形状记忆材料

形状记忆材料摘要：自从20世纪发现了形状记忆效应后，形状记忆材料就逐渐被科学界所认识和研究。无生命物体所拥有的记忆也已不再充满神秘感。在21世纪的今天，形状记忆材料已应用到科学研究及我们的生活当中，范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域，带给我们极大的方便。关键词：形状记忆材料的由来形状记忆材料的机理与实质形状记忆合金形状记忆材料的应用与开发前景最早关于形状记忆效应的报道是由Chang及Read等人在1952年作出的。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。直到1962年，Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应。到70年代初，CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应。形状记忆材料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以恢复成初始形状的材料。具有一定形状的固体材料，在某一低温状态下经过塑性变形后，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的现象，称为形状记忆效应。形状记忆效应分为单程形状记忆效应，双程形状记忆效应和全程形状记忆效应。形状记忆效应的实质是：合金内部热弹性马氏体形成、转变和消失的相变过程的宏观变形。大部分合金和陶瓷记忆材料是通过马氏体相变而呈现形状记忆效应。马氏体相变具有可逆性，将马氏体向高温相(奥氏体)的转变称为逆转变。形状记忆效应是热弹性体马氏体相变产生的低温相在加热时向高温相进行可逆转变的结果。形状记忆材料常见的大致可以分为三类：形状记忆合金、形状记忆陶瓷和形状记忆聚合物。其中，形状记忆合金的应用最为广泛。迄今为止，人们发现具有形状记忆的合金有50多种。按照合金组成和相变特征，具有较完全形状记忆效应的合金可分为3大系列：钛-镍系形状记忆合金，铜基系形状记忆合金和铁系形状记忆合金。研究表明，合金呈现形状记忆效应必须具备如下条件：马氏体相交是热弹性的；母相与马氏体相呈现有序点阵结构；马氏体内部是李晶变形的；相变时在晶体学上具有完全可逆性。形状记忆材料作为新型功能材料在航天航空、自动控制系统、医学、能源等领域具有重要的作用。特别是形状记忆合金已广泛运用于人造卫星天线、机器人和自动控制系统、仪器仪表、医疗设备和能量转换材料。在高技术中的应用：形状记忆合金应用最典型的例子是制造人造卫星天线。由Ti—Ni合金板制成的天线能卷入卫星体内，当卫星进入轨道后，利用太阳能或其他热源加热就能在太空中展开。美国宇航局(NASA)曾利用Ti—Ni合金加工制成半球状的月面天线，并加以形状记忆热处理，然后压成一团，用阿波罗运载火箭送上月球表面，小团天线受太阳照射加热引起形状记忆而恢复原状，即构成正常运行的半球状天线。在智能方面的应用：形状记忆合金作为一种兼有感知和驱动功能为新型材料，若复合在工作机构中并配上微处理器，便成为智能材料结构，可广泛用于各种自动调节和控制装置。如农艺温室窗户的自动开闭装置，自动电子干燥箱，自动启闭的电源开关，火灾自动报警器，消防自动喷水龙头。尤其是形状记忆合金薄膜可能成为未来机械手和机器人的理想材料，它们除了温度外不受任何外界环境条件的影响．可望在太空实验室、核反应堆、加速器等尖端科学技术中发挥重要作用。在能量转换材料的应用：形状记忆台金可作为能量转换材料一热发动机。它是利用状记忆合金在高温和低温时发生相变，伴随形状的改变，产生极大的应力，从而实现热能=机械能的相互转换。在医学上的应用：作为医用生物材料使用的形状记忆合金主要是Ti—Ni合金。Ti—Ni合金强度高，耐腐蚀，抗疲劳，无毒副作用，生物相容性好，可以埋入人体作生物硬组织的修复材料。例如，Ti—Ni合金丝插入血管，由于体温使其恢复到母相的网状，作为消除凝固血栓用的过滤器。用Ti—Ni合金制成的肌纤维与弹性体薄膜心室相配合，可模仿心室收缩运动、制造人工心脏。用Ti--Ni合合制成的人造肾脏微型泵、人造关节、骨骼、牙床、脊椎矫形棒、骨折固定连接用的加压骑缝钉、颅骨修补盖板、以及假肢的连接等，疗效较好。近年来，又在高分子聚合物、陶瓷材料、超导材料中发现形状记忆效应，而且在性能上各具特色。如形状记忆聚合物可以应用于在医疗、包装材料、建筑、运动用品、玩具及传感元件等方面。不可否认，记忆材料的未来是不可限量的。不仿来大胆想像一下，在遥远的未来，我们可以将记忆材料运用于吃穿住行的各个方面。衣物可以像压缩饼干似的压缩，随身携带几件不成问题，解决了不同场合的不同需要。在交通工具上，由形状记忆材料制成自行车、汽车等交通工具，可以使它们在某个温度下记忆不同的大小外型，如此一来，现在的停车难问题便可以解决了。运用形状记忆材料制成的住房可以方便的移动……设想是美好的，超现实的，但并不是完全不可能的。目前，对于形状记忆材料的开发与研究已日趋完善。但并未大规模地深入普通人的生活当中，它还有很多可利用开发的空间，未来的形状记忆材料必