程形狀記憶效應(yīng)——材料在高溫下制成某種形狀，在低溫相時(shí)將其任意變形，再加熱時(shí)恢復(fù)為高溫相形狀，而重新冷卻時(shí)卻不能恢復(fù)低溫相時(shí)的形狀。

形狀記憶合金單程形狀記憶效應(yīng)12/18/20247雙程形狀記憶效應(yīng)——加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)恢復(fù)低溫相形狀，即通過(guò)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，或稱為可逆形狀記憶效應(yīng)。

形狀記憶合金雙程形狀記憶效應(yīng)12/18/20248全程形狀記憶效應(yīng)——當(dāng)加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹母邷叵嘈螤畹默F(xiàn)象。只能在

富鎳的Ti-Ni合金中出現(xiàn)。

形狀記憶合金全程形狀記憶效應(yīng)12/18/20249馬氏體相變與形狀記憶原理熱彈性馬氏體相變超彈性和偽彈性應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變形狀記憶合金12/18/202410普通的馬氏體相變是鋼的淬火強(qiáng)化方法，即把鋼加熱到某個(gè)臨界溫度以上保溫一段時(shí)間，然后迅速冷卻，鋼轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N馬氏體結(jié)構(gòu)，并使鋼硬化。大部分合金和陶瓷記憶材料是通過(guò)熱彈性馬氏體相變而呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。馬氏體相變與形狀記憶原理奧氏體(A)馬氏體(M)45＃鋼淬火工藝曲線AM鋼的馬氏體相變不可逆冷卻加熱形狀記憶合金12/18/202411在某些合金中發(fā)現(xiàn)熱彈性馬氏體相變：馬氏體一旦生成可以隨著溫度降低繼續(xù)長(zhǎng)大，當(dāng)溫度回升時(shí)，長(zhǎng)大的馬氏體又可以縮小，直至恢復(fù)到原來(lái)的母相狀態(tài)，即馬氏體隨著溫度的變化可以可逆地長(zhǎng)大或縮小——熱彈性馬氏體AM可逆性冷卻加熱形狀記憶合金12/18/202412具有較低的對(duì)稱性的正交或單斜晶系，內(nèi)部是孿晶變形或?qū)渝e(cuò)具有較高的對(duì)稱性的立方點(diǎn)陣形狀記憶效應(yīng)的實(shí)質(zhì)：是在溫度的作用下，材料內(nèi)部熱彈性馬氏體形成、變化、消失的相變過(guò)程的宏觀表現(xiàn)。熱彈性馬氏體相變時(shí)伴隨有形狀的變化。形狀記憶合金12/18/202413形狀記憶合金晶體結(jié)構(gòu)變化模型形狀記憶合金12/18/202414超彈性或偽彈性形狀記憶合金發(fā)生超彈性變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線

(Af溫度以上加載）

產(chǎn)生熱彈性馬氏體相變的形狀記憶合金，在Af溫度以上誘發(fā)產(chǎn)生的馬氏體只在應(yīng)力作用下才能穩(wěn)定地存在，應(yīng)力一旦解除，立即產(chǎn)生逆相變，回到母相狀態(tài)，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的宏觀變形也隨逆相變而完全消失。其中應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系表現(xiàn)出明顯的非線性，這種非線性彈性和相變密切相關(guān)，叫做相變偽彈性

或超彈性12/18/202415在T0與Ms之間的某一溫度對(duì)合金施加外力也可引起馬氏體轉(zhuǎn)變。由外部應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生的馬氏體相變稱為應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變(Stress-Induceed

MartensiteTransformation)。

本質(zhì)：應(yīng)力作用使材料的MS點(diǎn)升高。應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變12/18/202416Ti-Ni形狀記憶合金的驅(qū)動(dòng)性能研究預(yù)應(yīng)變Ti-Ni合金絲在加熱、冷卻過(guò)程的回復(fù)力——溫度曲線Ti-Ni合金儲(chǔ)能、耗能、輸出功與溫度和預(yù)應(yīng)變關(guān)系Ti-Ni合金熱-機(jī)循環(huán)過(guò)程中的應(yīng)力——應(yīng)變——溫度關(guān)系形狀記憶合金的阻尼特性12/18/202417

Ti-Ni基形狀記憶合金

優(yōu)點(diǎn)：記憶效應(yīng)優(yōu)良、性能穩(wěn)定、生物相容性好缺點(diǎn)：制造過(guò)程較復(fù)雜，價(jià)格高昂

Ti-Ni合金通過(guò)在1000℃左右固溶后，在400℃進(jìn)行時(shí)效處理，再淬火得到馬氏體。形狀記憶合金12/18/202418形狀記憶合金的應(yīng)用形狀記憶合金12/18/202419①高技術(shù)中的應(yīng)用：制造人造衛(wèi)星天線

Ti-Ni形狀記憶合金制造的人造衛(wèi)星天線美國(guó)宇航局的月面天線計(jì)劃：在室溫下用形狀記憶合金制成拋物面天線，然后把它揉成直徑5厘米以下的小團(tuán)，放入阿波羅11號(hào)的艙內(nèi)，在月面上經(jīng)太陽(yáng)光的照射加熱使它恢復(fù)到原來(lái)的拋物面形狀,從而能用空間有限的火箭艙運(yùn)送體積龐大的天線。形狀記憶合金12/18/202420②工程應(yīng)用:緊固件、連接件、密封墊、管件接頭等形狀記憶合金用作鉚釘?shù)墓ぷ髟韴D形狀記憶合金12/18/202421③醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用:牙齒矯形絲、血栓過(guò)濾器、動(dòng)脈瘤

夾、接骨板等（Ti-Ni合金）支撐性與柔韌性完美協(xié)調(diào)的Ti-Ni記憶合金食道支架形狀記憶合金12/18/202422④智能應(yīng)用

形狀記憶合金是一種集感知和驅(qū)動(dòng)雙重功能為一體的新型材料，可廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)調(diào)節(jié)