形状记忆材料
形状记忆材料
形状记忆材料形状记忆材料（Shape Memory Materials，SMMs）是一类具有形状记忆效应的智能材料，其在外界作用下可以实现形状的可逆变化。
形状记忆材料广泛应用于医疗器械、航空航天、汽车、电子、纺织等领域，具有巨大的应用前景。
形状记忆材料的工作原理是基于其特殊的微观结构和相变特性。
在低温状态下，形状记忆材料处于一种固定的形状，一旦受到外界温度、应力或磁场等作用，就会发生相变，从而恢复到其原始形状。
这种形状记忆效应使得形状记忆材料具有自修复、自组装、自适应等智能特性。
形状记忆材料的应用领域非常广泛。
在医疗器械领域，形状记忆材料可以用于制作支架、缝合线、植入物等，具有良好的生物相容性和可调节的形状，可以更好地适应人体器官的形状和运动。
在航空航天领域，形状记忆材料可以用于制作飞机零部件、卫星结构等，具有轻质、高强度、耐高温等优点，可以大大减轻航空器的重量，提高飞行性能。
在汽车领域，形状记忆材料可以用于制作车身零部件、发动机零部件等，具有抗冲击、耐磨损、自修复等特性，可以提高汽车的安全性和可靠性。
在电子和纺织领域，形状记忆材料可以用于制作智能传感器、智能纺织品等，具有快速响应、多功能性、耐用性等特点，可以实现智能化、可穿戴化。
形状记忆材料的研究和应用仍面临一些挑战。
首先，形状记忆材料的制备工艺和性能优化仍需进一步提升，以满足不同领域的需求。
其次，形状记忆材料的成本较高，需要降低生产成本，提高市场竞争力。
最后，形状记忆材料的环境适应性和可持续性也需要加强，以减少对环境的影响。
总的来说，形状记忆材料作为一种新型智能材料，具有巨大的应用潜力和发展前景。
随着科技的不断进步和创新，形状记忆材料必将在各个领域发挥重要作用，为人类社会的进步和发展做出更大的贡献。
形状记忆材料
形状记忆效应的机理
大部分合金和陶瓷等记忆材料的形状记忆效应 是通过马氏体相变而完成的。也就是热弹性马氏 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。
这种可逆转换是具有一定条件的： 1.马氏体相变是热弹性的。 2.母体与马氏体相呈现有序点阵结构。 3.马氏体内部是孪晶变形的。 4.相变时在晶体学上具有完全可逆性。
形状记忆聚合物
形状记忆聚合物（Shape Memory Polymers，简称 SMP）又称为形状记忆高分子，是指具有初始形状并 固定后，通过外界条件（如热，光，电，化学感应） 等的刺激，又可恢复其初始形状的高分子材料。 引发形状记忆效应的外部环境因素： 物理因素：热能，光能，电能，声能等。 化学因素：酸碱度，螯合反应和相转变反应等。
形状记忆效应，如左图： OA段：弹性变形线性段 AB段：非线性段 B点处卸载，C点处的残余应变为 OC段，将此材料在一定温度下加热， 经CO段变形，残余应变为零，材料 恢复原来的形状。
三种形状记忆效应
形状记忆效应按照形状恢复情况可以分为三种：
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
形状记忆陶瓷
在陶瓷中现已发现两种机制的形状记忆效应： 1）和形状记忆合金类似的马氏体相变及逆相变有关 的形状记忆。其中，马氏体相变可以是热诱发的，应 力诱发的，也可以是外电场（磁场）诱发的。 2）粘弹性机制导致的形状恢复。
形状记忆陶瓷 形状记忆陶瓷
按照机理
按照形状记忆机理
马氏体形状 记忆陶瓷
形状记忆合金
形状记忆合金（SMA）特性
集传感，驱动，控制，换能于一身 机械性质优良，能恢复的形变可高达10%，而一般金属材料只 有0.1%以下 有确定的转变温度 在加热时能产生的回复应力非常大，可以达到500Mpa 对环境适应能力强，不受温度以外的其他因素的影响 无振动噪声，无污染 抗疲劳，回忆变形500万次不会产生疲劳变形
形状记忆材料及其应用
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。
形状记忆材料原理和制备方法总结
形状记忆材料原理和制备方法总结
形状记忆材料是一种可以根据外界刺激改变形状，并恢复原状的特殊材料。
其原理基于相变效应和形状记忆效应，通过合理的制备方法可以获得不同形状记忆材料。
原理
形状记忆材料的原理主要有以下几个方面：
1. 形状记忆效应：形状记忆材料可以在经历形状改变后恢复原来的形状。
这是由于材料中存在特殊的相变结构，通过应力诱导相变或温度诱导相变来实现形状的改变和恢复。
2. 相变效应：形状记忆材料的相变效应是材料的理想弹性成分与相互作用的结果。
在相变的过程中，晶格结构发生改变，使材料产生形状记忆效应。
3. 容积相变效应：形状记忆材料中的相变不仅限于表面形状的改变，还可以引起材料的容积变化。
这是由于相变过程中，晶格结构的变化导致材料的体积发生变化。
制备方法
形状记忆材料的制备方法主要有以下几种：
1. 合金法：通过合金化改进晶格结构，使材料具有形状记忆性能。
常用的合金有铜铝合金、镍钛合金等。
2. 多层薄膜法：利用不同材料的热膨胀系数不同，通过堆叠多层薄膜形成形状记忆材料。
如利用金属和陶瓷薄膜的结合。
3. 共沉淀法：通过共沉淀制备形状记忆材料。
将合适的元素混合溶液共沉淀形成材料的晶体结构。
4. 拉伸法：通过拉伸形状记忆材料，引起材料的相变，使其固化在新的形状上。
总之，形状记忆材料的原理基于相变效应和形状记忆效应，制备方法包括合金法、多层薄膜法、共沉淀法和拉伸法等。
这些方法可以根据具体需求选择并进行相应制备。
智能材料的形状记忆研究
智能材料的形状记忆研究智能材料是指那些具有一定程度的仿生智能、可进行自我感知和响应的新材料。
智能材料的研究和应用领域十分广泛，其中形状记忆材料是其中一个研究重点。
形状记忆材料，顾名思义，是一种可以记忆自身形状并根据外界刺激进行形状恢复的材料。
下面就介绍一下智能材料的形状记忆研究。
一、形状记忆材料的概述形状记忆材料是一种可以“记忆”自身形状并根据外界刺激进行形状反转的材料，其独特性能引起了人们的广泛关注。
形状记忆材料在广泛的应用领域中表现出了很高的价值，比如航空、航天、军事、汽车、机器人、医疗、建筑、电子等领域。
形状记忆材料的应用前景非常广阔，被誉为21世纪最具潜力的高科技产品之一。
目前，世界上的形状记忆材料主要分为两类：一类是合金类材料，另一类是聚合物类材料。
二、形状记忆材料的工作原理形状记忆材料的工作原理非常神奇。
当形状记忆材料处于一定温度下时，其原始形态是被固定的，我们称之为A相。
当形状记忆材料受到外界的温度刺激或力的刺激时，其原始形态会发生改变，并进入到另一个固定的形态，我们称之为B相。
例如，一根形状记忆钢丝一开始是直的，我们称之为A相。
当将该钢丝加热到一定温度时，它会自动弯曲成一个形状，我们称之为B相。
当形状记忆钢丝受到力的刺激或冷却到一定温度时，它又会自动恢复为A相。
三、形状记忆材料的分类形状记忆材料按照其材料性质可以分为两类：金属合金类和高分子类。
在金属合金类中，主要有铜锌铝形状记忆合金、镍钛形状记忆合金等；而在高分子类中，主要有聚合物形状记忆材料。
四、形状记忆材料的优点和局限性1. 优点形状记忆材料具有很多独特的性质和优点，比如：记忆功能强、形状可控、反应速度快、重复使用次数多、无需额外能源等。
2. 局限性形状记忆材料虽然有很多独特的优点，但是也存在很多局限性，如高价格、强度、耐腐蚀性、温度对功能的影响等。
五、形状记忆材料的应用形状记忆材料的应用十分广泛，现已被应用于诸多领域。
以下是形状记忆材料在一些领域的具体应用：1. 航天领域航天领域对形状记忆材料的需求量非常大。
智能材料有哪些及应用
智能材料有哪些及应用智能材料是一类具有自响应、自感知和自调节能力的材料。
它们能够根据外界环境的变化，改变自身的性质和形态，实现某种特定的功能。
智能材料的应用非常广泛，涵盖了多个领域。
一、形状记忆材料（Shape Memory Materials）：形状记忆材料是一种能够在外部刺激作用下改变自身形状，并且能够恢复到初始形状的材料。
该类材料主要包括两种类型：一种是单向形状记忆材料，它只能在一个特定的温度范围内发生形状改变；另一种是双向（多向）形状记忆材料，它可以在不同的温度范围内发生形状改变。
形状记忆材料的应用包括潜艇舵翼、医疗器械、飞机机翼表面和建筑结构等。
二、智能涂料（Smart Coatings）：智能涂料指的是具有自我修复、防污、防腐蚀和环保等功能的涂料。
智能涂料能够根据外界环境的变化，改变其表面特性以达到一种特定的功能。
智能涂料的应用广泛，例如自我修复涂料可以应用在汽车漆面修复、船体表面防腐等领域。
三、压电材料（Piezoelectric Materials）：压电材料是一种具有压电效应的材料，即当外力作用于该材料时，会在其内部产生电荷，从而产生电势差。
压电材料广泛应用于声、光、电、热转换和传感器等领域。
例如应用在医学领域的超声波传感器、压电陶瓷维修剂等。
四、磁致伸缩材料（Magnetostrictive Materials）：磁致伸缩材料是在外磁场作用下，能够发生形变的材料。
通过改变外磁场的强度和方向，可以控制材料的形变。
磁致伸缩材料的应用领域包括电磁换能器、声学器件、传感器、振动控制和精密仪器等。
五、光敏材料（Photosensitive Materials）：光敏材料是指能够对光信号进行感应和响应的材料。
光敏材料的特点是在光照射下，其电、磁、光、热等性质会发生变化。
光敏材料广泛应用于成像、激光技术、显示器件、光敏电导等领域。
六、电致变色材料（Electrochromic Materials）：电致变色材料是一种可以通过外加电压改变其颜色的材料。
形状记忆材料的原理及应用
形状记忆材料的原理及应用1. 引言形状记忆材料（Shape Memory Materials）是一类具有特殊性能的材料，在应变下能够发生可逆性的形状变化。
这种材料最早于20世纪50年代由斯图尔特·华尔士发现，自此以来已经在许多领域取得了广泛的应用。
本文将介绍形状记忆材料的原理及其在各个领域的应用。
2. 形状记忆材料的原理形状记忆材料的变形与恢复是由其内部微观结构的特殊性质所决定的。
其主要原理包括两方面：回弹性和相变。
2.1 回弹性形状记忆材料具有极强的回弹性，即在外力作用下能够恢复到其初始形状。
这种回弹性主要是由材料内部的晶体结构而决定的。
当形状记忆材料发生外力作用时，其晶格结构会发生畸变，但一旦外力消失，晶格结构会迅速恢复到原先的状态，从而使得材料恢复到初始形状。
2.2 相变形状记忆材料的相变性质也是其能够发生形状变化的重要原理。
形状记忆材料通常存在两种相（相I和相II），在不同温度下会发生相变。
当形状记忆材料处于相I时，它的形状是固定的。
而当材料被加热到相变温度时，会从相I转变为相II，同时材料的形状也会发生可逆的变化。
当材料被冷却到相变温度以下时，又会从相II转变回相I，形状也会再次恢复到初始状态。
这种相变性质使得形状记忆材料可以在不同温度下实现形状变化。
3. 形状记忆材料的应用形状记忆材料的独特性能使其在许多领域中具有广泛的应用价值。
以下是一些常见的应用领域：3.1 医疗器械形状记忆材料在医疗器械领域有着广泛的应用。
例如，可通过形状记忆材料制造出可以自动恢复初始形状的支架，用于血管介入手术中的支架植入。
另外，形状记忆材料还可以用于制造人工骨骼和关节，使其具有更好的适应性和可塑性。
3.2 智能材料形状记忆材料是一种智能材料，可以根据环境的变化实现自主变形。
这一特性使得它在智能建筑、智能家居等领域具有广泛的应用前景。
形状记忆材料可以用于制造智能窗帘、智能门窗等，实现自动开关和形状变化，提高生活质量和便利性。
形状记忆材料
形状记忆材料形状记忆材料是一种特殊材料，能够保持或恢复其原有形状。
它具有很多优点，如具有较高的弹性和可塑性，能够经历多次形状改变而不损坏。
这种材料可以应用于许多领域，如医疗、工程和电子等。
形状记忆材料的最重要的特性之一是其能够保持或恢复原有形状。
这意味着当受到外力变形后，材料可以自动返回其最初的形状，而不需要外力的干预。
这对于许多应用来说是非常有用的，例如，在心血管支架中使用形状记忆材料，可以将支架折叠成较小的直径，然后在患者体内展开，以减少手术切口的大小。
形状记忆材料还具有较高的弹性和可塑性。
这使得材料能够经历多次形状改变而不损坏，同时能够保持其原有的特性。
这种特性使得形状记忆材料成为制造智能材料和结构的理想选择。
例如，在航天器的降落伞中使用形状记忆材料，可以使降落伞能够适应不同的速度和高度，并提供更好的控制和安全性。
形状记忆材料还具有较高的耐腐蚀性和耐磨损性。
这使得它在恶劣环境下的应用很受欢迎，例如在海洋工程中使用形状记忆材料，可以抵抗海水的腐蚀和高压力的磨损。
这种材料还可以在高温和低温环境下保持其性能，具有很大的应用潜力。
除了这些特性外，形状记忆材料还具有其他一些有趣的特点。
例如，当形状记忆材料处于高温状态时，可以很容易地改变其形状，而当温度降低时，材料会恢复其原来的形状。
这种性质可以在制造机械臂和机械手等应用中发挥作用，使得它们能够在各种不同的环境条件下工作。
总的来说，形状记忆材料是一种具有很多优点的特殊材料。
它的应用范围非常广泛，包括医疗、工程和电子等领域。
随着技术的进步，形状记忆材料将会变得越来越普遍，并对人类的生活和工作产生积极的影响。
形状记忆材料原理
形状记忆材料原理形状记忆材料（shape memory materials）是一类具有特殊功能的智能材料，其能够在经历外部刺激后发生可逆的形状变化。
它的独特之处在于，无论是在应力作用下还是在温度变化下，形状记忆材料都能够快速从变形状态恢复到其原始形状。
形状记忆材料的原理主要基于其内部的微观结构和相变特性。
形状记忆材料通常是由合金或聚合物组成的。
合金形状记忆材料主要是由两种或多种金属元素组成的合金，这些金属元素的相互作用导致材料具有特殊的形状记忆效应。
聚合物形状记忆材料则是由高聚物材料制成，其中引入了特定的聚合物结构和交联方式，使其具有形状记忆特性。
形状记忆材料的原理可以分为两个主要过程：相变和反馈调控。
相变是指形状记忆材料在温度或应力变化的刺激下，会发生物理或化学相变，从而导致材料形状的改变。
形状记忆材料的相变过程可以分为两个阶段：相变起始温度（Martensite）和相变终止温度（Austenite）。
当材料温度低于相变起始温度时，材料处于马氏体（Martensite）状态，具有一种低对称性结构；而当材料温度高于相变终止温度时，材料处于奥氏体（Austenite）状态，具有高对称性结构。
这两种不同的结构状态是形状记忆效应的基础。
形状记忆材料的反馈调控过程是指材料在经历相变后能够以外力作用下，实现从马氏体状态到奥氏体状态的形状恢复。
形状记忆材料的马氏体状态具有较强的变形能力，而奥氏体状态则具有较高的弹性。
当外力作用于材料时，材料的晶格结构会发生变化，从而导致相变，并使材料从马氏体状态恢复到奥氏体状态。
这种特殊的结构转变机制使得形状记忆材料能够实现快速的形状变化和恢复。
形状记忆材料通过设计合适的微观结构和调控相变过程，可以实现多种功能应用。
其中包括医疗领域的支架和植入物，如血管支架和心脏支架。
形状记忆材料的特殊性能能够使这些植入物在经历收缩、扩张等变形后能够快速恢复其原始形状，从而提高治疗效果和患者的生活质量。
主要的形状记忆聚合物
主要的形状记忆聚合物
形状记忆聚合物（Shape Memory Polymer，简称SMP）是一种智能响应性材料，具有记忆和恢复初始形状的特性。
其主要应用领域包括医疗、纺织、机械和化工等。
SMP的材料特性包括：
1. 可恢复性：SMP在变形后能够在外部刺激下恢复到其初始形状。
2. 低密度：SMP相对于其他金属材料，具有较小的密度，有利于减轻结构重量。
3. 易加工：SMP加工性能良好，可以采用多种方法进行成型。
4. 形状转变温度可调：SMP的形状转变温度可以根据需要进行调整。
5. 良好的生物相容性：SMP在医疗领域具有广泛应用前景，因为它具有良好的生物相容性。
6. 智能响应：SMP可以根据外部环境条件（如温度、光照等）发生形状变化。
在我国，形状记忆聚合物研究取得了显著进展，包括构建本构方程、实验验证以及将其应用于医疗等领域。
例如，已有的研究项目中，新型形状记忆聚合物技术获得了美国药监局（FDA）的研究设备豁免（IDE），开始试验以确定其在选择性血管内动脉瘤修复术（Evar）中的安全性和有效性。
此外，形状记忆聚合物在智能制造领域也具有潜力。
例如，将SMP应用于机器人领域的驱动器，可以实现自适应变形，提高机器人的灵活性和适应性。
总之，形状记忆聚合物是一种具有广泛应用前景的创新材料，其特性包括可恢复性、低密度、易加工、形状转变温度可调、良好的生物相容性和智能响应等。
在我国，研究者正努力推动形状记忆聚合物技术的发展，并将其应用于医疗、智能制造等领域。
形状记忆材料的生物医学应用
形状记忆材料的生物医学应用形状记忆材料是一种具有形状记忆效应的材料，能够在一定的条件下从临时形状回复到原始形状。
这种材料的生物医学应用已经得到了广泛的关注和研究。
下面将对形状记忆材料的生物医学应用进行详细介绍。
一、形状记忆材料的特性形状记忆材料具有以下特性：1．形状记忆效应：在一定的温度和湿度条件下，形状记忆材料能够从临时形状回复到原始形状。
这种形状记忆效应可以用于制造智能材料和智能结构。
2．良好的生物相容性：形状记忆材料具有良好的生物相容性，可用于生物体内植入材料和生物医学工程中。
3．耐磨性和耐腐蚀性：形状记忆材料具有较好的耐磨性和耐腐蚀性，可用于制造医疗器械和生物传感器等。
二、形状记忆材料的生物医学应用1．医用缝合线：形状记忆材料可以制成医用缝合线。
在手术过程中，医生可以将形状记忆线临时变形，然后植入人体内。
当线接触到人体温度时，形状记忆效应会使得线恢复到原始形状，从而完成缝合。
这种缝合线具有愈合效果好、伤口愈合快等优点。
2．血管支架：形状记忆材料可以制成血管支架，用于治疗血管狭窄或阻塞的疾病。
在低温下，医生可以将临时变形的血管支架植入人体内。
当支架接触到人体温度时，形状记忆效应会使得支架恢复到原始形状，从而撑开血管，恢复血流。
这种血管支架具有创伤小、并发症少等优点。
3．牙齿矫正器：形状记忆材料可以制成牙齿矫正器，用于矫正牙齿排列不齐或咬合不良等问题。
在口腔医生的指导下，患者可以将临时变形的牙齿矫正器佩戴在牙齿上。
当矫正器接触到口腔温度时，形状记忆效应会使得矫正器恢复到原始形状，从而对牙齿进行矫正。
这种牙齿矫正器具有使用方便、舒适度高、效果显著等优点。
4．组织工程支架：形状记忆材料可以制成组织工程支架，用于修复或再生损伤的人体组织。
在低温下，医生可以将临时变形的组织工程支架植入人体内。
当支架接触到人体温度时，形状记忆效应会使得支架恢复到原始形状，从而为组织生长提供合适的微环境。
这种组织工程支架具有生物相容性好、能够促进组织生长等优点。
第三讲-形状记忆材料
2.1
Ti-Ni系形状记忆合金
目前研究得最全面、记忆性能最好、实用性强的合金材料
优点：记忆效应优良、性能稳定、生物相容性好是目前唯一 作为生物医学材料的形状记忆合金。
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。
在Ti-Ni合金中添加少量的第三元素，将会引起合金 中马氏体内部的显微组织发生显著变化，同时可能导致马
日本杰昂公司 开发出了以聚 酯为主要成分 的聚酯——合 金类形状记忆 聚合物。
形状记忆材料的种类
形状记忆合金 形状记忆陶瓷 形状记忆聚合物
形状记忆材料
一、
形状记忆效应
• 形状记忆效应
• 马氏体相变
• 形状记忆机理
1.1形状记忆效应
具有一定形状（初始形状）的固体材料，在某一 低温状态下经过塑性变形后（另一形状），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，这种效应称为形状记忆效应。
形状记忆过程中晶体结构的变化
• 从微观来看，形状记忆效应是晶体结构 的固有变化规律。通常金属合金在固态 时，原子按照一定规律排列起来，而形 状记忆合金的原子排列规律是随着环境 条件的改变而改变的。
• 形状恢复的推动力是由在加热温度下母 相和马氏体相的自由能之差产生的。
二、
形状记忆合金
• 具有形状记忆效应的合金叫形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)。它是通过热弹性与马 氏体相变及其逆相变而具有形状记忆效应的由两 种以上金属元素所构成的材料。
有记忆的金属
60年代初的一天，美国海军军械实验室的研究人员领来 了一批镍钛合金丝，也许是制造过程中处理不当，合金丝被 弄弯了，他们只能一根一根地将合金丝校直。有人顺手把校 直的合金丝堆放在炉子的旁边。这时意外的事情发生了，一 些校直的的合金丝在炉温的烘烤下，不一会儿就恢复到原来 弯曲的形状。于是不得不重新校直合金丝。起初，他们没有 在意，还是把校直的合金丝堆放在炉旁，结果合金丝又弯曲 了，这种现象重复出现了多次，直到人们把校直的合金丝换 了一地方堆放，不再受到炉温的烘烤以后，合金丝才继续保 持挺直的形状。 军械实验室的研究人员紧紧地抓住了上述的意外的事情， 开展反复的实验研究，终于发现含50%镍和50%钛的合金在温 度升高40℃以上时，能“记住”自己原来的形状。
形状记忆高分子材料的发展及应用概况
形状记忆高分子材料的发展及应用概况一、本文概述形状记忆高分子材料（Shape Memory Polymers, SMPs）是一类具有独特形状记忆效应的智能材料，能够在受到外界刺激（如温度、光照、电场、磁场等）时，恢复其原始形状。
自上世纪90年代开始，随着材料科学和工程技术的不断进步，形状记忆高分子材料得到了快速发展，并在航空航天、生物医疗、汽车制造、智能传感器等领域展现出广阔的应用前景。
本文旨在全面概述形状记忆高分子材料的发展历程、基本原理、性能特点以及当前的应用概况，以期为相关领域的科研工作者和工程师提供参考和启示。
在发展历程方面，本文将介绍形状记忆高分子材料的起源、发展阶段和当前的研究热点。
在基本原理方面，将重点阐述形状记忆高分子材料的形状记忆效应产生的机制，包括交联网络结构、可逆物理/化学交联、热膨胀系数等。
在性能特点方面，将总结形状记忆高分子材料的优点和局限性，如形状恢复速度快、可重复性好、加工性能好等，以及其在高温、高湿等恶劣环境下的稳定性问题。
在应用概况方面，将详细介绍形状记忆高分子材料在航空航天、生物医疗、汽车制造、智能传感器等领域的具体应用案例，并分析其未来的发展趋势和市场前景。
通过本文的综述，读者可以全面了解形状记忆高分子材料的最新研究进展和应用现状，为相关领域的科研和产业发展提供有益的参考。
二、形状记忆高分子材料的分类形状记忆高分子材料（Shape Memory Polymers, SMPs）是一类具有独特“记忆”形状功能的智能材料。
它们能够在外部刺激（如温度、光照、电场、磁场或pH值变化等）的作用下，从临时形状恢复到其原始形状。
根据恢复机制的不同，形状记忆高分子材料可以分为以下几类：热致型形状记忆高分子材料：这类材料利用热响应来触发形状记忆效应。
它们通常包含两个或多个具有不同玻璃化转变温度（Tg）的组分，通过加热到特定温度，材料能够从一个临时形状恢复到原始形状。
这类材料在航空航天、医疗器械和智能织物等领域具有广泛的应用前景。
第十一章 形状记忆材料
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。
构成性形状记忆性材料的发展与应用
构成性形状记忆性材料的发展与应用构成性形状记忆性材料 (Constituent Shape Memory Materials, CSMs) 是一类聚合物材料，具有记忆形状的能力，即可以在外界刺激下从一种形状转变成另一种形状，并且可以恢复原始形状。
CSMs 的应用前景十分广阔，在医学、机器人、航空航天等领域都有着重要的应用。
一、CSMs 的发展历程CSMs 最早是在20世纪60年代由日本学者发现的，最初是通过化学改性来实现的。
随着研究进展，CSMs 被分为两种类型：主链形状记忆性和侧链形状记忆性。
主链形状记忆性是通过单体中加入新的共轭链，增加了分子链的柔性，从而实现形状记忆的性质。
侧链形状记忆性则是通过在分子侧链上加入柔性链节，使分子链在形状转变时可以自由运动，从而实现形状记忆的性质。
二、CSMs 的应用领域1. 医学领域CSMs 可以制成医疗器械，如可以按照患者牙齿的形状设计出口腔托槽，佩戴起来更加舒适。
此外，CSMs 还可以制成有温敏性质的药物释放系统，可以根据患者身体的温度调节释放药物的速度，减小药物对身体的伤害。
2. 机器人领域CSMs 可以制成机器人关节，在机器人行动时可以控制关节的形状转变，与机器人的动作相协调，达到更好的运动效果。
3. 航空航天领域CSMs 由于具有轻量化、易成型等特性，可以用于制成飞机零部件。
在飞机需要较大的变形时，如在遇到紧急情况时，CSMs 零部件可以部分转变成另一种形状，提高飞机的机动性和适应能力。
三、CSMs 的发展趋势1. 多功能化随着研究的不断深入，科学家们发现，将不同的材料组合在一起可以获得更多的功能性能。
因此未来的 CSMs 可能会采用复合材料的形式，不仅拥有形状记忆的性质，还可以具有其他性质，如柔性、导电性等。
2. 自愈合性CSMs 在使用过程中容易发生磨损和裂缝，磨损和裂缝会导致形状记忆的性能下降。
因此，未来的CSMs 可能会具有自愈合性，即能够自动修复自己的损伤。
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A
加热
M
可逆性
马氏体相变动力学：
G T
GT
PM
PM
G
PM c
G
PM nc
Gs
PM PM 母相转变为马氏体的驱动力 — G G Gs c nc
Gc T
PM
G M G P —母相转变为马氏体的化学
驱动力
PM c
PM —非化学驱动力(相变时新旧相体积 Gnc G s 变化产生的应变能)
形状记忆材料 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。
图1 单程形状记忆效应
（a）未拉长
(b) 被拉长后
(c)放入热水后恢复原长
图23 单程TiNi记忆合金簧的动作变化情况
形状记忆材料 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 恢复高低温相形状的现象， 或称为可逆形状记忆效应。
具有较 高的对 称性的 立方点 阵
热弹性马氏体相变时伴随有形状的变化。
形状记忆效应的实质： 是在温度的作用下，材料内部热弹性马氏体形成、 变化、消失的相变过程的宏观表现。
原子排列面的切应变
结构相同，位相 不同的马氏体
变形前后M 结构未变
变体界面移动， 相互吞食
图8 形状记忆效应机制示意图
形状记忆材料
（a）没放入热水前
(b) 放入热水后
(c)凉至室温后
图 高温缩短的双程CuZnAl记忆合金弹簧的动作变化情况
形状记忆材料 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。
图3 全程形状记忆效应
(a) 放入热水前
本质：应力作用使材料的MS点升高。
应力/MPa 140 加载 卸载
120 100 80
60 40 20 0 270
第四章 形状记忆材料与智能材料
教学重点： 形状记忆效应 形状记忆合金和形状记忆陶瓷的性能特点 智能材料的概念及基本结构
形状记忆材料和智能材料
4.1 形状记忆材料 4.2 智能材料
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
形状记忆材料 具有形状记忆效应的材料——形状记忆材料 形状记忆效应(Shape Memory Effect ,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。
Af
升温
As
0
图7
温度
随温度变化发生马氏体相变时电阻的变化
Ms——冷却时产生热弹性马氏体的起始温度 Mf——冷却时转变的终止温度 As——升温时逆转变的起始温度 热弹性马氏体实验演示1 热弹性马氏体实验演示2 Af——逆转变终止温度
形状记忆材料 具有较 低的对 称性的 正交或 单斜晶 系，内 部是孪 晶变形 或层错
图9 形状记忆合金晶体结构变化模型
超弹性或伪弹性
超弹性片段演示
图10
形状记忆合金发生超弹 性变形的应力应变曲线 (Af温度以上加载）
应力诱发马氏体相变
在T0与Ms之间的某一温度对合金施加外力也可引 起马氏体转变。
应力诱发马氏体演示片断1
应力诱发马氏体演示片断2
由外部应力诱发产生的马氏体相变称为应力诱 发马氏体相变 (Stress-Induceed Martensite Transformation)。
形状记忆材料
4.1.1 马氏体相变与形状记忆原理 大部分合金和陶瓷记忆材料是通过热弹性马氏体 相变而呈现形状记忆效应。 普通的马氏体相变是钢的淬火强化方法，即把钢加 热到某个临界温度以上保温一段时间，然后迅速冷 却，钢转变为一种马氏体结构，并使钢硬化。
A
冷却
奥氏体(A) 加热 钢的马氏体相变不可逆 马氏体(M)
(b) 放入热水后
(c) 得到一定回复后的形状
(d) 进一步回复后的形状 图
(e) 冷至室温后
全程TiNi记忆合金花的动作变化情况
形状记忆材料
4.1.1 马氏体相变与形状记忆原理
热弹性马氏体相变 超弹性和伪弹性 应力诱发马氏体相变
4.1.2 主要的几类形状记忆合金 4.1.3 形状记忆陶瓷
图2 双程形状记忆效应
（a）没放入热水前 图
(b) 放入热水后 划水型热机的动作变化情况
(c)凉至室温后
（a）没放入热水前 (b) 放入热水后 (c)凉至室温后 图 高温伸长的双程CuZnAl记忆合金弹簧的动作变化情况
高温缩短的双程CuZnAl记忆合金弹簧 该弹簧也是用CuZnAl记忆合金丝绕制成的，同样利用了 形状记忆合金的双程记忆效应，亦是一种随温度的变化可自行伸 缩的感温驱动元件。这种簧亦充分展示了工业用形状记忆合金元 件的典型结构形式。 以热水或热风为热源，伸缩温度为65℃-85℃，自由状态 即低温（室温）时为200mm，缩短状态即高温（65℃-85℃）时为 100mm。其动作变化情况见图。
PM c
Gs
—弹性应变能以外的相变阻力(近似为 定值)
形状记忆材料 G
GcP
GT
PM
GcM
PM GcPM Gnc Gs
PM GcPM Gnc Gs
MS T0
T
图6 马氏体相变驱动力与温度的关系
热弹性马氏体随温度变化的相变过程 降温
电 阻
Ms 低 马 Mf 温氏 相体 奥 母氏 相体
M
图4 45＃钢淬火工艺曲线
a) 奥氏体(多边形等轴晶粒)
b)板条状马氏体
图5 奥氏体与马氏体金相显微组织
形状记忆材料 在某些合金中发现热弹性马氏体相变： 马氏体一旦生成可以随着温度降低继续长大，当温度 回升时，长大的马氏体又可以缩小，直至恢复到原来 的母相状态，即马氏体随着温度的变化可以可逆地长 大或缩小——热弹性马氏体
形状记忆材料 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 (Shape Memory Alloys，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
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