形状记忆材料

远在战国和西汉，我国已将钢剑加热（呈面心立
方结构的奥氏体状态），然后淬火（在一定介质中快
冷），使剑可以“削铁如泥”。
这个淬火过程是由高温面心立方相奥氏体转变为低
温体心立方或体心正方相马氏体的相变过程。
这个相变属于结构改变型形变，即材料由一种晶体结构改 变为另一种晶体结构。
在无机物里常见的立方晶格有三种，一种是简单立 方，另一种是在简单立方的中心插入一个粒子，这 是体心立方;再一种是在简单立方的每个面的中心各 插入一个粒子，这是面心立方。
淬(cuì)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。
马氏体相变：由高温奥氏体(面心立方相) 转变为
低温马氏体(体心立方或体心四角相) 的无扩散性相变。 逆相变：重新加热时马氏体无扩散的转变为奥氏
体的相变。
右图为随温度变化发生马氏体相 变时电阻的变化： Ms是马氏体相变开始的温度 Mf是马氏体相变终止温度 As是逆相变开始温度 Af是逆相变终止温度（在此温度 以上，马氏体变得完全不稳定）
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。
(a) 原始形状
(b) 拉 直
(c) 加热后恢复
用这种“记忆金属”造出汽百度文库，万一 被撞瘪，只要浇上一桶热水就可恢复到原 来的形状。
虽然这些都还没有实现或者普及，但也能从 中反应出形状记忆材料存在的巨大的发展潜力
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概念 原理 分类 应用
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形状记忆材料(shape memory materials，简称SMM)：
是指具有一定初始形状的材料经形变并固定成
形状记忆效应简易演示实验
对于普通金属材料， 受到外力作用时，当应力 超过屈服强度时，产生塑 性变形，应力去除后，塑 性变形永久保留下来，不 能恢复原状。
形状记忆效应，如左 图，材料加载过程中，应 变随应力增加，OA段为弹 性变形的线性段，AB为非 线性段，由B点卸载时，残 余应变为OC，将此材料在 一定温度加热，则残余应 变降为零，材料全部恢复 原状。
另一种形状后，通过热、光、电等物理刺激或化学刺 激的处理又可恢复成初始形状的材料。
形状记忆材料的历史
LOGO 形状记忆效应是1951年美国Read等人在AUCD合 1953年在R8-合金中也发现了同 1964 年美国Buehler等人在Ti-Ni合金中发现形状记忆效 应后，该新型材料才受到世界瞩目，科学家们才逐 步开展起对它的研发和利用。20世纪60年代中期出 现了Ti-Ni合金制造的人造卫星天线和能量转换热机。 1970年在形状记忆合金历史上有两项重大突破:一 是Ti-Ni合金管接头在F14飞机油压管路连接上大量 应用, 本大阪大学清水和大塚对所发现的形状记忆合金进 性马氏体相变。
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。
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形状记忆材料的种类
又称可逆形状记忆效应。材料加热时恢复高 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地恢复高低温相的形状。
• 全程形状记忆效应
材料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。 它是一种特殊的双程形状记忆效应，只能在 富镍的Ti-Ni合金中出现。
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马氏体相变
当温度下降到Ms点时，合金的电阻随温度的变化呈偏离线性 下降的直线，表明马氏体开始形成；温度降低到Mf点以下时， 合金的电阻随温度的变化又呈线性下降的直线，表明母相完 全转变为马氏体。 类似地，将合金从低于Mf点以下的温度加热到As点时，开始 逆转变为母相，加热到Af点时马氏体完全转变为母相。
1.3 形状记忆机理
有序点阵结构的母相与马氏体相变的孪生结构具有共格性， 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。其晶体结构变化模型如图 11-5。 （a）将母相冷却到发生马氏体相变，形成24种马氏体变体， 由于相邻变体可协调生成，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，变体界面移动，相互吞食，形成 马氏体单晶，出现宏观变形； （c）由于变形前后马氏体结构没有变化，当去除外力时，无 形状改变； （d）当加热发生逆相变，马氏体通过逆转变恢复到母相形状。 双程和全程记忆效应机理比较复杂，有许多问题尚未搞清。
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形状记忆合金 形状记忆陶瓷 形状记忆聚合物
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二、材料的类别与性能 形状记忆材料目前有20 是Ni-Ti基、Cu-Zn-Al、Fe-Mn-Si和Cu-Al-Ni合金等。 他们的主要性能 1、Ni-Ti基 具有优异的SME、高耐热性、耐蚀性、高强度以及其 他材料无 可比拟的耐热疲劳性与良好生物相容性。但存在原材料价 2、Fe基合金 3、Cu基合金 4、形状记忆聚合材料
SME 质轻、易成型、耐腐蚀、电绝缘。
电阻率
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形状记忆效应示意图 SMA4.avi
按形状恢复情况可分为：
单程形状记忆效应 双程形状记忆效应 全程形状记忆效应
形状记忆效应
• 单程形状记忆效应
材料在高温（奥氏体状态）下制成某种形状， 在低温（马氏体状态）时将其任意变形，再加热 时恢复高温相形状，而重新冷却时不能恢复低温 相的形状。
• 双程形状记忆效应
化学1201 陈鸿睿 41266011 化学1201 林晓海 41266014
在日常生活中，我们身边就有形状记忆 材料的身影。比如，我们所戴眼镜的框架就 是用形状记忆合金制成的。
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人们盖上用记忆合金丝混合羊毛织成的毛毯 后，如毛毯温度过热，它就会自动掀开一部分， 适当降低温度，使人睡得更安稳。