形状记忆合金讲演

1、在此输入文字标题在此输入文字标题形状记忆合金形状记忆合金成员：袁兴武，李菠，陆凯华，纪良 主要内容主要内容背景及原理分类特性及优缺点国内外发展现状应用与展望背景及原理背景及原理 形状记忆合金（形状记忆合金（Shape Memory Alloys,Shape Memory Alloys,），简称），简称SMASMA，是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其变形前原始形状的合金材料。形，恢复其变形前原始形状的合金材料。 背景及原理背景及原理19321932年年 瑞典人欧勒特在观察某种金镉合金的性能时首次发瑞典人欧勒特在观察某

2、种金镉合金的性能时首次发 现形状记忆效应。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现了一种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。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，在美国海军实验室在开发新型舰船材料时，在Ti-NiTi-Ni合合金中发现把直条形的材料加工成弯曲形状，经加热后它的金中发现把直条形的材料加工成弯曲形状，经加热后它的形状又恢复到原来的直条形。形状又恢复到原来的直条形。背景及原理背景

3、及原理工作原理：将形状记忆合工作原理：将形状记忆合金加热至某一临界温度金加热至某一临界温度（晶型转变温度）以上进（晶型转变温度）以上进行形状记忆热处理，急冷行形状记忆热处理，急冷后形成低温马氏体相，然后形成低温马氏体相，然后施加一定程度的形变，后施加一定程度的形变，再被加热到临界温度以上，再被加热到临界温度以上，使晶相反转变，由低温马使晶相反转变，由低温马氏体相逆变为高温奥氏体氏体相逆变为高温奥氏体相（母相）而恢复到形变相（母相）而恢复到形变前的固有形状，或者在随前的固有形状，或者在随后的冷却中，通过内部弹后的冷却中，通过内部弹性能释放而返回到马氏体性能释放而返回到马氏体相。相。 背景及原理背

4、景及原理热弹性马氏体：热弹性马氏体： 非热弹性马氏体非热弹性马氏体(以以Fe-Mn-Si为例为例)奥氏体奥氏体相（母相（母相）相）马氏体相马氏体相降温，施加外应力降温，施加外应力升温到马氏体转变温度以上升温到马氏体转变温度以上奥氏体奥氏体相（母相（母相）相）路片状马氏体路片状马氏体降温，施加外应力降温，施加外应力升温到马氏体转变温度以上升温到马氏体转变温度以上背景及原理背景及原理分类分类按加热变形特征可分为三类按加热变形特征可分为三类 单程记忆效应：在马氏体状态下受力变形，加热时恢复高单程记忆效应：在马氏体状态下受力变形，加热时恢复高温相形状，冷却时不恢复低温相形状。温相形状，冷却时不恢复低温

5、相形状。 双程记忆效应：加热时恢复高温形状，冷却时恢复低温形双程记忆效应：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：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状全程记忆效应：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效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。应。分类分类变形的三种形式变形的三种形式 分类分类按成分可分为三类按成分可分为三类 铁基形状记忆合金铁基形状记忆合金 铜基形状记忆合金铜基形状记忆合金 钛镍基形状记忆合金钛镍基

6、形状记忆合金分类分类按驱动方式可分为两类按驱动方式可分为两类 温度变化驱动：传统非磁性形状记忆合金。温度变化驱动：传统非磁性形状记忆合金。 电磁驱动：磁性记忆合金（利用磁场对合金中不利取向马电磁驱动：磁性记忆合金（利用磁场对合金中不利取向马 氏体变体的氏体变体的ZeemanZeeman静磁力，促使有利取向的马氏体变体长大静磁力，促使有利取向的马氏体变体长大并吞并不利取向的变体，从而产生宏观变形，当磁场强度减并吞并不利取向的变体，从而产生宏观变形，当磁场强度减小或撤去时又回到初始位置。小或撤去时又回到初始位置。 ）。）。特性及优缺点特性及优缺点集传感、驱动、控制、换能于一身集传感、驱动、控制、换

7、能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，而一般金属材料，而一般金属材料只有只有0.10.1以下（超以下（超/ /伪弹性）伪弹性）有确定的转变温度有确定的转变温度 （例（例Ti-Ni 50Ti-Ni 50。C C）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不受温度以外的其他因素影响无振动噪声，无污染不受温度以外的其他因素影响无振动噪声，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逆形状记忆特性逆形状记忆特性特性及优缺点特性及优缺点钛镍基钛镍基铜基铜基铁基铁基优点钛镍基形状记

8、忆合金的伸缩率在20%以上，疲劳寿命达10的7次方。超强的耐腐蚀性，好于目前最好的医用不锈钢。优秀的功能材料，除具有都有形状记忆功能外，还具有耐磨损，超弹性，高阻尼。延展性、形状记忆强度、应变、电阻及稳定性均较好 具有形状记忆、超弹性、高阻尼、和良好的导电性四大功能。生产工艺简单，成本低廉，性能优良。其记忆性能仅次于Ni-Ti系合金，相变点可在100到300摄氏度范围内调节。铜系形状记忆合金比镍钛记忆合金更便宜且容易加工成型，因此颇具发展潜力。强度高。易于加工成型。铁系形状记忆合金成本低廉，原料丰富。安全可靠，是很有发展前途的功能材料 。缺点加工性能差，高成本铜系形状记忆合金的强度不如镍钛记忆

9、合金，反复受热的形状记忆能力也衰减较快,不具生物相容性部分铁基材料耐腐蚀性差，形状记忆特性不如镍钛基SMA的强度不高，且制造过程中温度不能太高，否则会影响其记忆性，同时形状记忆合金的响应特性较慢，不适用于实时控制国内外发展现状国内外发展现状国内：国内： 我国从上世纪七十年代末才开始形状记忆合金的研究工我国从上世纪七十年代末才开始形状记忆合金的研究工作。由于研究条件的限制，在形状记忆合金基础理论和材料作。由于研究条件的限制，在形状记忆合金基础理论和材料科学方面的研究我国与国际先进水平尚有一定的差距，尤其科学方面的研究我国与国际先进水平尚有一定的差距，尤其是在形状记忆合金产业化和工程应用方面与国外

10、差距较大。是在形状记忆合金产业化和工程应用方面与国外差距较大。但具有较好研究基础的有北京有色金属研究总院、哈尔滨工但具有较好研究基础的有北京有色金属研究总院、哈尔滨工业大学、中科院沈阳金属所、西北有色金属研究院、北京航业大学、中科院沈阳金属所、西北有色金属研究院、北京航空航天大学、上海交通大学等。空航天大学、上海交通大学等。 目前我国从事形状记忆合金材料及制品生产的企业有数十目前我国从事形状记忆合金材料及制品生产的企业有数十家。相对实力较强的是有研亿金、兰州西脉、西安赛特和江家。相对实力较强的是有研亿金、兰州西脉、西安赛特和江阴法尔胜佩尔等阴法尔胜佩尔等 我国的整个形状记忆合金研究主要有以下几

11、个方面：我国的整个形状记忆合金研究主要有以下几个方面：1 1 形状记忆合金相变理论形状记忆合金相变理论2 2 新材料开发新材料开发3 3 工程实际应用工程实际应用国内外发展现状国内外发展现状国外：国外：生产工艺、加工设备、关键技术、产品质量等方面优势较大生产工艺、加工设备、关键技术、产品质量等方面优势较大如美国如美国WahWah-Chang-Chang公司，单个铸锭重量已经达到公司，单个铸锭重量已经达到3300kg3300kg左右。左右。而我国一般在而我国一般在50kg50kg以下。我国在记忆合金薄壁管材的生产技以下。我国在记忆合金薄壁管材的生产技术等方面还不成熟，而国外的毛细管外径最小可到术

12、等方面还不成熟，而国外的毛细管外径最小可到0.008m0.008m，厚度可薄至，厚度可薄至0.002m0.002m。应用与发展应用与发展形状记忆合金应用十分广泛，涉及到航形状记忆合金应用十分广泛，涉及到航空航天，机械电子，医疗及生活用品多空航天，机械电子，医疗及生活用品多个领域。个领域。 航空航天中的应用航空航天中的应用形状记忆合金已应用到航空和太空装置。形状记忆合金已应用到航空和太空装置。如用在军用飞机的液压系统中的低温配如用在军用飞机的液压系统中的低温配合连接件，欧洲和美国正在研制用于直合连接件，欧洲和美国正在研制用于直升机的智能水平旋翼中的形状记忆合金升机的智能水平旋翼中的形状记忆合金材

13、料。还可用于制造探索宇宙奥秘的月材料。还可用于制造探索宇宙奥秘的月球天线，人们利用形状记忆合金在高温球天线，人们利用形状记忆合金在高温环境下制做好天线，再在低温下把它压环境下制做好天线，再在低温下把它压缩成一个小铁球，使它的体积缩小到原缩成一个小铁球，使它的体积缩小到原来的千分之一，这样很容易运上月球，来的千分之一，这样很容易运上月球，太阳的强烈的辐射使它恢复原来的形太阳的强烈的辐射使它恢复原来的形状。状。应用与发展应用与发展机械电子方面应用机械电子方面应用 工业机器人夹持器工业机器人夹持器利用形状记忆合金的单程记利用形状记忆合金的单程记忆效应，考虑到返程的动作。忆效应，考虑到返程的动作。所以

14、要那个两片形状记忆驱所以要那个两片形状记忆驱动元件构成差动结构来完成动元件构成差动结构来完成反复动作。当反复动作。当SMA1SMA1弹簧通电弹簧通电加热而产生收缩变形时，便加热而产生收缩变形时，便带动摆杆向内摆动，加紧工带动摆杆向内摆动，加紧工件。若件。若SMA1SMA1断电，通电加热断电，通电加热SMA2SMA2弹簧，则后者伸长变形弹簧，则后者伸长变形而推开摆杆放松工件。而推开摆杆放松工件。应用与发展应用与发展机械电子方面应用机械电子方面应用 紧固铆钉紧固铆钉如图，铆钉尾部记忆成型为开口状，紧固前，将铆钉在干冰如图，铆钉尾部记忆成型为开口状，紧固前，将铆钉在干冰中冷却后把尾部拉直，插入被紧固

15、的孔中，温度上升产生形中冷却后把尾部拉直，插入被紧固的孔中，温度上升产生形状恢复，铆钉尾部岔开，即可实现紧固状恢复，铆钉尾部岔开，即可实现紧固。应用与发展应用与发展机械电子方面应用机械电子方面应用 低温接头低温接头本图为本图为Ti-Ni合金在电路连接器方面的应用示例。由于低温时合金在电路连接器方面的应用示例。由于低温时马氏休相非常软，在插座弹簧力的作用下，使马氏休相非常软，在插座弹簧力的作用下，使Ti-Ni合金的环合金的环张开，插头容易插入。但在高温下将恢复原来形状且不会脱张开，插头容易插入。但在高温下将恢复原来形状且不会脱开，此时紧固力很大，不会产生滑动，可保让接触可靠，在开，此时紧固力很大

16、，不会产生滑动，可保让接触可靠，在大电流和振动情况下可放心使用，适用于制造潜艇、火箭、大电流和振动情况下可放心使用，适用于制造潜艇、火箭、飞机等电路的连接部分。类似的应用还可蝴作管子接头。飞机等电路的连接部分。类似的应用还可蝴作管子接头。应用与发展应用与发展生物医疗方面应用生物医疗方面应用用于医学领域的用于医学领域的 TiNi 形形状记忆合金，除了利用状记忆合金，除了利用其形状记忆效应或超弹其形状记忆效应或超弹性外，还应满足化学和性外，还应满足化学和生物学等方面的要求，生物学等方面的要求，即良好的生物相容性。即良好的生物相容性。TiNi 可与生物体形成稳可与生物体形成稳定的钝化膜。在医学上定的

17、钝化膜。在医学上 TiNi 合金主要应用合金主要应用于于牙牙齿矫形、脊柱侧弯矫形齿矫形、脊柱侧弯矫形应用与发展应用与发展生物医疗方面应用生物医疗方面应用 记忆食道支架记忆食道支架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，冰块，“食道食道”又会遇冷收缩，从而可轻易取出，使失去进食功又会遇冷收缩，从而可轻易取出，使失去进食功能能的食道癌患者提高了生活质量。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）植入腔道内效果应用与发展应用与发展生活方面应用生活方面

18、应用 记忆眼镜框记忆眼镜框利用形状记忆效应可以制成记忆眼镜框，如果不小心被碰弯曲利用形状记忆效应可以制成记忆眼镜框，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。而且这种眼镜了，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。框具有超弹性，使人佩戴后感到非常舒适。应用与发展应用与发展生活方面应用生活方面应用 温度敏感开关温度敏感开关如图所示，把一普通的偏置弹如图所示，把一普通的偏置弹簧与形状记忆合金做成的弹簧簧与形状记忆合金做成的弹簧串联起来，当温度升高到上限串联起来，当温度升高到上限温度时，形状记忆合金收缩，温度时，形状记忆合金收缩，

19、切断开关；当温度达到下限温切断开关；当温度达到下限温度时，偏置弹簧的力超过了形度时，偏置弹簧的力超过了形状记忆合金弹簧的力，使电路状记忆合金弹簧的力，使电路接通。它可用作温室窗户开闭接通。它可用作温室窗户开闭器、室内空调器的阀门、汽车器、室内空调器的阀门、汽车散热器的风扇离合器、防火用散热器的风扇离合器、防火用的灭火器等，很有开发前景。的灭火器等，很有开发前景。由于由于SMASMA的各种功的各种功能均依赖于马氏体能均依赖于马氏体相变相变, ,需要不断对需要不断对其加热、冷却及加其加热、冷却及加载、卸载载、卸载, , 因此因此SMASMA只适用于低频只适用于低频(10Hz(10Hz以下以下) )控制中控制中, ,这就大大限制了