形状记忆合金驱动24页PPT
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形状记忆合金驱动
0 D 0 LDS S0 T T0
D L 为最大可变回复应变 ，为SMA弹性模量，为SMA相变张量
部分实验数据
位移—时间曲线
实验与仿真结果对照图
偏动式SMA驱动器驱动控制研究
阶跃电流
正弦电流
基于SMA驱动器的可调简支梁位移 控制研究
阶跃电流
正弦电流（ f 1/15 Hz ）
形状记忆合金驱动结构设计
一维本构模型试验台架设计
驱动器控制研究试验台架
一维本构关系分析及试验研究
• 基本理论
cV
dT dt
Ri2
t hAT
t T
c R 为SMA丝的密度，为SMA丝的比热，V为SMA丝的体积，为SMA丝的电阻，
A 为ShMA丝的热交换系数，为SMA丝的表面积，为环T境温度。
• 课题研究的意义 • SMA及其驱动器在各个领域中的应用 • 形状记忆合金驱动结构设计 • 一维本构关系分析及试验研究 • 形状记忆合金控制研究
ห้องสมุดไป่ตู้
课题研究意义
• 随着历史的发展和科技水平的进步，普通材料在很多应用领域已经不
能达到所要求的结构使用功能，另外，普通材料由于本身存在某些性 能缺陷，在长时间使用过程中容易受到外界环境的影响导致材料结构 性能发生退化，威胁着人类的生存和发展，因此，在上个世纪80年代， 智能材料结构的新概念被引入到了科技研究领域，随后获得了越来越 多的关注和应用。
新型材料—形状记忆合金阻尼器SMA的减振技术和工程应用PPT课件
B点以前的变形是由母 相的弹性变形引起的；
从B点到C点的应变增 量是由于应力诱发的马 氏体相变所致；
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在C点，试样中的奥 氏体几乎已经全部转 变为马氏体单晶，所 以从C点到D点的变形 原则上是由马氏体相 的弹性变形所引起的；
图3 简化的SMA超弹性本构关系
卸载时，试样受到的应变首先是弹性恢复到E点，然后 再通过马氏体逆相变恢复到A点附近，最后通过母相的 弹性应变恢复为零。
相变超弹性效应只能在Af以上的某一温度范围内
出现因此应用该效应时对环境温度或材料的温度 有一定的要求。
目前，相变伪弹性效应在土木工程领域中的应 用研究主要表现为：
(1)将常温下为奥氏体状态的形状记忆合金与隔震 装置相结合；
(2)将常温下为奥氏体状态的形状记忆合金制成各 种耗能器 ；
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• Higashino等研制了预拉伸丝超弹性形状记忆 合金(SMA)阻尼器，制作了四个参数各不相同的 这种形状记忆合金(SMA)阻尼器，并从加载频率、 温度等方面进行了性能试验；
•李惠和毛晨曦研制了拉伸型形状记忆合金(SMA) 阻尼器；
•王社良等提出了利用形状记忆合金(SMA)独特的 超弹性性能被动控制建筑结构地震响应的力学分 析和计算模型，并进行了试验研究。
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•实际上，形状记忆合金(SMA)的相变伪弹性效 应与形状记忆效应在本质上是同一个现象，区别 仅仅在于相变伪弹性是在应力解除时产生的马氏 体逆相变使材料恢复到母相状态。 •因此，能够产生热弹性马氏体相变的大部分合 金事实上都具有形状记忆效应和相变伪弹性性能。
从B点到C点的应变增 量是由于应力诱发的马 氏体相变所致；
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在C点，试样中的奥 氏体几乎已经全部转 变为马氏体单晶，所 以从C点到D点的变形 原则上是由马氏体相 的弹性变形所引起的；
图3 简化的SMA超弹性本构关系
卸载时，试样受到的应变首先是弹性恢复到E点，然后 再通过马氏体逆相变恢复到A点附近，最后通过母相的 弹性应变恢复为零。
相变超弹性效应只能在Af以上的某一温度范围内
出现因此应用该效应时对环境温度或材料的温度 有一定的要求。
目前，相变伪弹性效应在土木工程领域中的应 用研究主要表现为：
(1)将常温下为奥氏体状态的形状记忆合金与隔震 装置相结合；
(2)将常温下为奥氏体状态的形状记忆合金制成各 种耗能器 ；
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• Higashino等研制了预拉伸丝超弹性形状记忆 合金(SMA)阻尼器，制作了四个参数各不相同的 这种形状记忆合金(SMA)阻尼器，并从加载频率、 温度等方面进行了性能试验；
•李惠和毛晨曦研制了拉伸型形状记忆合金(SMA) 阻尼器；
•王社良等提出了利用形状记忆合金(SMA)独特的 超弹性性能被动控制建筑结构地震响应的力学分 析和计算模型，并进行了试验研究。
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•实际上，形状记忆合金(SMA)的相变伪弹性效 应与形状记忆效应在本质上是同一个现象，区别 仅仅在于相变伪弹性是在应力解除时产生的马氏 体逆相变使材料恢复到母相状态。 •因此，能够产生热弹性马氏体相变的大部分合 金事实上都具有形状记忆效应和相变伪弹性性能。
形状记忆合金(SMA)讲解
形状记忆材料种类
形状记忆合金(Shape Memory Alloys,SMA) 形状记忆陶瓷 高分子材料 —— 晶态－玻璃态相变
马氏体 相变
形状记忆效应与马氏体相变
形状记亿效应是在马氏体相变中发现的 马氏体相变中的的高温相叫做母相(P)，低温相 叫做马氏体相(M) 马氏体正相变、马氏体逆相变。 马氏体逆相变中表现的形状记忆效应，不仅晶 体结构完全回复到母相状态，晶格位向也完全回 复到母相状态，这种相变晶体学可逆性只发生在 产生热弹性马氏体相变的合金中。 马氏体相变的临界温度：Ms、Mf、As、Af
20 - 60 好 好
8 -12 比黄铜略好 差
改善方法：制备单晶或形成定向织构； 细化晶粒 － 添加合金元素、控制再结晶、 快速凝固、粉末冶金 添加微量元素是细化晶粒主要采用的方法：通过单 独或联合添加对 Cu 固溶度很小的元素，如 B 、 Cr 、 Ce、Pb、Ti、V、Zr等再辅以适当的热处理。 例1：Cu-Zn-Al合金经b相区固溶处理后平均晶粒尺 寸约为 1mm ，加入 w(B)0.01% ，晶粒尺寸降至约 0.1mm，加入w(B)0.025% ，晶粒尺寸降至约 50mm。 晶粒细化的作用： 例：晶粒尺寸由 160mm 细化到 60mm 时，断裂延伸率提高 40% ，断裂应力提高约 30%，疲劳寿命提高10 - 100倍。同时合金的记忆效 应保持良好。
3. 根据马氏体相变及其逆相变的温度滞后(As－Ms)大小分
形状记忆材料应用ppt课件
力，在矫正前就要加工成弓形，而且结扎固定要求熟练。如果用 TiNi
wk.baidu.com
合金作牙齿矫形丝，即使应变高达10%也不会产生塑性变形，而且应
力诱发马氏体相变(stress-induced martensite)使弹性模量呈现非线 型特性，即应变增大时矫正力波动很少。这种材料不仅操作简单，疗
效好，也可减轻患者不适感。。
将会更加广泛。
精选课件
• (3)日常生活应用
•
(a) 防烫伤阀
• 在家庭生活中，已开发的形状记忆阀
可用来防止洗涤槽中、浴盆和浴室的热水意外烫伤；这些阀
门也可用于旅馆和其他适宜的地方。如果水龙头流出的水温
达到可能烫伤人的温度(大约 48℃)时，形状记忆合金驱动阀门
关闭，直到水温降到安全温度，阀门才重新打开。
将形状记忆合金制作成一个可打开和关闭快门的弹簧，用于保护雾灯免 于飞行碎片的击坏。用于制造精密仪器或精密车床，一旦由于震动、碰撞等 原因变形，只需加热即可排除故障。在机械制造过程中，各种冲压和机械操 作常需将零件从一台机器转移到另一台机器上，现在利用形状记忆合金开发 了一种取代手动或液压夹具，这种装置叫驱动汽缸，它具有效率高灵活，装 夹力大等特点。
精选课件
•
(b) 脊柱侧弯矫形
•
各种脊柱侧弯症(先天性、习惯性、神经性、佝偻病性、特
发性等)疾病，不仅身心受到严重损伤，而且内脏也受到压迫，
形状记忆合金
应力诱发马氏体相变
Stress Induced Martensitic Transformation
相变伪弹性
Transformation Pseudoelasticity
❖ 产生热弹性马氏体相变的形状记忆合金，在 Af温度以上由于应力诱发产生的马氏体只在 应力作用下才能稳定地存在，应力一旦解除， 立即产生逆相变，回到母相状态，在应力作 用下产生的宏观变形也随逆相变而完全消失， 其中应力与应变的关系表现出明显的非线性， 这种非线性弹性和相变密切相关，所以叫做 相变伪弹性，也叫超弹性
相变驱动力
相变驱动力
马氏体相变的Bain转变模型
c/a 2
这一机制从晶体结构上给出了相变前后两 相之间对应的原子面和方向，但是，它不 能解释宏观切变，即表面浮凸，也不能解 释不应变平面、惯习面的存在
(111)γ <=> (011)a’ [101]γ<=> [111]a’ [110]γ<=> [100]a’ [112]γ<=> [011]a’
❖自协作(Self Accommodation)：马氏体变体 生成时都伴随有形状变化，在合金的局部产 生凹凸，但是，作为整体，在相变前后其形 状并不发生改变，这是因为若干个马氏体变 体组成菱形状片群，或组成三角锥状片群， 它们互相抵消了生成时产生的形状变化，这 样的马氏体生成方式被叫做自协作
形状记忆合金驱动
太阳帆板和天线的释放机构等用作执行元件
智能翼研制阶段
现代机器人领域
通过 NiTi SMA丝和偏置弹簧驱动的一自由度SMA机械臂
其他领域
• 建筑工程领域
• 在日常生活中
SMA已显示出具有隔音和探测地震的潜能，在建筑物和桥梁的应用中 已得到试验，因此为隔音和损害控制领域的应用提供了新的发展空间。 将SMA应用到固定桥梁和道路中，可以有效地避免在地震中断裂甚至 造成坍塌，因为SMA可以在地震中适当伸长缓解冲击和在震后能重新 恢复。 SMA制成的弹簧放在热水中，弹簧的长度立即伸长，在放到冷水中， 它会立即恢复原形。利用SMA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，以免烫伤。还可以பைடு நூலகம்制成消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火灾时，SMA制成 的弹簧发生形变，启动消防报警装置，达到报警的目的。还可以把用 SMA制成的弹簧放在暖气的阀门内，用以保持暖房的温度，当温度过 低或过高时，自动开启或关闭暖气的阀门。
形状记忆合金驱动结构设计 及控制研究
机械工程领域
SMA在机械工程领域中常用作阻尼元件和应力驱动元件,且SMA主要以丝、
薄片、梁等形式作为智能材料使用。
形状记忆合金紧固铆钉及其使用示意图
生物医疗器械领域
SMA在生物医疗器械领域扮演着相当重要的角色。
医疗固定器的应用示意图
智能翼研制阶段
现代机器人领域
通过 NiTi SMA丝和偏置弹簧驱动的一自由度SMA机械臂
其他领域
• 建筑工程领域
• 在日常生活中
SMA已显示出具有隔音和探测地震的潜能，在建筑物和桥梁的应用中 已得到试验，因此为隔音和损害控制领域的应用提供了新的发展空间。 将SMA应用到固定桥梁和道路中，可以有效地避免在地震中断裂甚至 造成坍塌，因为SMA可以在地震中适当伸长缓解冲击和在震后能重新 恢复。 SMA制成的弹簧放在热水中，弹簧的长度立即伸长，在放到冷水中， 它会立即恢复原形。利用SMA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，以免烫伤。还可以பைடு நூலகம்制成消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火灾时，SMA制成 的弹簧发生形变，启动消防报警装置，达到报警的目的。还可以把用 SMA制成的弹簧放在暖气的阀门内，用以保持暖房的温度，当温度过 低或过高时，自动开启或关闭暖气的阀门。
形状记忆合金驱动结构设计 及控制研究
机械工程领域
SMA在机械工程领域中常用作阻尼元件和应力驱动元件,且SMA主要以丝、
薄片、梁等形式作为智能材料使用。
形状记忆合金紧固铆钉及其使用示意图
生物医疗器械领域
SMA在生物医疗器械领域扮演着相当重要的角色。
医疗固定器的应用示意图
形状记忆合金PPT课件
图2 钢的马氏体转变
图3 马氏体相和母相化学自由能差随 温度变化与马氏体相变的关系
热驱动力与弹性能平衡，称之为热弹性平衡，此时 马氏体将停止生长。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。
形热 貌弹 的性 明马 场氏 像体
箭 状
图4 CuAlNi合金冷却过程中热弹性马氏体相变(马氏体长大) 图5 CuAlNi合金加热过程中热弹性马氏体相变(马氏体缩小)
合金长时间置于高温，产生不能完全记住该温度下形状 的现象，即记忆力减退。
当TiNi合金和CuZnAl合金长时间分别置于250℃和90℃ 以上的温度时，不管载荷大小如何，都出现不良影响。
工业应用
宇航天线
图15 NiTi形状记忆合金折叠发射 自动张开的宇航天线原理图
连接件和紧固件
形状记忆管接头 F-14
热弹性马氏体相变
面心立方的奥氏体晶粒内的原子经 无扩散位移，产生形状改变和表面 浮凸，这种呈现不变平面特征的一 级相变、形核长大型相变称为马氏 体相变，相变后形成体心立方的马 氏体。
把马氏体相变开始和相变结束的温 度表示为Ms和Mf，把马氏体逆相 变(转变成奥氏体)的温度表示为As 和Af。
只对Ni含量高于50.5at％的富Ni合金有效。
TiNi合金双程记忆处理
合金具有双程记忆效应是因为合金中存在方向性的应 力场或晶体缺陷，相变时马氏体容易在这种缺陷处形 核，同时发生择优生长。
4形状记忆合金PPT课件
12
相变伪弹性
13
马氏体相变
(Martensitic Transformation)
❖ 马氏体相变概述
命名，德国人 Adolph Martens 最初的认识：相变产物的特征 深入研究：形核和生长的过程 生长速度
❖钢：105cm/s ❖AuCd合金、CuZn合金：显微镜下肉眼观察
马氏体相变转变过程中，没有原子的扩散，也不改变成 分，仅仅是晶格结构发生变化。母相(P)和马氏体相(M)内 的晶格点阵有看一一对应的关系
❖ 1948年，前苏联学者库尔久莫夫预测到某些具有马氏体相变的合金会出 现热弹性马氏体相变
❖ 1951年，张禄经、Read发现Au-47.5%Cd具有形状记忆效应 ❖ 1963年，美国海军武器试验室（Americal navy Ordinance Laboratory）
的Buehler博士等发现Ni-Ti合金具有形状记忆效应，并开发了Nitinol （Ni-Ti-Navy-Ordinance-Laboratory）形状记忆合金。 ❖ 70年代，CuAlNi也被发现具有形状记忆功能 ❖ 1975年左右，FeMnSi及有些不锈钢也有形状记忆功能，并在工业中得 到应用 ❖ 1975年至1980年左右，双程形状记忆效应（Two Way Shape Memory Effect）、全程形状记忆效应（All Round Shape Memory Effect）、逆 向形状记忆效应（Inverse Shape Memory Effect）相继被发现
相变伪弹性
13
马氏体相变
(Martensitic Transformation)
❖ 马氏体相变概述
命名，德国人 Adolph Martens 最初的认识：相变产物的特征 深入研究：形核和生长的过程 生长速度
❖钢：105cm/s ❖AuCd合金、CuZn合金：显微镜下肉眼观察
马氏体相变转变过程中，没有原子的扩散，也不改变成 分，仅仅是晶格结构发生变化。母相(P)和马氏体相(M)内 的晶格点阵有看一一对应的关系
❖ 1948年，前苏联学者库尔久莫夫预测到某些具有马氏体相变的合金会出 现热弹性马氏体相变
❖ 1951年，张禄经、Read发现Au-47.5%Cd具有形状记忆效应 ❖ 1963年，美国海军武器试验室（Americal navy Ordinance Laboratory）
的Buehler博士等发现Ni-Ti合金具有形状记忆效应，并开发了Nitinol （Ni-Ti-Navy-Ordinance-Laboratory）形状记忆合金。 ❖ 70年代，CuAlNi也被发现具有形状记忆功能 ❖ 1975年左右，FeMnSi及有些不锈钢也有形状记忆功能，并在工业中得 到应用 ❖ 1975年至1980年左右，双程形状记忆效应（Two Way Shape Memory Effect）、全程形状记忆效应（All Round Shape Memory Effect）、逆 向形状记忆效应（Inverse Shape Memory Effect）相继被发现
形状记忆合金讲稿
形状记忆合金
一、引言
金属具有记忆能力，乍听起来令人不可思议。然而，人们确已获得了这种具有“记忆能力”的金属(Shape Memeory Alloy)。人们把SMA合金做成花、鸟、鱼、虫等各种造型，只要浸入不太热的水中，一瞬间，花开放，鸟展翅，鱼摆尾，虫蠕动，并且栩栩如生，真如魔术般使人惊叹，这些都是形状记忆合金特异功能的显示。到目前为止，人们对形状记忆效应的物理本质和各种影响因素已经有了较为清晰的认识，形状记忆合金已被确认为一种热驱动的功能材料，人们利用其形状记忆效应，在仪器仪表、电器、自动控制、汽车、航空航天、医疗、生物工程及机器人等领域之中实现广泛应用。
二、形状记忆合金的发展
形状记忆效应源自材料中发生的马氏体相变。马氏体相变最初是由德国金属学家Martens在钢中发现。1938年，美国的格里奈哥(Greniger)和穆拉迪安在Cu-Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变；随后，俄罗斯的库究莫夫对这种行为进行了研究。他们的研究在当时并没有受到世界的重视。1951年美国的Read等人在Au-Cd合金的研究中首次发现该合金具有形状记忆效应，随后，在InTi合金中也发现了形状记忆效应。这些合金价格昂贵，难以实现应用，人们开始寻找成本低廉的形状记忆合金。低成本形状记忆合金的发现完全是偶然的。1962年，美国海军军械研究所将NiTi合金作为对温度敏感的振动衰减合金加以研究，在讨论该项研究经费分配时，某一成员用手将这种材料制成的细丝一端弯曲，然后在点燃手中雪茄时，忽然发现靠近火焰部分的细丝伸直了。1963年，军械研究所宣布在TiNi合金丝中发现了形状记忆效应。由于TiNi合金具有强度高、塑性大、耐腐蚀件好、成本相对低廉等许多特点而引起极大关注，人们开始考虑合金形状记忆效应的广泛应用。
《形状记忆合金》PPT课件
形状记忆合金材料是一 种新型的功能材料,其特 点是在一定的外力作用 下可以改变其形态<形状 和体积>,但当温度升高到 某一定值时,它又可完全 恢复原来的形态.
通过形状记忆合金模仿肌肉的收缩 来实现人工肌肉的功能.用背部的 金属纤维振动翅膀
形状记忆合金的用途〔一〕
在航空上的应用——
月球上的"奇葩"
忆
同而取向相反的低温相形状,称为全程记
效应.
形状记忆合金的原料
真正实际中使用的形状记忆合金主要是 TiNi 合金和CuALBe合金,以及在这两种合金中添 加微量元素所组成的合金,因而形状记忆合金 的主要材料是镍、钛、铜、铍青铜等,其产地 分别是我国西部地区的金昌、XX、XX、XX等.
合金具有"记忆"的原因
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Hale Waihona Puke Baidu经太阳光的照射加热使它恢 复到原来的抛物面形状.这样 就能用空间有限的火箭舱运 送体积庞大的天线了.
形状记忆合金的用途〔二〕
在医学上的应用
合金作为驱动元件,具有可动的肩、肘、 腕及手指的微型机械手.手指和手腕靠 TiNi合金螺旋弹簧的伸缩实现开闭和弯 曲动作,肘和肩是靠直线状的TiNi合金丝 的伸缩做弯曲动作,各个形状记忆合金驱 动元件都由直接通上的脉宽可调电流加 以控制.
第三章 形状记忆合金
【记忆合金的成分】 记忆合金的特性是50年代初期 被发现的，金镉、铟铊合金都有 这种特性。
2019/3/31
【记忆合金的应用】
记忆合金已用于管道结合和自动化控制方面，用 记忆合金制成套管可以代替焊接，方法是在低温时将 管端内全扩大约 4％，装配时套接一起，一经加热， 套管收缩恢复原形，形成紧密的接合。美国海军飞机 的液压系统使用了10万个这种接头，多年来从未发生 漏油和破损。船舰和海底油田管道损坏，用记忆合金 配件修复起来，十分方便。在一些施工不便的部位， 用记忆合金制成销钉，装入孔内加热，其尾端自动分 开卷曲，形成单面装配件。
2019/3/31
记忆合金在医疗上的应用也很引人注 目。例如接骨用的骨板，不但能将两段断 骨固定，而且在恢复原形状的过程中产生 压缩力，迫使断骨接合在一起。
齿科用的矫齿丝，结扎脑动脉瘤和输精管的 长夹，脊柱矫直用的支板等，都是在植入人体内 后靠体温的作用启动，血栓滤器也是一种记忆合 金新产品。被拉直的滤器植入静脉后，会逐渐恢 复成网状，从而阻止 95％的凝血块流向心脏和肺 部。
2019/3/31
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。
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