形状记忆材料.ppt

形状记忆材料 报告人 孙桂山学号 151610010023 人们盖上用记忆合金丝混合羊毛织成的毛毯后 如毛毯温度过热 它就会自动掀开一部分 适当降低温度 使人睡得更安稳 记忆毛毯 记忆钉子 菲力浦公司研制了一种由 记忆金属 制成的钉子 把它安在汽车外胎上 当气温降低 公路结冰时 钉子会 自动 从外胎里伸出来 防止车轮打滑 用这种 记忆金属 造出汽车 万一被撞瘪 只要浇上一桶热水就可恢复到原来的形状 汽车 意大利一家公司利用形状记忆合金纤维造出一件能 善解人意 的衬衫 据报道这种衬衣使用镍钛合金纤维和尼龙混织而成 比例为五根尼龙丝配一根镍钛合金丝 当周围温度升高时 这件衬衣的袖子会自动卷起来 而且这种衬衣还不怕起皱 即使揉成乱糟糟的一团 用电吹风一吹 马上就能恢原样 甚至人的体温也能把它熨平 形状记忆材料 ShapeMemoryMaterials 是指具有一定初始形状的材料经形变并固定成另一种形状后 通过热 光 电等物理刺激或化学刺激的处理又可恢复成初始形状的材料 a 原始形状 b 拉直 c 加热后恢复 形状记忆效应简易演示实验 形状记忆材料的发现 1932 1938 1951 瑞典人欧勒特在观察某种金镉合金的性能时首次发现形状记忆效应 哈佛大学的研究人员在一种铜锌合金中发现了一种随温度的升高和降低而逐渐增大或缩小的形状变化 但当时并未引起人们的重视 美国里德等人在金镉合金的研究中发现该合金的形状记忆效应 随后在铟钛合金中也发现了形状记忆效应 形状记忆材料的发现 1962 1963 1970 美国海军军械研究所成员研究镍钛合金时无意发现被弯曲的镍钛合金丝靠近雪茄火焰的部分自己伸直了 军械研究所宣布在镍钛合金丝中发现了形状记忆效应 人们在铜铝镍合金中也发现了形状记忆现象 并明确这种现象是能产生热弹性马氏体相变的合金所共有的特性 形状记忆材料的发现 1984 1988 1989 法国CDFChimie公司开发出了一种新型材料聚降冰片烯 该材料的分子量很高 300万以上 是一种典型的热致型形状记忆聚合物 日本的可乐丽公司合成出了形状记忆聚异戊二烯 同年 日本三菱重工开发出了由异氰酸酯 多元醇和扩链剂三元共聚而成的形状记忆聚合物PUR 日本杰昂公司开发出了以聚酯为主要成分的聚酯 合金类形状记忆聚合物 Back 形状记忆材料的种类 形状记忆合金 形状记忆陶瓷 形状记忆聚合物 形状记忆材料 1 1形状记忆效应具有一定形状 初始形状 的固体材料 在某一低温状态下经过塑性变形后 另一形状 通过加热到这种材料固有的某一临界温度以上时 材料又恢复到初始形状 这种效应称为形状记忆效应 形状记忆效应示意图 对于普通金属材料 受到外力作用时 当应力超过屈服强度时 产生塑性变形 应力去除后 塑性变形永久保留下来 不能恢复原状 形状记忆效应 如左图 材料加载过程中 应变随应力增加 OA段为弹性变形的线性段 AB为非线性段 由B点卸载时 残余应变为OC 将此材料在一定温度加热 则残余应变降为零 材料全部恢复原状 单程形状记忆效应 双程形状记忆效应 全程形状记忆效应 形状记忆效应 按形状恢复情况可分为 单程形状记忆效应材料在高温 奥氏体状态 下制成某种形状 在低温 马氏体状态 时将其任意变形 再加热时恢复高温相形状 而重新冷却时不能恢复低温相的形状 双程形状记忆效应又称可逆形状记忆效应 材料加热时恢复高温相形状 冷却时恢复低温相形状 即通过温度升降自发可逆地反复地恢复高低温相的形状 全程形状记忆效应材料加热时恢复高温相形状 冷却时变为形状相同而取向相反的高温相形状 它是一种特殊的双程形状记忆效应 只能在富镍的Ti Ni合金中出现 1 2形状记忆机理 有序点阵结构的母相与马氏体相变的孪生结构具有共格性 在母相 马氏体 母相的转变循环中 母相完全可以恢复原状 这就是单程记忆效应的原因 其晶体结构变化模型如图11 5 a 将母相冷却到发生马氏体相变 形成24种马氏体变体 由于相邻变体可协调生成 微观上相变应变相互抵消 无宏观变形 b 马氏体受外力作用时 变体界面移动 相互吞食 形成马氏体单晶 出现宏观变形 c 由于变形前后马氏体结构没有变化 当去除外力时 无形状改变 d 当加热发生逆相变 马氏体通过逆转变恢复到母相形状 双程和全程记忆效应机理比较复杂 有许多问题尚未搞清 形状记忆过程中晶体结构的变化 从微观来看 形状记忆效应是晶体结构的固有变化规律 通常金属合金在固态时 原子按照一定规律排列起来 而形状记忆合金的原子排列规律是随着环境条件的改变而改变的 形状恢复的推动力是由在加热温度下母相和马氏体相的自由能之差产生的 具有形状记忆效应的合金叫形状记忆合金 ShapeMemoryAlloy 简称SMA 它是通过热弹性与马氏体相变及其逆相变而具有形状记忆效应的由两种以上金属元素所构成的材料 一般来说 给金属施加外力使它变形 之后取消外力或改变温度 金属通常不会恢复原形 而这种合金在外力作用下虽会产生变形 当把外力去掉 在一定的温度条件下 能恢复原来的形状 由于它具有百万次以上的恢复功能 因此叫做 记忆合金 二 形状记忆合金 人们发现的具有形状记忆效应的合金有50多种 按组成和相变特征可分为三大类 Ti Ni系形状记忆合金 TiNi Ti2Ni TiNi3 近年又开发了Ti Ni Cu Ti Ni Fe Ti Ni Cr Ti Ni Pb Ti Ni Nb等新型合金 铜基系形状记忆合金 主要有Cu Zn Al Cu Al Ni Cu Au Zn 铁基系形状记忆合金 应用前景最好的是Fe Mn Si Cr Ni Fe Mn Co Ti SMA的特性集传感 驱动 控制 换能于一身机械性质优良 能恢复的形变可高达10 而一般金属材料只有0 1 以下有确定的转变温度在加热时产生的回复应力非常大 可达500MPa对环境适应能力强 不受温度以外的其他因素影响无振动噪声 无污染抗疲劳 回忆变形500万次不疲劳变形 目前研究得最全面 记忆性能最好 实用性强的合金材料优点 记忆效应优良 性能稳定 生物相容性好是目前唯一作为生物医学材料的形状记忆合金 缺点 制造过程较复杂 价格高昂 Ti Ni合金通过在1000 左右固溶后 在400 进行时效处理 再淬火得到马氏体 2 1Ti Ni系形状记忆合金 2 2铜基系形状记忆合金 在已发现的形状记忆材料中铜基合金占的比例最多 它们的一个共同点是母相均为体心立方结构 主要由Cu Zn和Cu A1两个二元系发展而来 通过第三元素可以有效地提高形状记忆合金的相变温度 发展了一系列的Cu Zn X X Al Ge锗 Si Sn锡 Be铍 Ni 三元合金 24 性能特点优点 制造加工容易 价格便宜 相变点可在一定温度范围内调节 不同成分的Cu Zn A1合金相变温度不同 缺点 强度较低 形状记忆稳定性及耐疲劳性能差 不具有生物相容性 改善铜基系合金的循环特性 提高记忆性能 可采取 a 加入适量稀土和Ti Mn V B等元素 细化晶粒 提高滑移形变抗力 b 微晶铜基系形状记忆合金 采用粉末冶金和快速凝固法等 25 a 没放入热水前 b 放入热水后 c 凉至室温后双程CuZnAl记忆合金花的动作变化情况 以热水或热风为热源 开放温度为65 85 闭合温度为室温 花蕾直径80mm 展开直径200mm 2 3铁基系形状记忆合金继Ti Ni和铜基系以后 20世纪70年代以来 在许多铁基合金中发现了形状记忆效应 分为两类 1 热弹性马氏体相变Fe Pt Fe Pd Fe Ni Co Ti合金等 2 应力诱发马氏体相变 非热弹性马氏体 Fe Mn Si Fe Cr Ni Mn Si Co合金等 铁基合金的形状记忆效应 既有通过热弹性马氏体相变来获得 也有通过应力诱发 马氏体相变 非热弹性马氏体 而产生形状记忆效应 例如 Fe Mn Si合金经淬火处理所得的马氏体为非热弹性马氏体 属应力诱导型记忆合金 其双程记忆效应甚小 用于单程形状记忆 价格较低 易加工 铁基系中工业应用首选材料 28 形状记忆材料应用 在理论研究不断深入的同时 形状记忆材料的应用研究也取得了长足进步 其应用范围涉及机械 电子 宇航 能源 医疗和日常生活等许多领域 美国以在航空航天的应用为代表 日本以日用产品为代表 而中国以医疗器械为代表 工程应用 1 紧固件 连接件 密封垫 管件接头等 30 图形状记忆合金用作铆钉的工作原理图 31 高技术应用 人造卫星天线 图Ti Ni形状记忆合金制造的人造卫星天线 美国宇航局的月面天线计划 在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线 然后把它揉成直径5厘米以下的小团 放入阿波罗11号的舱内 在月面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状 从而能用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线 32 医学应用 TiNi合金的生物相容性很好 利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多 如血栓过滤器 脊柱矫形棒 牙齿矫形丝 脑动脉瘤夹 接骨板 髓内针 人工关节 心脏修补元件 人造肾脏用微型泵等 33 记忆合金用于骨骼固定 在医学上 镍 钛合金与生物体有好的相容性 可以在人体内作为固定折断骨骼的插销 做成接骨板 使断骨紧紧相接 用记忆合金做成精细的网络 然后降低温度压成细丝 插入血管 由于体温使它恢复网络形状 在血管里起血栓的过滤作用 34 人工关节 用超弹性TiNi合金丝和不锈钢丝做的牙齿矫正丝 其中用超弹性TiNi合金丝是最适宜的 通常牙齿矫形用不锈钢丝CoCr合金丝 但这些材料有弹性模量高 弹性应变小的缺点 为了给出适宜的矫正力 在矫正前就要加工成弓形 而且结扎固定要求熟练 如果用TiNi合金作牙齿矫形丝 即使应变高达10 也不会产生塑性变形 而且应力诱发马氏体相变 stress inducedmartensite 使弹性模量呈现非线型特性 即应变增大时矫正力波动很少 这种材料不仅操作简单 疗效好 也可减轻患者不适感 牙齿矫形丝 脊柱侧弯矫形采用形状记忆合金制作的哈伦顿棒 只需要进行一次安放矫形棒固定 如果矫形棒的矫正力有变化 以通过体外加热形状记忆合金 把温度升高到比体温约高5 就能恢复足够的矫正力 a 消化道内支架