薄膜材料第三节智能薄膜材料演示文稿

薄膜材料第三节智能薄膜材料演示文稿当前1页，总共28页。（优选）薄膜材料第三节智能薄膜材料当前2页，总共28页。智能材料定义：----(Intelligentmaterial，Smartmaterial

)是一种能从自身的表层或内部获取关于环境条件及其变化的信息，并进行判断、处理和作出反应，以改变自身的结构与功能，并使之很好地与外界相协调的具有自适应性的材料系统。当前3页，总共28页。智能材料需具备的内涵：

（1）具有感知功能，能够检测并且可以识别外界（或者内部）的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等；

（2）具有驱动功能，能够响应外界变化；

（3）能够按照设定的方式选择和控制响应；

（4）反应比较灵敏、及时和恰当；

（5）当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。当前4页，总共28页。智能材料必须具备感知、控制和驱动三个基本要素。智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构成一个智能材料系统。

当前5页，总共28页。智能材料的基本结构：

智能材料不是一种单一的材料，而是一个由多种材料组元通过有机紧密复合或严格地科学组装而构成的材料系统，是一种智能机构。

传感器执行器控制器智能机构材料自身能够探测到外部环境状态的变化能够自动地执行改变材料状态的指令能够对探测到的外部环境的变化作出判断，并给出相应的改变材料状态的指令当前6页，总共28页。智能材料的构成是由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。(当前7页，总共28页。1)基体材料：担负着承载的作用，一般选用轻质材料。首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀。其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。)敏感材料：担负着传感的任务，其主要作用是感知环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、PH值等）。常用敏感材料：形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体、磁流变体和液晶材料等。(3)驱动材料

在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负着响应和控制的任务。常用有效驱动材料：形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。(4)其它功能材料（信息处理器）

包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。当前8页，总共28页。如：将光导纤维、形状记忆合金和镓砷化合物半导体控制电路埋入复合材料中。光导纤维传感元件(检测结构中的应变和温度)形状记忆合金执行元件

(使结构动作改变性状)半导体控制电路控制系统(根据传感元件的信息驱动元件动作)当前9页，总共28页。智能结构的动作流程图识别分析判断行动驱动元件自适应地改变结构形状、刚度、位置、应力状态、固有频率等当前10页，总共28页。智能材料分类智能金属及合金材料智能金属陶瓷材料智能高分子材料智能生物材料等智能合金材料：形状记忆合金薄膜当前11页，总共28页。二、形状记忆合金薄膜材料形状记忆材料——具有形状记忆效应的材料。形状记忆效应(ShapeMemoryEffect,简称SME)：

——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，再对材料施加适当的外界条件，材料的变形随之消失而回复到变形前形状的现象。（一）形状记忆合金材料基本概念当前12页，总共28页。Ti-Ni形状记忆合金制造的人造卫星天线当前13页，总共28页。形状记忆合金：具有形状记忆效应的金属，通常是由2种以上的金属元素构成的合金，故称为形状记忆合金(ShapeMemoryAlloys，简称SMA)。

形状记忆合金的发现：

20世纪60年代初，美国马里兰州海军军械研究所的科学家比勒，用镍钛合金丝做试验。这些合金丝弯弯曲曲，为了使用方便，他把这些合金丝弄直了。但是，当他无意中把合金丝靠近火的时候，奇迹发生了：已经弄直的合金丝居然完全恢复了它们原来弯弯曲曲的形状。当前14页，总共28页。形状记忆效应可分为3种类型：①单程形状记忆效应②双程形状记忆效应③全程形状记忆效应

当前15页，总共28页。形状记忆效应机制示意图原子排列面的切应变结构相同，位相不同的马氏体变体界面移动，相互吞食变形前后M结构未变当前16页，总共28页。形状记忆合金晶体结构变化模型当前17页，总共28页。Ti-Ni基形状记忆合金Cu基形状记忆合金

Fe基形状记忆合金

（三）主要几类形状记忆合金薄膜Ti-Ni基形状记忆合金：

优点：记忆效应优良、性能稳定、生物相容性好缺点：制造过程较复杂，价格高昂

当前18页，总共28页。CsCl结构的体心立方晶体高温相（母相TiNi）Ｂ２结构单斜晶体马氏体冷却１R相（棱面体点阵）适当的热处理或成分条件R相变２TiNi的两种不同的相变过程在Ti-Ni二元合金系中有TiNi、Ti2Ni和Ti3Ni三种金属间化合物。形状记忆合金的主要成分当前19页，总共28页。单斜晶体马氏体冷却棱面体点阵R相一定的热处理或成分条件CsCl体心立方结构母相当前20页，总共28页。（四）Ti-Ni基形状记忆合金薄膜的制备溅射沉积、真空蒸发沉积、激光熔融等已用于制备厚度大于10μm的NiTi形状记忆合金薄膜。其中溅射方法是获得完整形状记忆效应的主要方法。影响薄膜质量的主要溅射参数是射频功率、Ar气分压、基片-靶距离、基片温度和靶的合金组分。当前21页，总共28页。★在低Ar气分压下制得的NiTi膜较为平整，无任何结构特征面；★在高Ar气分压下所得到的膜呈柱状结构。柱状结构表明膜是多孔的。这一结构可能是由于沉积原子在生长膜表面的迁移受到限制所致。

★在较高Ar气分压下，由于Ar离子间的碰撞而使被溅射出来的原子能量降低，导致其表面扩散能力的降低，而且在高Ar气分压下，吸附在膜表面的Ar离子会干扰Ti和Ni原子的表面扩散。当前22页，总共28页。有两种方法使溅射沉积的NiTi膜具有记忆形状：①在室温溅射沉积NiTi膜，然后在733K左右的温度下使其结晶化；②在基片温度高于623K的温度下溅射沉积NiTi膜。当前23页，总共28页。（五）形状记忆合金及薄膜的应用当前24页，总共28页。1.微动器：获得快速驱动利用Si基微机械加工技术和溅射沉积NiTi膜，人们已制造出原形微动器，它们包括弹簧、双梁悬臂、阀、镜面驱动器、隔膜、微夹具等等。当前25页，总共28页。2.在航空上的应用：制造人造卫星天线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。当前26页，总共28页。3.工程应用:紧固件、连接件、