形状记忆材料与智能材料课件

2023/12/141

形状记忆材料与智能材料2023/12/142形状记忆材料和智能材料Ti-Ni形状记忆合金制造的人造卫星天线2023/12/143形状记忆效应(ShapeMemoryEffect,简称SME)形状记忆效应——将材料在一定条件下进行一定限度以内的变形后，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的形状的现象。具有形状记忆效应的材料——形状记忆材料形状记忆材料2023/12/144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)。

20世纪80年代先后在高分子聚合物、陶瓷材料、超导材料中发现形状记忆效应。形状记忆材料2023/12/145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

形状记忆材料2023/12/146单程形状记忆效应——材料在高温下制成某种形状，在低温相时将其任意变形，再加热时恢复为高温相形状，而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状。

形状记忆材料图1单程形状记忆效应2023/12/147双程形状记忆效应——加热时恢复高温相形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降自发可逆地反复恢复上下温相形状的现象，或称为可逆形状记忆效应。形状记忆材料图2双程形状记忆效应2023/12/148全程形状记忆效应——当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的现象。只能在

富镍的Ti-Ni合金中出现。

形状记忆材料图3全程形状记忆效应2023/12/149Ti-Ni基形状记忆合金Cu基形状记忆合金

Fe基形状记忆合金

形状记忆合金的应用

形状记忆材料4.1.2主要几类形状记忆合金2023/12/14101、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

Ti-Ni合金通过在1000℃左右固溶后，在400℃进行时效处理，再淬火得到马氏体。形状记忆材料2023/12/14112、Cu基形状记忆合金主要由Cu-Zn和Cu-A1两个二元系开展而来。通过第三元素可以有效地提高形状记忆合金的相变温度，开展了一系列的Cu-Zn-X(X=Al,Ge,Si,Sn锡,Be铍,Ni)三元合金。Cu-Zn-A1基形状记忆合金Cu-A1-Ni基形状记忆合金形状记忆材料2023/12/1412性能特点优点：制造加工容易，价格廉价，具有良好的记忆性能，相变点可在一定温度范围内调节，不同成分的Cu-Zn-A1合金相变温度不同。缺点：强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有生物相容性。形状记忆材料2023/12/14133、Fe基形状记忆合金

分为两类：

〔1〕热弹性马氏体相变Fe-Pt,Fe-Pd钯,Fe-Ni-Co-Ti合金等；〔2〕应力诱发马氏体相变〔非热弹性马氏体〕，Fe-Mn-Si,Fe-Cr-Ni-Mn-Si-Co合金等。

形状记忆材料2023/12/1414性能特点：价格较Ti-Ni系和Cu基系合金廉价，原料易得，可以采用现有的钢铁工艺进行冶炼和加工，强度高，刚性好，适用作结构材料，也可作特种用途材料，在应用方面具有明显的竞争优势。形状记忆特性比Ti-Ni合金差。形状记忆材料2023/12/14154、形状记忆合金的应用形状记忆材料2023/12/1416①高技术中的应用：制造人造卫星天线

图12Ti-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方案：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。形状记忆材料2023/12/1417②工程应用:紧固件、连接件、密封垫、管件接头等图13形状记忆合金用作铆钉的工作原理图形状记忆材料2023/12/1418③医疗领域应用:牙齿矫形丝、血栓过滤器、动脉瘤

夹、接骨板等〔Ti-Ni合金〕图14支撑性与柔韧性完美协调的Ti-Ni记忆合金食道支架形状记忆材料2023/12/1419图15记忆金属Ti-Ni合金支架治疗食管狭窄支架形状的回复力对组织产生持续而柔和的扩张作用，支架植入后患者的进食困难病症明显减轻，由于生物相容性好，可较长期放置体内。主要适应症包括：中晚期食道癌、食道癌术后复发和食道癌放疗后引起的吞咽困难等。治疗后10分钟内可解除吞咽困难，增加进食量，明显改善生活质量。形状记忆材料2023/12/1420形状记忆材料图16Ti-Ni合金制作的多种支架(a)尿道支架(b)食道支架(c)胆道支架(d)气管支架2023/12/1421④智能应用

形状记忆合金是一种集感知和驱动双重功能为一体的新型材料，可广泛应用于各种自动调节和控制装置，如各种智能、仿生机械。形状记忆材料2023/12/14224.1.3形状记忆陶瓷〔ZrO2陶瓷〕1、氧化锆陶瓷的根本结构与相变随温度的变化纯ZrO2有三种晶型，按温度由高到低，其结构分别为立方晶系、四方晶系(t相)、单斜晶系(m相)形状记忆材料2023/12/1423相变过程：

1170℃

2370℃

2715℃单斜ZrO2

↔

四方ZrO2

↔

立方ZrO2

↔

液体ZrO2(m相)(t相)可逆马氏体相变有约5％的体积变化注意体积效应太大晶型稳定化处理在ZrO2中加入CaO、MgO、Y2O3、CeO2(氧化铈)等稳定剂，可以使立方相和四方相保持到低温。形状记忆材料2023/12/1424三种结构的ZrO2陶瓷(添加剂数量与种类的不同)：

①完全稳定化的ZrO2陶瓷：立方相在冷却过程不发生相变，稳定保存到低温。 ②局部稳定化的ZrO2陶瓷：由立方相和四方相组成的混合结构，立方相不发生相变，稳定保存到低温。四方(t)相在冷却时或应力作用下可转变为单斜(m)相。③四方ZrO2多晶体：在室温下全部为四方(t)相，四方(t)相在冷却时或应力作用下可转变为单斜(m)相。

陶瓷相变增韧：利用了②③中发生的应力诱发马氏体相变2023/12/1425陶瓷的形状记忆效应与合金相比存在的主要差异：〔1〕形状记忆变形的量较小；〔2〕每次记忆循环中都有较大的不可恢复变形，随循环次数的增加，累积变形增加，最终导致裂纹出现；〔3〕没有双程记忆效应形状记忆材料2023/12/1426智能材料的概念智能材料的根本结构智能变色材料智能材料的应用智能材料2023/12/14274.2.1智能材料的概念材料的开展和应用历史：智能材料图17材料科学的发展演化过程2023/12/1428智能材料(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、处理和作出反响，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。智能材料智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的第四代功能材料。2023/12/1429智能材料需具备以下内涵：

〔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〕反响比较灵敏、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。2023/12/1430智能材料必须具备感知、控制和驱动三个根本要素。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。

智能材料2023/12/1431智能材料大体来说，智能材料就是指具有感知环境〔包括内环境和外环境〕刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。2023/12/14324.2.2智能材料的根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2023/12/1433智能材料的构成

智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四局部构成。(1)基体材料

基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质材料。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。2023/12/1434(2)敏感材料

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。2023/12/1435(3)驱动材料

因为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

包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。2023/12/1436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)智能材料2023/12/1437智能材料的设想来源于仿生学，它的目标就是想研制出一种材料，使它成为具有类似于生物的各种功能的“活〞的材料。因此智能材料必须具备感知、驱动和控制这三个根本要素。2023/12/1438图14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、固有频率等智能材料2023/12/14394.2.3智能变色材料由于光、电、热等外界条件的作用，使料内部结构发生变化从而改变材料对光波吸收的特性，使材料呈现出不同的颜色。光色玻璃电致变色薄膜智能材料2023/12/14401、光色玻璃(变色玻璃)

能够随照射光强的变化而改变颜色。原因：含有在光照下能发生可逆变化的亚稳态色心：在光波的照射下，色心的光吸收特性发生改变，从而使光色玻璃表现出随光照而改变颜色的特性。同相型光色玻璃异相型光色玻璃智能材料2023/12/1441同相型光色玻璃——亚稳态色心与玻璃基质具有相同的相。如：光学玻璃的组分中参加氧化铈〔选择吸收〕色心：能变价的铈离子紫蓝光波4f5d铈离子内电子跃迁铈离子恢复电子状态4f5d光减弱玻璃逐渐由高透明态转向深黄褐色玻璃逐渐恢复高透明态2023/12/1442光色玻璃的应用：图18变色太阳镜汽车、飞机、船舶的前向玻璃或观察窗玻璃，起防眩作用等。智能材料2023/12/14432、电致变色薄膜电致变色现象(Electrochromism)——材料在电场作用下所引起的颜色变化，这种变化是可逆的、连续可调的(透过率、吸收率、反射率三者比例关系可调〕。应用：智能窗(调节玻璃透光特性)机理：一些氧化物薄膜在电场的作用下能够发生电子的交换，导致颜色的改变。

智能材料2023/12/1444图19智能窗结构示意图着色和退色的电化学反应如下：

Ni1-xO(初始态)+yM++ye-→MyNi1-xO(着色态)MyNil-xO(着色态)→My-2N1-xO(退色态)+2M++2e-氧化还原的电化学反应玻璃基片透明电极(氧化铟锡膜)离子注入膜快离子导体隔膜电致变色膜(α-WO3、NiO薄膜)

蓝色、灰色2023/12/1445图20法拉利首款自动硬顶敞篷车玻璃车顶采用了利用电场变化来改变颜色的电致变色技术，可对透过率进行5级调整。智能窗的应用：智能材料2023/12/1446图21汽车防眩目后视镜汽车夜间行驶时根据后面行驶车辆前大灯射出的光线照射到后视镜上产生的眩目光程度，自动控制后视镜的透光度，以减少后视镜镜面的反射光强度，使驾驶员既能舒服的通过后视镜了解后面行驶车辆及行人的情况，又能平安驾驶汽车。汽车防眩目后视镜是当前玻璃制造业前沿产品-电致变色玻璃在汽车上的应用。智能材料2023/12/14474.2.4智能材料的应用在军事领域中的应用智能材料与住宅智能化与现代医学相联系的智能材料主动控振结构智能材料2023/12/1448〔1〕智能蒙皮光纤作为智能传感元件用于飞机机翼的智能蒙皮中，或者在武器平台的蒙皮中植入传感元件、驱动元件和微处理控制系统制成的智能蒙皮，可用于预警、隐身和通信。2023/12/1449〔2〕结构监测和寿命预测智能结构可用于实时测量结构内部的应变、温度、裂纹，探测疲劳和受损伤情况，从而能够对结构进行监测和寿命预测例如，采用光纤传感器阵列和聚偏氟乙烯传感器的智能结构可对机翼、机架以及可重复使用航天运载器进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿命预测；空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构，可实时探测由于交会对接碰撞、陨石撞击或其他原因引起的损伤，对损伤进行评估，实施自诊断。

2023/12/1450〔3〕环境自适应结构智能结构制成的自适应机翼，能够实时感知外界环境的变化，并可以驱动机翼弯曲、扭转，从而改变翼型和攻角，以获得最正确气动特性，降低机翼阻力系数，延长机翼的疲劳寿命。在机翼结构中使用磁致伸缩致动器，可使机翼阻力降低85%。2023/12/1451〔3〕在药物自动投入系统上的应用

科学家正在研制一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张收缩的聚合物，这种聚合物可制成人造胰细胞，将它注入糖尿病患者的血液中，小球就可模拟胰细胞工作，使病人的血糖浓度始终保持在平常的水平上。2023/12/1452图22形状记忆合金的主动控振系统

主动控振结构主动控振的智能材料系统模型智能材料图23固定有Ni-Ti记忆合金丝的悬臂梁振幅衰减图

未通电通电2023/12/14532、智能材料与住宅智能化未来的住宅可能是这样的：墙壁可以随心所欲的变换颜色；椅子可以随人体不同的需要改变温度和形状；一切的电器都是触摸式的，永远不会再有触电的危险；可视带有传感功能；……。2023/12/1454随着智能材料的开展，尤其是毫微塑料设想的提出，有可能设计出智能化住宅。虽然目前还处于设想阶段，但是已经开始着手进行研究，并且必然将在不久的将来成为现实。几种未来的智能产品如下：2023/12/1455〔1〕多功能砖具有变通性和智能性。主要由四个分层构成：第一层是功能层，能感受来自周围的声能、热能、光能，并能控制这些能量的输出；第二层是通讯层，能为居住者提供内外通信联系的通道；第三层是输送通道，可以用来输送水和其它材料；第四层面膜是砖材的最上层，也具有多功能性。如壁膜可以使墙壁产生不同的色彩和图案；传感膜可以接收声波、热能和可见光并予以减弱或增强；地膜可产生耐久的色彩和图案；界面膜可连接内外通信线路。2023/12/1456〔2〕座椅用毫微塑料制作的坐椅不仅功能将大大增加，而且也将增加舒适程度。使用毫微塑料能改变椅座面的柔韧性和弹性，也可以形成各种型式的椅座面。毫微塑料可以形成所需的任何图案或结构，还能改变座椅本身的结构。由于不同年龄段的人对温度舒适性的要求有很大区别，座椅还可以随心所欲地升温和降温，甚至对人们喜爱的舒适温度具有记忆功能。

2023/12/1457〔3〕食物器皿在毫微塑料的桌面上旋转的碗不仅能测知食物的存在，而且可以根据用户的需要自行形成各种形状的碟子，供准备、烹调和上菜时使用。并且这种盛食物的碗还具有保温和在不使用冰箱的情况下保鲜的功能。2023/12/1458〔4〕卫生间在卫生间里，常见设施是洗脸盆、抽水马桶和淋浴器。采用了智能结构的卫生间是这样的：2023/12/1459在洗漱时，人们只要接触洗脸盆支架外表的任何区域，就能调节控制水温、水速和水流的状态〔集中喷射的水流或宽阔的水帘状等〕供人们选择。洗脸盆上方的镜子能照出人的正常反转象，还能照出真实的非反转象。2023/12/1460

抽水马桶的形状和大小可随使用者的不同而自动变化；

坐垫自动加热至舒适的温度，整个结构十分轻便。2023/12/1461在电脑住宅的厕所里，安装了一台检查身体的电脑系统，每当有人上厕所时，与马桶相连的体检装置即自动分析大小便的情况，如发现异常，电脑会立即发出警报，以便及时到医院去看病。2023/12/1462

淋浴设备只要和多功能砖相连接，上下水、水温和水流都能得到自动控制和调节。

综上所述，未来的智能化住宅必将显著提高人们的生活质量。2023/12/14633、与现代医学相联系的智能材料〔1〕人造肌肉

〔2〕人造皮肤〔3〕在药物自动投入系统上的应用〔4〕智能材料的两种抗癌应用2023/12/1464〔1〕人造肌肉

生物弹性材料能模拟活体生物，而且其力量和反响速度均接近于人体的肌肉。生物弹性材料可以应用于人体组织的修复，具有与生物体的相容性，随着伤口的愈合，这种聚合物就会在体内逐渐降解，最后将会消失。2023/12/1465〔2〕人造皮肤

意大利比萨大学的科研人员为了使机器人与真人更接近，让它的皮肤具有感觉功能，研制成功一种人造皮肤智能材料。

材料可以感知温度、热流的变化以及各种应力的大小，并且有良好的空间分辨力。这种智能材料还可以分辨外表状况，例如，粗糙度、摩擦力等。2023/12/1466(3)在药物自动投入系统上的应用科学家正在研制一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张收缩的聚合物，这种聚合物可制成人造胰细胞，将它注入糖尿病患者的血液中，小球就可模拟胰细胞工作，使病