形状记忆材料肖霞

1、11形状记忆材料形状记忆材料2形状记忆效应形状记忆效应 具有具有一定形状（初始形状）一定形状（初始形状）的固体材料，的固体材料，在某一低温状态下经过在某一低温状态下经过塑性变形塑性变形后（后（另一形另一形状状），通过），通过加热加热到这种材料固有的某一临界到这种材料固有的某一临界温度以上时，材料又温度以上时，材料又恢复到初始形状恢复到初始形状，这种，这种效应称为形状记忆效应。效应称为形状记忆效应。 3形状记忆材料形状记忆材料(shape memory materials，简称SMM)： 是指具有一定初始形状的材料经形变并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

2、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刺激或化学刺激的处理又可恢复成初始形状的材料。材料。4 4目录目录形状记忆形状记忆材料材料的应用背景的应用背景12形状记忆形状记忆材料材料的功能特点的功能特点34形状记忆形状记忆材料材料的记忆原理的记忆原理形状记忆形状记忆材料材料在航空航天中的应用在航空航天中的应用形状记忆形状记忆材料材料在医学中的应用在医学中的应用5形状记忆形状记忆材料材料在生活中的应用在生活中的应用265飞机在出现事故如鸟撞击飞机时，飞机能自我飞机在出现事故如鸟撞击飞机时，飞机能自我修复裂痕。修复裂痕。在地震中受到破坏的建筑物、桥梁能自行加固在

3、地震中受到破坏的建筑物、桥梁能自行加固，裂缝会自行封合。，裂缝会自行封合。我们使用的各种材料像有生命的东西一样，能我们使用的各种材料像有生命的东西一样，能根据外界环境自我判断、自我适应、自我修复根据外界环境自我判断、自我适应、自我修复。形状记忆合金应用背景请你想象一下请你想象一下l19881988年年4 4月月2828日波音日波音737737飞机在美国出现灾难性断裂事故，飞机在美国出现灾难性断裂事故，如今飞机的事故仍在继续发生。如今飞机的事故仍在继续发生。l20082008年年5 5月月1212日我国发生了举世震惊的汶川大地震，伤亡日我国发生了举世震惊的汶川大地震，伤亡惨重。惨重。6形状记忆合

4、金的发现过程19321932年年 瑞典人欧勒特在观察某种金镉合金的性能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。时首次发现形状记忆效应。19381938年年 哈佛大学的研究人员在一种铜锌合金中发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。形状变化。但当时并未引起人们的重视。19621962年年 美国海军实验室在开发新型舰船材料时，美国海军实验室在开发新型舰船材料时，在在Ti-NiTi-Ni合金中发现把直条形的材料加工成弯曲形状合金中发现把直条形的材料加工成弯

5、曲形状，经加热后它的形状又恢复到原来的直条形。从，经加热后它的形状又恢复到原来的直条形。从 此此形状记忆合金引起了极大的关注。形状记忆合金引起了极大的关注。形状记忆合金应用背景7v 1994年3月1日，举世闻名的“世界第八大奇迹”秦始皇兵马俑二号俑坑正式开始挖掘。这是本世纪以来巨大的考古发现之一。 在清理一号坑的第一过洞时，考古在清理一号坑的第一过洞时，考古工作者发现一把青铜剑被一尊重达工作者发现一把青铜剑被一尊重达150千克的陶俑压弯了千克的陶俑压弯了,其弯曲的程度超过其弯曲的程度超过45度，当人们移开陶俑之后，令人惊度，当人们移开陶俑之后，令人惊诧的奇迹出现了：那又窄又薄的青铜诧的奇迹出现

6、了：那又窄又薄的青铜剑，竟在一瞬间反弹平直，自然恢复剑，竟在一瞬间反弹平直，自然恢复。当代冶金学家梦想的。当代冶金学家梦想的“形态记忆合形态记忆合金金”，竟然出现在，竟然出现在2000多年前的古代多年前的古代墓葬里。墓葬里。 事实上，关于铬盐氧化处理的方法事实上，关于铬盐氧化处理的方法，绝不是秦始皇时代的发明，早在，绝不是秦始皇时代的发明，早在春春秋战国时期秋战国时期，中国人就掌握了这一先，中国人就掌握了这一先进的工艺。进的工艺。 8形状记忆合金记忆原理 在有些材料中，即使是同一材料组成的晶体中，在有些材料中，即使是同一材料组成的晶体中，也可能存在不同的晶体结构，这种现象称为同素也可能存在不同

7、的晶体结构，这种现象称为同素异构。金刚石和石墨就是炭的同素异构体。异构。金刚石和石墨就是炭的同素异构体。 石墨的晶体结构石墨的晶体结构金刚石的晶体结构金刚石的晶体结构9 铁也有两种不同的基本晶体铁也有两种不同的基本晶体结构，即体心立方铁和面心立结构，即体心立方铁和面心立方铁。方铁。这种由相同的原子组成的不这种由相同的原子组成的不同的晶体结构，在材料学中又同的晶体结构，在材料学中又称为不同的称为不同的“相相”。体心立方铁和面心立方铁属体心立方铁和面心立方铁属不同的不同的“相相”，前者称为，前者称为 Fe ( Fe ( 铁素体铁素体) )，后者称为后者称为Fe(Fe(奥氏体奥氏体) )。形状记忆合

8、金记忆原理 前者是常温下存在，而后者是高温下存在，前者是常温下存在，而后者是高温下存在，它们在硬度、密度和塑性变形能力等性质上都不它们在硬度、密度和塑性变形能力等性质上都不相同。相同。10 人们利用同一种成分的材料可以有不同的人们利用同一种成分的材料可以有不同的“相相”， 就能演出一幕幕就能演出一幕幕“相相”变戏，即改变外变戏，即改变外界条件如温度界条件如温度, ,使材料由一种晶体结构变成另一使材料由一种晶体结构变成另一种晶体结构，材料的力学性能和物理或化学性能种晶体结构，材料的力学性能和物理或化学性能也就随之改变，当温度恢复时材料的晶体结构也也就随之改变，当温度恢复时材料的晶体结构也恢复到原

9、来的状态，性质也随之复原。恢复到原来的状态，性质也随之复原。形状记忆合金就是利用一些材料的晶体形状记忆合金就是利用一些材料的晶体结构的相互转变来使其具有形状记忆功能结构的相互转变来使其具有形状记忆功能的。的。形状记忆合金记忆原理1111 记忆过程即完成：记忆过程即完成： 的循环过程。的循环过程。记忆起始态记忆起始态固定变形态固定变形态恢复起始态恢复起始态 物理因素：热能，光能，电能和声能等。物理因素：热能，光能，电能和声能等。化学因素：酸碱度，螯合反应和相转变反应等。化学因素：酸碱度，螯合反应和相转变反应等。12形状记忆效应可分为三类形状记忆效应可分为三类 单程记忆效应：单程记忆效应：受力变形

10、，加热时恢复高温相形状，冷却受力变形，加热时恢复高温相形状，冷却时不恢复低温相形状。时不恢复低温相形状。 双程记忆效应：双程记忆效应：加热时恢复高温形状，冷却时恢复低温形加热时恢复高温形状，冷却时恢复低温形状，即通过温度升降自发地可逆地反复恢复高低温的形状状，即通过温度升降自发地可逆地反复恢复高低温的形状。 全程记忆效应：全程记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状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。这是一种特殊的双程记忆相同而取向相反的高温相形状。这是一种特殊的双程记忆效应。效应。形状记忆合金记忆原理13集传感、驱动、控制、换能于一身集传感、驱动、控制、换能

11、于一身机械性质优良，能恢复的形变可高达机械性质优良，能恢复的形变可高达1010，而一般，而一般金属材料只有金属材料只有0.10.1以下以下有确定的转变温度有确定的转变温度 镍镍 钛钛 5050在加热时产生的回复应力非常大，可达在加热时产生的回复应力非常大，可达500MPa500MPa对环境适应能力强，不受温度以外的其他因素影响对环境适应能力强，不受温度以外的其他因素影响无振动噪声，无污染无振动噪声，无污染抗疲劳抗疲劳 回忆变形回忆变形500500万次不疲劳变形万次不疲劳变形形状记忆合金特性 这些特性，从总体上看，是对环境刺激的自我适这些特性，从总体上看，是对环境刺激的自我适应，即通过调整内部结

12、构来适应外界条件。这种特应，即通过调整内部结构来适应外界条件。这种特性在许多智能材料和智能系统的设计中有重要价值性在许多智能材料和智能系统的设计中有重要价值。14形状记忆合金在航空航天中的应用 宇宙飞船登月之后，为了将月球上收集到的各种信息发回地球，必须在月球宇宙飞船登月之后，为了将月球上收集到的各种信息发回地球，必须在月球上架设直径为好几米的半月面天线。要把这个庞然大物直接放入宇宙飞船的船舱上架设直径为好几米的半月面天线。要把这个庞然大物直接放入宇宙飞船的船舱中几乎是不可能。但利用形状记忆合金则能使其成为可能。中几乎是不可能。但利用形状记忆合金则能使其成为可能。 先用镍钛合金在高温下制成半球

13、形的月面天线（这种合金非常强硬，刚度很先用镍钛合金在高温下制成半球形的月面天线（这种合金非常强硬，刚度很好），再让天线冷却到好），再让天线冷却到2828以下。这时，合金内部发生了结晶构造转变，变得非以下。这时，合金内部发生了结晶构造转变，变得非常柔软，所以很容易把天线折叠成小球似的一团，放进宇宙飞船的船舱里。到达常柔软，所以很容易把天线折叠成小球似的一团，放进宇宙飞船的船舱里。到达月球后，宇航员把变软的天线放在月面上，借助于阳光照射或其他热源的加热使月球后，宇航员把变软的天线放在月面上，借助于阳光照射或其他热源的加热使环境温度超过奥氏体相变温度，这时天线犹如一把折叠伞那样自动张开，成为原环境温

14、度超过奥氏体相变温度，这时天线犹如一把折叠伞那样自动张开，成为原先定形的抛物状天线，迅速投入正常的工作。先定形的抛物状天线，迅速投入正常的工作。月面天线月面天线15记忆铆钉记忆铆钉形状记忆合金在航空航天中的应用在飞机的制造工艺中，需要用大量的连接件如铆钉和螺栓进行连接或紧固在飞机的制造工艺中，需要用大量的连接件如铆钉和螺栓进行连接或紧固。采用形状记忆合金制作紧固销钉，将是飞机制造业中的一项崭新的工艺技。采用形状记忆合金制作紧固销钉，将是飞机制造业中的一项崭新的工艺技术。它可以在某些很难进行操作的场合术。它可以在某些很难进行操作的场合( (如在密闭真空中如在密闭真空中), ), 较容易地实现材较

15、容易地实现材料的链接和紧固。料的链接和紧固。铆钉尾部记忆成型为开口状铆钉尾部记忆成型为开口状, ,紧固前紧固前, ,将铆钉在干冰中冷却后把尾部拉直将铆钉在干冰中冷却后把尾部拉直, ,插插入被紧固件的孔中入被紧固件的孔中, ,温度上升产生形状恢复温度上升产生形状恢复, ,铆钉尾部叉开即可实现紧固。铆钉尾部叉开即可实现紧固。16形状记忆合金在航空航天中的应用记忆合金管接头记忆合金管接头升温升温在飞机上通常装有各种不同直径的管道，对于一些异径管接头的连接，形状记忆在飞机上通常装有各种不同直径的管道，对于一些异径管接头的连接，形状记忆合金可以大显身手。合金可以大显身手。先将形状记忆合金材料加工成所要求

16、的管材，然后经适当热处理使管材产生径向先将形状记忆合金材料加工成所要求的管材，然后经适当热处理使管材产生径向膨胀，并快速冷却，即可制得马氏体相变后套管。应用时，将此套管套在需要连接膨胀，并快速冷却，即可制得马氏体相变后套管。应用时，将此套管套在需要连接的两个管材的接头上，再用加热器将已膨胀的套管加热至其软化点（即奥氏体温度的两个管材的接头上，再用加热器将已膨胀的套管加热至其软化点（即奥氏体温度）以上，膨胀管便收缩到初始形状，紧紧包覆在管接头。）以上，膨胀管便收缩到初始形状，紧紧包覆在管接头。1717 容器外包及衬里容器外包及衬里 一般制作容器衬里一般制作容器衬里 操作比较困难。若选用操作比较困

17、难。若选用 形状记忆高分子材料，形状记忆高分子材料， 则只需先将它加工成衬则只需先将它加工成衬 里形状，然后加热变形里形状，然后加热变形 为便于组装的形状，冷为便于组装的形状，冷 却固化后塞入容器内，却固化后塞入容器内， 再加热便可恢复成衬里再加热便可恢复成衬里 形状，牢固地嵌在容器形状，牢固地嵌在容器 内。内。1818 包装材料包装材料 利用高分子材料的记忆功能制成的热收缩利用高分子材料的记忆功能制成的热收缩薄膜可用于包装等方面。形状记忆高分子可以薄膜可用于包装等方面。形状记忆高分子可以很容易地制成筒状的包装薄膜，套到需要包装很容易地制成筒状的包装薄膜，套到需要包装的产品外面后，经过一个加热

18、工序，形状记忆的产品外面后，经过一个加热工序，形状记忆高分子便可牢固地收缩在产品外面，可以很方高分子便可牢固地收缩在产品外面，可以很方便地实现连续自动化紧缩包装生产。便地实现连续自动化紧缩包装生产。19 形状记忆合金还可制成各类心脏修补器、血形状记忆合金还可制成各类心脏修补器、血栓过滤器、伤骨固定器、脊柱矫正器、手术缝合栓过滤器、伤骨固定器、脊柱矫正器、手术缝合线、人造骨骼等等。线、人造骨骼等等。形状记忆合金在医学中的应用 记忆食道架能在喉部膨胀成新的食道。必要时只要向食道记忆食道架能在喉部膨胀成新的食道。必要时只要向食道里加上冰块，里加上冰块，“食道食道”又会遇冷收缩，从而可轻易取出，使又会

19、遇冷收缩，从而可轻易取出，使失去进食功能的食道癌患者提高了生活质量。失去进食功能的食道癌患者提高了生活质量。 （a a）预压缩）预压缩 （b b）受热扩张后）受热扩张后 （c c）植入腔道内效果）植入腔道内效果记忆食道支记忆食道支架架20过热保护装置过热保护装置形状记忆合金在生活中的应用用形状记忆合金弹簧可以设计一种过热保护的用形状记忆合金弹簧可以设计一种过热保护的SMASMA驱动器，驱动器，以避免淋浴时意外烫伤。以避免淋浴时意外烫伤。正常工作时，热水的温度小于正常工作时，热水的温度小于SMASMA的奥氏体相变温度，当水的奥氏体相变温度，当水温达到可能烫伤人的温度温达到可能烫伤人的温度( (大

20、约大约48)48)时，时，SMASMA发生形变，从而发生形变，从而驱动阀门关闭，直到水温降到安全温度，阀门才重新打开。驱动阀门关闭，直到水温降到安全温度，阀门才重新打开。可以转动手柄可以转动手柄(a)(a)让偏压弹簧失效使热水直接流过阀。让偏压弹簧失效使热水直接流过阀。21 利用CuZnAl形状记忆合金双程记忆恢复特性制成的记忆合金花瓣瓣，动作幅度为180。采用CuZnAl记忆合金片，以热水或热风为热源，开放温度为6585，闭合温度为室温。花蕾直径80mm,展开直径200mm。记忆合金花记忆合金花形状记忆合金在生活中的应用22利用形状记忆效应可以制成记忆眼镜框，如果不小心被利用形状记忆效应可以

21、制成记忆眼镜框，如果不小心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。而碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。而且这种眼镜框具有超弹性，使人佩戴后感到非常舒适。且这种眼镜框具有超弹性，使人佩戴后感到非常舒适。形状记忆合金在生活中的应用记忆眼镜框记忆眼镜框23形状记忆合金制成的形状记忆合金制成的“蝴蝶蝴蝶” （可模仿肌肉的收缩）（可模仿肌肉的收缩）形状记忆合金在生活中的应用24记忆照明灯罩 用形状记忆合金制造汽车的外壳，万一被撞瘪，只要用形状记忆合金制造汽车的外壳，万一被撞瘪，只要浇上一桶热水就可恢复到原来的形状。浇上一桶热水就可恢复到原来的形状。记忆汽车外壳记忆衣服记忆衣服

22、 用记忆合金丝混合羊毛织成衣服，当人运动后体温上升用记忆合金丝混合羊毛织成衣服，当人运动后体温上升，衣服就会根据人的体温自动地调整使衣服变得宽松，使人，衣服就会根据人的体温自动地调整使衣服变得宽松，使人感觉更舒适。感觉更舒适。记忆车钉记忆车钉 用形状记忆合金制成的钉子安装在汽车外胎上，当气用形状记忆合金制成的钉子安装在汽车外胎上，当气温降低、公路结冰时，钉子会温降低、公路结冰时，钉子会“自动自动”从外胎里伸出来，从外胎里伸出来，防止车轮打滑。防止车轮打滑。 用形状记忆合金制造的城市照明灯，有两瓣随着灯的亮用形状记忆合金制造的城市照明灯，有两瓣随着灯的亮灭而逐渐张开或合上的金属叶片。白天，路灯熄

23、灭，叶片灭而逐渐张开或合上的金属叶片。白天，路灯熄灭，叶片合上；傍晚，路灯亮起灯泡发热，叶片受热而逐渐张开，合上；傍晚，路灯亮起灯泡发热，叶片受热而逐渐张开，使灯泡显露出来。使灯泡显露出来。其他应用2525 (3)(3)将成本较高的形状记忆树脂与价廉的通用树脂共将成本较高的形状记忆树脂与价廉的通用树脂共 混，开发兼有多种效用的新型形状记忆高分子材料混，开发兼有多种效用的新型形状记忆高分子材料, , 或者将通用的工程树脂开发为形状记忆树脂或者将通用的工程树脂开发为形状记忆树脂, , 使其使其 既具有工程技术性能又具有特异形状记忆功能的高既具有工程技术性能又具有特异形状记忆功能的高 分子材料。分子材料。 (4) (4)把高温侧和低温侧的单向形状记忆性巧妙地组合起把高温侧和低温侧的单向形状记忆性巧妙地组合起 来