材料学概论-新材料、新工艺形状-记忆合金doc(共7页)

1、材料学概论PAGE PAGE 14 形状记忆合金 材料(cilio)学概论结业报告(bogo)新材料(cilio)、新工艺 形状记忆合金 形状记忆合金 摘要：形状记忆合金即记忆合金（简称MSE），它是具有记忆效应的材料，MSE最先在金属材料中发现，经过几十年的研究，已经揭示其巨大的使用价值，尤其是其具有兼传感和驱动的双重功能，越来越被科学家所看重。本文将从记忆合金的定义、发现、功能、分类、原理组成及其广大应用来全面介绍它。但由于自己专业涉足不深只好花重点篇幅介绍其简单的应用了，至于组成原理只好简单的从书中摘录而来，所以敬请原谅！关键词： 合金 记忆效应 机理 应用 一：发现及定义 1 形状记忆

2、合金的发现许多重大的发现都源自于偶然事件。1961年 ,美国海军研究所的一个研究小组 ,花了不少精力将一批使用不便的乱如麻丝的镍钛 (Ni - Ti)合金丝一根根地拉直 ,并用在试验中。无意中发现 ,当温度升到一定值的时候 ,这些已被拉直的镍钛合金丝 ,突然“ 记忆 ” 起自己原来的模样又恢复到弯弯曲曲的状态 ,而且丝毫不差。经过反复试验 ,结果这一“变形 恢复 ” 的现象可重复进行。那么什么是形状记忆合金 ( shape memory alloy)呢 ?一般金属材料受到外力作用后 ,首先发生弹性变形 ,达到屈服点 ,就产生塑性变形 ,应力消除后留下永久变形。但有些材料 ,在发生了塑性变形后

3、,经过合适的热过程 ,能够回复到变形前的形状 ,这种现象叫做形状记忆效应 ( S ME)。具有形状记忆效应的金属一般是两种以上金属元素组成的合金 ,称为形状记忆合金 ( S MA)。所谓的记忆性状效应是指在一种状态下成型的了合金，如果在另一状态下（通常是指是在另一温度区间）给与没有弹性恢复力的形变，使具有另外一种状态，当其返回到第一种状态 温度时，和技能自动恢复原先具有的状态。换句话说，合金再返回到原先的状态时，它能记得自己原先所具有的形状，因而人们把这种合金叫做形状记忆合金。二：形状(xngzhun)记忆合金的分类 按照记忆效应形状记忆合金可以(ky)分为三种:（1）单程记忆效应 形状记忆合

4、金(j y h jn)在较低的温度下变形 ,加热后可恢复变形前的形状 ,这种只在加热过程存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。（2）双程记忆效应 某些合金加热时恢复高温相形状 ,冷却时又能恢复低温相形状 ,称为双程记忆效应。（3）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低温相形状 ,称为全程记忆效应。按其复合基分类（1）镶性甚形状记忆合金、镍钦基形状记忆合金不仅具有独特的记忆功能与超弹性功能,而且还具有优良的理化性能与优异的生物相容性 ,其拉伸强度、疲劳强度、剪切强度 、冲击韧性均明显优于普通不锈钢 ,其生物相容性也远好于不锈钢及钻铬合金。在医学上 ,镶钦记忆合金用来

5、制作固定断骨的销子和接骨板 ,利用生物体内的温度比室温高的特点 ,合金一旦植到体内,便会立即收缩 ,使断骨处紧紧相接。在航天方面 ,当人造卫星刚进人轨道以后 ,卫星天线因受太阳光的热辐射,由铁镍合金丝编织而成的折叠成很小体积的团状天线便会自动展开 ,恢复原来的大抛物面形状。（2）铜甚形状记忆合金新型高耐热铜基记忆合金在悴火条件下 ,热弹性逆变温度可高达 。目前该合金的改进型正用于军工研究中。根据铜基记忆合金产生相变宽滞后的条件并据此研制了宽滞后记忆管接头目前正在解决记忆管接头制备工艺问题及应用问题。（3）铁荟形状记忆合金铁基形状记忆合金具有良好的单程形习 衍己忆效应和形状记忆完全性 ,合金中铬

6、、镍元素的加人兼具良好的耐腐蚀性 ,可应用于石油输送管道接头和不易焊接的异种材料咖铝一铜,钢一陶瓷詹件的接头。三：组成及其机理总的讲合金之所以具有这种奇特的形状记忆效应，从本质上说，这是由合金微观结构固有的变化规律所决定的。通常，在固态的金属合金中，原子时按一定的规律堆砌起来的。有的合金中，原子堆砌规律还可以随温度的的改变而改变。如，在较高温度时，原子按某种规律堆积起来，当温度下降到某个低温时，原子就会改变自己的堆砌规律，而形成另一种堆砌结构（在有的合金中被叫做马氏体状态）。金属合金在固态状态下发生的这种微观结构上的变化就是所谓的“固态相变”，如冷却后是马氏体相，就称为马氏体相变。现就具体说说

7、其具体变化过程。热弹性(tnxng)马氏体相变机理：在一般钢铁中, 马氏体大多是在相当低的温度下, 并在连续加热中由奥氏体转变而成的。具有马氏体型转变, 并且马氏体向高温相转变初始温度 Ms 和高温相向(xingxing)马氏体转变温度 As 相差很小的合金, 将其冷却到 Ms 以下时, 马氏体晶核随温度下降逐渐长大, 温度回升这种马氏体又反过来同步地随温度的上升而缩小, 这种马氏体叫做热弹性马氏体 。热弹性马氏体相变机理: 记忆合金的记忆效应是合金在冷却、加热和变形过程中发生热弹性马氏体相变所造成的。高温奥氏体相晶体在冷却之后发生相变, 转变为含有孪晶的低温(dwn)马氏体相晶体, 此时如受

8、到外力作用, 适合于变形的孪晶部分将把不适合于变形的孪晶部分侵蚀掉成为一个单晶, 成为变形的马氏体。即在单向外力作用下, 其中马氏体顺应应力方向发生再取向, 造成马氏体的择优取向, 当大部分或全部马氏体都采取一个取向时, 整个材料在宏观上表现为形变。这种变形的马氏体被加热时, 再转变成母相奥氏体,形变即全部消失。对于具有热弹马氏体相变的合金, 发生这种相变的驱动力很小, 因此, 随着温度的变化发生这种奥氏体-马氏体-形变马氏体-奥氏体的过程。具有形状记忆效应的合金, 其中绝大多数奥氏体相有序晶格结构, 马氏体则呈对称性低的单斜或三斜晶体结构。也就是说, 马氏体相对称性差且相界面容易移动, 所以

9、也容易使移动路径调转方向往回走。只有这种在高温下发生向有序晶格逆转变的合金才显示形状记忆效应。应力诱导马氏体相变机理 除了温度可引起合金的母体- 马氏体- 母体的变化, 应力也可以诱发这种马氏体转变。在 Ms 以上某个温度对合金施加外力也可引起马氏体转变, 形成的马氏体叫应力诱发马氏体。这种马氏体在应力增加时马氏体长大, 反之马氏体缩小, 应力消除后马氏体消失, 这种马氏体叫应力弹性马氏体。应力弹性马氏体形成时会使合金产生附加应变,当除去应力时, 这种附加应变也随之消失, 这种现象叫超弹性 (伪弹性)。由应力引起的母体- 马氏体- 母体的转变而造成的金属形状记忆效应叫做应力诱导马氏体相变机理。

10、四：生产工艺不同的记忆合金有不同的生产工艺，因为钛镍记忆合金应用最早和最广泛，现就具体说说它的生产工艺：生产这种合金的传统方法是熔炼法。由于合金熔融状态化学活性大 ,并且易产生比重偏析 ,熔炼时合金的成分难以精确控制 ,影响材料的形状记忆性能 ,往往需要通过多次熔炼和高温均匀化处理来改善铸锭的性能。另外 ,该合金加工困难 ,由铸锭到成材需要经历多次热、 冷加工 ,中间需要反复真空热处理 ,因而使材料的成本过高 ,限制了该合金的应用潜力。为此不断开发出新的加工手段以降低成本 ,改善性能 ,其中粉末烧结与燃烧合成技术发展迅速 ,尤其是制造用于医学的多孔材料。一：粉末(fnm)烧结法为了克服熔炼法工

11、艺复杂,成本高的缺点 ,人们不断开发与完善近净成形(chn xn)粉末冶金工艺。根据所用原料的不同 ,粉末烧结工艺有两种主要形式: TiNi 预合金粉末烧结及Ni、 Ti 纯元素烧结。TiNi预合金粉末烧结预合金粉末烧结工艺包括制合金粉与烧结。TiNi 预合金制粉工艺对烧结合金的最终成分和性能有很大影响。气态原子化是最常见的制取预合金粉末的方法 ,即将精确(jngqu)成分的合金 ,在高纯惰性气体的保护下用电弧熔化形成熔池 ,并用高压惰性气体流搅动 ,雾化成合金粉末。其他几种制造 TiNi 合金粉末的方法有:(1)氢化脱氢机械粉碎 ,即将合金锭材充氢脆化 ,机械粉碎制备粉末 ,随后用真空退火去

12、氢; (2)机械合金化 ,即将纯金属元素粉末按等原子比例混合 ,在特制的容器中球磨 ,使之发生机械合金化以制取合金粉末。在磨制过程中会发生氧化及加工硬化; ( 3) 锌媒剂法5 ,这种方法是先将钛和镍溶于锌液中 ,再蒸馏去锌 ,剩下高纯度的海绵 TiNi 合金 ,通过控制锌的成分和蒸馏工艺可以获得形状不同的 TiNi 合金粉末。理论上讲可以直接从钛铁矿制得 Ti - Zn溶剂 ,那样将极大降低整个粉末制品的成本。二： 燃烧合成( SHS)粉末烧结得到的 TiNi 合金坯氧含量高 ,加工塑性差 ,很少用于加工材的生产。近年来 ,由于燃烧合成技术(SHS)的兴起 ,为制取TiNi 合金开发了一种新

13、方法。用 SHS制造的TiNi 合金坯料已经工业化生产。燃烧合成有两种工艺形成 ,一种是 “蔓燃” (propagation)工艺 ,坯料由一端点燃后 ,通过燃烧波的方式扩展至整个坯料 ,完成合成;另一种是 “热爆” ( thermal explosion) 工艺;整个坯料被加热 ,达到合成引发温度后 ,在整个样品内同时进行合成反应 ,并在瞬间完成。粉末冶金已成为 TiNi 合金重要的加工工艺 ,尤其是用于制造生物医学用的多孔材料。近净成形粉末冶金成分均匀 ,晶粒细小成本低 ,但是 ,材料的纯度低 ,致密度低。燃烧合成技术(SHS) 是特殊的粉末冶金技术兼有烧结与熔烧方法的优点 ,通过选择工艺

14、参数 ,可以方便获得不同致密度的产品。随着 SHS工艺的研究开展 ,有望成为 TiNi 合金生产的主要手段。五：应用最早关于形状记忆效应的报道是由 Chang及 Read等人在 1952年做出的。他们观察到 Au - Cd合金中相变的可逆性。后来在 Cu - Zn合金中也发现了同样的现象 ,但当时并未引起人们的广泛注意。直到 1962年 ,Buehler及其合作者在等原子比的 Ti- Ni合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应 ,才引起了材料科学界与工业界的重视。几十年来 ,形状记忆合金的应用研究也取得了长足进步 ,其应用范围涉及机械、 电子、 化工、 宇航、 能源和医疗等许多领域。 工业(g

15、ngy)应用 利用单程形状记忆效应的单向形状恢复 如管接头、 天线、 套环等。例如: Ti - Ni形状记忆合金管接头可用于密封连接各类液、 气高压或低压管件 ,其使用特点是无需焊接(hnji) ,被连件无需再加工 ,连接装配工序简单 ,可用于异质管件的密封连接 ,性能稳定。亦可推广于各类异质器件的密封连接与紧固。再如前面提到的被阿波罗登月舱带到月球上的半球形天线就是用镍钛形状记忆合金材料制成的 ,转变温度为 40 C。先在正常温度下按预定要求做好半球形天线 ,然后降低温(dwn)度 ,把它压成一团 ,装入登月舱的低温容器中 ,送到月球后取出 ,在太阳光照射下 ,温度升高到约 40 C时 ,天

16、线便记忆起原来的形状 ,自动展开成半球形。应用形状记忆合金制造存储器 ,运算速度将提高百倍 ,现有计算机将会发生巨大变化。常见的只读存储器为微米量级 ,采用形状记忆合金的存储器将为纳米量级 ,不仅信息存储量比现有的大 100倍 ,而且存取速度也将提高 100倍。(2)外因性双向记忆恢复 即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作 ,如热敏元件、机器人、 接线柱等。仅以记忆合金制成的弹簧为例 ,把这种弹簧放在热水中 ,弹簧的长度立即伸长 ,再放到冷水中 ,它会立即恢复原状。利用形状记忆合金弹簧可以控制浴室水管的水温 ,在热水温度过高时通过“记忆 ” 功能 ,调节或关闭供水管道 ,避免烫

17、伤。也可以制作成消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火灾时 ,记忆合金制成的弹簧发生形变 ,启动消防报警装置 ,达到报警的目的。(3)内因性双向记忆恢复 即利用双程记忆效应随温度升降做反复动作 ,如热机、 热敏元件等。但这类应用记忆衰减快 ,可靠性差 ,不常用。(4)超弹性的应用 如弹簧、 接线柱、 眼镜架等。例如用记忆合金制作的眼镜架 ,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。不久的将来汽车的外壳也可以用记忆合金制作。如果不小心碰瘪了 ,只要用电吹风加加温就可恢复原状 ,既省钱又省力 ,实在方便。医学应用 Ti - Ni合金的生物相容性很好 ,利用其形状记忆效应

18、和超弹性的栓过滤器、 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、 避孕器、 心脏修补元件、 人造肾脏用微型泵等。例如 ,Ni - Ti记忆合金矫正丝问世后 ,很快被许多国家的口腔科正畸医生所采用。我国在 1980年研制成功国产 Ni - Ti记忆合金矫正丝。根据近 20年临床应用 ,矫正各类牙齿 20000例优良率达 96 . 57%。Ni - Ti记忆合金矫正丝的优点是: 充分发挥了 Ni - Ti弓丝的高弹性和记忆特性。可缩短疗程 50%70%。复诊时间间隔延长 ,一般 48周复诊一次。力量柔和而持续 ,使牙齿在生理范围内达到矫正的目的。托槽薄 ,对口唇没有异

19、物感 ,所以患者比较舒适。日常生活中的应用 英国的旦特公司用记忆合金制成 自动启闭器,安装在金库的窗户上,平常可以密不透风,一旦发生火灾,高温唤醒记忆,窗户便可自动开启,便于人们抢救 用在自动消防龙头上 ,平时可以关闭水道 ,防止泄露,一旦失火,消防龙头可以自动开启,洒水灭火在眼镜框架的鼻梁和耳部装配 合金可使人感到舒适并抗磨损 ,由于 合金所具有的柔韧性已使它们广泛用于改变眼镜时尚界 用超弹性 合金丝做眼睛框架,即使镜片热膨胀,该形状记忆合金丝也能靠超弹性的恒定力夹牢镜片 这些超弹性合金制造的眼镜框架的变形能力很大 而普通的眼镜框则不行用记忆合金制造管道相接的接口 ,这种接口一般在常温下制作

20、 使它的内径小于管道外围 再在低温下拉大 大于管道外围 ,套在两管相接的接缝上 一旦放回常温环境,常温唤醒了它的记忆,接口随之收缩,紧紧箍住管口,使两管牢牢连成一体 这种接口用于油压系统管道 万余例 ,至今无一发生漏油或破损事故。我国形状记忆合金的应用情况我国自70年代后期开始进行形状记忆合金的研究和应用制作,目前 TiNi 等合金材料的生产已得到国际公认 ,并出口美国、 加拿大等国。近年来器件的微型化已成为一种趋势5 ,这就要求驱动器体积小而功率(gngl)大。NiTi 形状记忆合金薄膜具有优良的性能。一是单位体积中产生的能量密度更大;二是提高加热/冷却循环的周期 ,从而提高器件的响应速率;

21、三是在更低的电压下工作 ,微型驱动器的电压可以与 TTL 逻辑电路的电压兼容 ,四是可以充分利用成熟的半导体技术 ,设计和制造形状记忆合金薄膜器件。许多传统的制备薄膜的工艺过程 ,包括沉积、 成膜以及各种测试技术等 ,均可直接应用于形状记忆薄膜。在微型机械领域的应用，王野平等人对形状记忆合金元件的其动作时间、 响应时间、 输出功率(gngl)等随尺寸的变化情况进行研究。发现形状记忆合金元件的形状恢复力与特征尺寸的二次方成正比;其动作时间、 响应时间与特征尺寸的一次方成正比;其输出功率与特征尺寸的二次方成正比;其功率/体积比与特征尺寸的负一次方成正比。因此形状记忆合金是微机械领域能够采用的一种非

22、常重要的功能材料。损伤或振动的监测与控制方面的应用7 ,杜彦良等人对研制的兼有感知、 驱动和增强功能为一体的新型功能材料 NiTi 合金薄带进行了研究 ,发现该材料随材料变形其电阻率和回复力具有很好的变化规律。如果将其复合于本体材料内 ,利用该材料特性 ,可同时兼有监测、 控制和增强功能。 该材料是非常理想的既有应力2应变传感作用又有控制和增强作用的功能材料。NiTi 合金作为感知和驱动元件 , 除了作为复合于层板复合材料内 ,用于航空、 航天、卫星壳体、 高速机车壳体等关键受力构件的损伤和振动的监测外 ,还可用于建筑工程、 桥梁等土木工程结构中进行损伤的监测和控制。六：前景(qinjng)2

23、0 世纪已成为机电学时代。传感2集成电路2驱动是一个最典型的机械电子控制系统, 但复杂而庞大。人们正设想利用形状记忆材料研制像半导体集成电路那样的集记忆材料2驱动源2控制为一体的机械集成元件。形状记忆合金可望在反应堆、 加速器、太空实验室等高技术领域中大显身手。形状记忆高分子由于发展时间较短, 其应用有不少尚处于应用开拓阶段。如正处于研究阶段的光记录、 特殊印刷、 药物、 分离膜以及光驱动、 化学驱动等高新技术领域; 在物理因素或化学因素促成记忆机制的材料(cilio), 如热致、 光致、 电致型形状记忆高分子以及螯合、 相转变、 pH 变化及平衡离子置换等类型。形状记忆材料发展到今天, 已进入到国民经济和人民生活的各个领域, 工艺研究向低成本、 高效益、 多品种的目标迈进。相信(xingxn)在不远的将来, 我们会同更多的形状记忆材料打交道, 产品的技术水平必将进一步提高, 从而改善我们的生活质量, 造福人类。参考文献（1）耿保友主编(zhbin).新材料科技导论.浙江大学出版社.2007（2）谭毅主编.新材料概论.冶金工业出版社.2004（3）张亨.神奇的形状记忆材料. J .化