形状记忆原理及应用-PPT课件

2020/9/23
钢铁中的马氏体是一种无扩散相变的 产物，由于碳在α-Ｆｅ中的扩散速度大， 加热时马氏体首先发生分解，因而钢中马 氏体的相变一般是不可逆的，即马氏体加 热时不会逆向再变成奥氏体。但是，钢铁 以外的多数合金，马氏体相变是可逆的， 即冷却时由母相转变成为马氏体，而加热 时，马氏体又逆向转变为母相。
第三章 形状记忆合金
2020/9/23
一般的金属材料形变超过其弹性极限时，将 产生永久变形，这种变形称为塑性变形，在固态 下加热这种变形不能完全恢复，但有一些特殊功 能材料，会记忆高温相状态下的形状，即当该材 料在低温下变形后，在加热到较高温度，逆转变 为高温相时，变形可以完全消失，并恢复到变形 前高温相状态下的形态。
2020/9/23
智能材料
形状记忆合金因具有记忆形状的特性而 成为一种智能材料。它们都是在某一温度 下造成变形后，经适当的热处理就会恢复 到原始状态，好象对以前的材料形状保持 记忆。通常，SMA低温时因外加应力产生塑 性变形，温度升高后，克服塑性变形回复 到所记忆的形状。
2020/9/23
研究表明，很多合金材料都具有SME， 但只有在形状变化过程中产生较大的回复应 变和较大形状回复力的，才具有利用价值。 SMA基本上分为三类:Ti－Ni系；Cu系；Fe系。 Ti－Ni合金反复使用的稳定性、耐蚀性、耐磨 性，对生物体的适应性，以及超弹性和制备 加工性能都比Cu基、Fe基合金优越，但成本 较高。Cu基、Fe基合金价格便宜，在反复使 用频率不太高，条件不太苛刻的情况下，应 用前景非常广泛。
对形状记忆合金的开发离不开机制的研究。大量的事实表明， 形状记忆合金与马氏体相变存在着不可分割的关系，且绝大部分 材料具有记忆原始形状的特性应归功于发生热弹性相变。所谓热 弹性马氏体相变是指在相变中化学驱动力仅克服弹性应变能，往 往以相界面的正迁动形式实现正逆相变。因此,Wayman提出了 三准则，即热弹性马氏体相变、母相有序及马氏体的孪晶亚结构 或层错。然而，近年来开发的铁系(如FeMnSi系合金)等少数合 金通过在无序母相中发生非弹性马氏体相变可显示出形状记忆合 金对Wayman三准则的挑战。徐祖耀将其称为半热弹性马氏体相 变。随着对形状记忆合金制机制的逐步深入研究，学术界对相变 过程的晶体学可逆性、马氏体变体组合及其协调动作所形成的自 协作方式等的认识取得了基本统一。已经表明，相变过程的晶体 学可逆性不仅指通过逆相变达到晶格回复，而且转变过程中产生 的各种缺陷随之消失。相变在晶体学上的可逆性是产生形状记忆 的必要条件。马氏体变体的自协作是减少相变应变能的普遍现象。 变体协调的越好，越有利于形状记忆合金。

智能控制型机器人试制品，形状记忆合金可应用于其中。
靠形状记忆合金动作的微型机器人结构图
电子仪器仪表
❖ 用形状记忆合金制造的温度保险器不同于熔断保险 丝，可产生很强的力拉断接点，消弧效应明显，适 合于作大功率、高电压用保险器。
形状记忆合金温度保险器
✓ 温度升高到Af温度以上时，完全恢复到原来的形状，天 线向宇宙空间撑开。
❖ 美国宇航局根据达一想法研制了安放在月球表面上 的抛物面天线组件。
❖ 形状记忆合金管接头具有高度的可靠性，不需熔焊 的高温高热，不会损害周围材料，在低温下易拆卸， 便于检修检查。
❖ 这种管接头在F-14战斗机上使用了10万个以上，从 未出现过漏油等事故。
形状记忆效应 （按形状恢复形式）
单程记忆
双程记忆
全程记忆
单程记忆
❖ 低温下塑性变形 ❖ 加热时恢复高温时形状 ❖ 再冷却时不恢复低温形状
双程记忆
冷却时恢复 低温形状
加热时恢复 高温形状
全程记忆
加热时恢复 高温形状
冷却时恢复 低温形状
更低温度 与高温形状 完全相反
能源 开发
交通 运输
电子仪器 仪表
应用 领域
医疗 器件
航空 航天
机械 工业
航空航天
NiTI形状记忆合金折叠发射自动张开的宇航天线原理图
❖ 宇航天线可由NiTi合金丝制成。
✓ 将TiNi合金天线冷至低温，使其转变为马氏体； ✓ 将TiNi合金板或棒变形加工成竹笋状或旋涡状发条，收
缩后安装在卫星内；
✓ 卫星进入轨道后，团状天线弹出，在太阳照射下，温度 升高到As以上，团状天线自动张开，恢复到原来形状；
❖ 可以用形状记忆合金制造人工心脏用人造肌肉，用 以充当人造心脏的驱动源。

用作连接件，是形状记忆合金用量最大的一项用途。 下图是形状记忆效应应用最简单的例子—外部无法接 触部位的铆接。形状记忆合金可大量用于制作管接头， 连接方法是预先将管接头内径做成比待接管外径小 4%，在Ms以下马氏体非常软，可将接头扩张插入管 子，在高于As的使用温度下，接头内径将复原。
(a)成型(T>Af) (b)弯曲应变(T<M f) (c)插入(T<M f) (d)加热(T>Af工作温度)
双向记忆效应
具有双向记忆的合金，在一定温度区间，随温 度升降，材料将反复变形。
3、相结构
母相和马氏体均属有序点阵结构，这是左右马氏体相
变可逆性的重要因素。形状记忆合金母相的晶体结构
比较简单，如果不考虑原子差别，都是体心立方。
马氏体的晶体结构复
杂一些，大多为长周
期堆垛。同一母相转
变得到的马氏体可以
合金 Ag-Cd Au-Cd Cu-Al-Ni
Cu-Sn Cu-Zn Cu-Zn-X
(X = Si,Sn,Al) In-Ti Ni-Al Fe-Pt Mn-Cu Fe-Mn-Si
原子百分比 44/49 at.% Cd 46.5/50 at.% Cd 14/14.5 wt.% Al 3/4.5 wt.% Ni approx. 15 at.% Sn 38.5/41.5 wt.% Zn a few wt.% of X
母相与马氏体相界面可逆向光滑移动，这种转变是可
逆的，逆转变
完成后，不留 下任何痕迹，
(A) (B)
得到方位上和 以前完全相同
的母相。
A、B类马氏体相变的热滞后
相变时热滞后小，反映了相变驱动力（母相与马氏体 相的自由能差）小，界面的共格性好，使界面容易移 动。这种热滞后小、冷却时界面容易移动的马氏体相 变称为热弹性马氏体相变。冷却时驱动力增大，马氏 体长大，同时马氏体周围母相中产生的弹性能增加， 冷却停止，马氏体长大也停止，即热驱动力与弹性能 平衡，称之为热弹性平衡.热弹性马氏体与钢中的淬 火马氏体不一样，通常它比母相还软。

轧制法
总结词
高效、可大规模生产、易于控制尺寸和形状
详细描述
轧制法是一种高效的形状记忆合金加工方法，通过将记忆合金原料进行高温轧制，获得具有特定形状 的记忆合金。该方法可以大规模生产，并且易于控制记忆合金的尺寸和形状。通过调整轧制工艺参数 ，可以获得不同形状记忆性能的合金。
激光熔覆法
总结词
高精度、可原位修复、适用于复杂形状
针对复杂环境下的性能稳定性问题， 开展系统性的研究，提升形状记忆合 金的适应性和可靠性。
探索形状记忆合金在其他新兴领域的 应用，如智能机器人、物联网等。
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恢复其原始形状。
形状记忆合金主要由两种或两种 以上的金属元素组成，其中至少 有一种金属元素可以在特定条件
下发生相变。
形状记忆合金在制造、电子、医 学、航空等领域具有广泛的应用
前景。
形状记忆合金的特性
01
02
03
04
形状记忆效应
形状记忆合金在低温下被变形 ，然后在高温下恢复其原始形
状的现象。
马氏体相变
3
良好的塑性和韧性
铜基形状记忆合金具有良好的塑性和韧性，可以 进行加工和变形。
铁Hale Waihona Puke 形状记忆合金铁基形状记忆合金的种类
01
铁基形状记忆合金包括铁铂系、铁镍系和铁钛系等。
高强度和硬度
02
铁基形状记忆合金具有高强度和硬度，可以用于制造耐磨和抗
冲击的零件。
相变温度可调
03
通过添加不同的元素，可以调节铁基形状记忆合金的相变温度
总结词
医疗领域是形状记忆合金得到广泛应用的一个领域，它们被用于制造医疗器械 、生物材料和药物载体等。

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母相与马氏体相变的晶体学可逆性与有序点阵具有密切的关系 ，晶体学可逆性通过有序点阵的形成自动得到保障，在母相→马氏 体→母相的转变循环中，母相完全可以恢复原状。这就是单程记忆 效应的原因。上图中：a.将母相冷却到点以下进行马氏体相变，母 相的一个晶粒内会生成许多惯习面位向不同，但在晶体学上是等价 的马氏体，把这些惯习面位向不同的马氏体叫做马氏体变体 (Variant),马氏体变体一般有24种，由于相邻变体可协调地生成， 微观上相变应变相互抵消，无宏观变形；b.马氏体受外力作用时（ 加载），变体界面移动，相互吞食，形成马氏体单晶，出现宏观变 形；
The designed Satellite operating altitude 600-700km, Low Earth 30
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Locking mechanisms of the Petals
形状记忆材料主要包括形状记忆合金、形状记忆陶瓷和形状记忆 聚合物，其记忆机制各不相同。本章将对与热弹性马氏体相变有关的 形状记忆效应做基础性介绍。
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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， 金属就发生塑性变形，应力消除后就留下永久变形。但是有些金属材料 ，在发生了较大变形后（远超过弹性变形极限），经加热到某一温度之 上，能够回复到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应（Shape Memory Effect）[1]。如图7.1所示。具有形状记忆效应的金属通常是两 种以上金属元素组成的合金，这种金属合金叫做形状记忆合金（Shape Memory Alloy）。形状记忆效果一般以形状回复率来表示。设试样在
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SMA管接头应用原理
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记忆管接头的优越性：

形状回复率η ：
η (%)=(l1-l2)/( l1-l0)×100％
母相态的原始形状（若以长度表示）为l0，马氏体态 时经形变（若为拉伸）为l1，经高温逆相变后为l2
11.1.2
马氏体相变
淬火：将材料快速冷却至一定介质使其发生相
变的过程。
马氏体：是高温奥氏体快速冷却形成的体心立
方或体心四角(正方)相。
图11-8 Ni-Ti-Nb宽滞记忆合金管接头与传统连接的比较
最初管接头所采用的合金为Ni-Ti和Ni-Ti-Fe合金，安装前必须保存在液氮中， 实际应用很不方便。
图11-9 记忆合金同轴电缆紧固圈
图11-10 形状记忆合金紧固铆钉
尾部开口状，紧固前，把铆钉在干冰中冷却后把尾部拉直，插入被紧固 件的孔中，温度上升产生形状恢复，铆钉尾部叉开实现紧固。
图11-20 应用形状记忆叠层装置的机械夹持器 20层，200V，4ms的脉冲使4mm的陶瓷位移4um，尖 端位移30um
11.4
形状记忆聚合物
• 聚合物形状记忆机理 • 几种主要的形状记忆聚合物 • 形状记忆高聚物的应用
形状记忆高聚物(shape memory polymers，简写SMP)：
（2）飞行器用天线
图11-11 人造卫星天线的示意图
图11-12 形状记忆合金月面天线的自动展开示意图
美国字航局(NASA) 利用Ti-Ni合金加工制成半球状的月面天线，先加以 形状记忆热处理，压成一团，阿波罗运载火箭送上月球表面，小团天线 受太阳照射加热恢复原状，即构成正常运行的半球状天线，
（3）驱动元件
利用记忆合金在加热时形状恢复的同时其恢复力
可对外作功的特性，制成各种驱动元件。
结构简单，灵敏度高，可靠性好。

参考文献
1.陈少军,粱宝峡,刘朋生,形状记忆聚氨酯 聚氨酯工 业（2004. Vo1. 19 No. 3） 2.严冰, 邓剑如. 形状记忆聚氨酯的研究现状 塑料科技 No3(Sum. 155) June 2003 3.形状记忆聚氨酯的性能及应用 中国纺织报 200310-21 4.朱光明. 形状记忆聚合物的发展及应用[J ] . 工程塑 料应用,2002 ,30 (8) :61 - 63. 5.曾跃民,胡金莲,等. 干法形状记忆聚氨酯膜的智 能透湿气性能的研究[J ] . 青岛大学学报,2002 ,17 (2) :38 - 41.
SMPU的合成方程式 预聚反应
SMPU的合成方程式
扩链反应
SMPU的合成方程式 聚合反应
SMPU的应用 的应用 SMPU作为重要的智能材料,具有优良的记忆温 度可调节性,其记忆温度根据需要可在-30～70℃ 的范围内进行调节。在形状记忆温度附近,其良好 的力学性能、热膨胀性、透湿性、阻尼性能以及 光学性能,使其在许多方面都有较为广泛的应用。 在医疗器材上的应用 在医疗方面,将形状记忆聚氨酯用作固定创伤 部位的器材可代替传统的石膏绷带。其方法是将 形状记忆材料加工成创伤部位形状,然后用热水或 热吹风使其软化,施加外力使其变行为易于装配的 形状,冷却后装配到创伤部位,在加热便可恢复原
形状记忆聚氨酯 （SMPU） ）
形状记忆聚合物的机理 形状记忆聚氨酯（ 形状记忆聚氨酯（SMPU） ） SMPU的合成方法 的合成方法 SMPU的应用及发展 的应用及发展
形状记忆聚合物（SMP） 形状记忆聚合物（shape memory polymers， 简称SMP）： 由固定相或称硬相(hard domain)和软化 -硬化可逆相或称软相(soft domain)构成， 通过可逆相的可逆变化而具有形状记忆效应。 SMP可以是单—组分的聚合物,也可以是软化 温度不同、相容性良好的两种聚合物的共混 物或嵌段、接枝共聚物。 。