形状记忆材料
形状记忆材料及其应用
❖ 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。
❖ 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。
人造心脏
❖ 去掉保温材料，管接头温度上升 到室温，内径恢复到扩径前状态， 牢牢箍紧被接管。
形状记忆管接头
智能机器人
❖ 形状记忆合金可制成驱动器、 控制器等应用在智能机器人中。
❖ 形状记忆驱动器通过适当加热 和控制，可完成往返或旋转运 动，兼之具有感温功能。
❖ 形状记忆控制机构同传统伺服 控制机构相比，一个形状记忆 元件就可起到传统机构中传感、 驱动和传递三系统功能的作用。
医疗应用
❖ 治疗粉碎性髌骨骨折比较困难，我国设计了一种用 于治疗髌骨骨折的形状记忆NiTi聚髌器，现已成功 用于临床治疗之中。
❖ 聚髌器由功能爪和连接腰组成，能从多个方向产生 恢复力并作用于髌骨，持续地以纵向聚合加压，将 粉碎的髌骨聚合于解剖位置直至骨折愈合。
ห้องสมุดไป่ตู้聚髌器
❖ 当心脏出现毛病，不可能用手术治疗时，不得不依 赖于心脏移植或人工心脏。
智能控制器
下图为具有相当于肩、肘、腕、指等的5维自由度的 微型机器人试制品，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。
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。
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
高分子材料的形状记忆性能研究
高分子材料的形状记忆性能研究形状记忆材料是一类具有特殊性能的材料，在受到外界刺激时能够回复其原有形状。
这一特性在许多领域都有潜在应用，例如医疗、电子、航空航天等。
而高分子材料是一类常见的形状记忆材料，其研究一直备受关注。
本文将探讨高分子材料的形状记忆性能，以及相关研究进展和应用前景。
1. 形状记忆材料的原理形状记忆材料具有两个基本状态：一是其正常状态，也称为高温状态，该状态下材料保持着其所具有的原始形状；二是其特殊状态，也称为低温状态，该状态下材料会发生一定程度的形状变化。
形状记忆材料的形状记忆性能主要依赖于两种基本原理：热致形状记忆效应和应力驱动形状记忆效应。
2. 高分子材料的形状记忆性能高分子材料是一类具有长链结构的聚合物材料，其形状记忆性能主要通过调控其结构和组成来实现。
高分子材料的形状记忆性能可以通过改变温度、应力或其他外界刺激来实现形状的转变和恢复。
具体而言，高分子材料的形状记忆性能可以通过以下几个方面来评价和研究：转变温度、形状记忆率、形状恢复速度和循环稳定性。
3. 影响高分子材料形状记忆性能的因素在研究高分子材料的形状记忆性能时，有许多因素会对其性能产生影响。
其中，材料的结构和组成是最为重要的因素之一。
高分子材料的结构可以通过控制聚合物的交联度、分子量以及交联点的类型和密度来实现对形状记忆性能的调控。
此外，材料的加工方法、处理过程、外界刺激等也会对形状记忆性能产生影响，因此需要对这些因素进行精确控制和研究。
4. 高分子材料形状记忆性能的研究进展高分子材料的形状记忆性能一直备受研究者的关注。
近年来，许多新型材料和制备方法被提出和应用于高分子材料的形状记忆性能研究中。
例如，利用纳米颗粒增强材料的形状记忆性能，通过界面改性增加材料的形状恢复速度等。
这些研究为高分子材料的形状记忆性能提供了新的途径和思路。
5. 高分子材料形状记忆性能的应用前景高分子材料的形状记忆性能在众多领域具有广阔的应用前景。
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。
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。
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形状记忆材料
一、材料简介
形状记忆材料是指具有形状记忆效应的工程材料，是一种智能型多功能材料，集敏感和驱动功能于一体，输入热量就可对外做功。
在各工程技术、医学领域有着广阔的应用前景。
该材料是具有一定形状的固体在一定条件下经一定塑性变形后，当加热至一定温度时又可完全恢复至原形状的新型材料。
即它能记忆母象的形状，具有SME 的合金，称为记忆合金（SMA）。
形状记忆效应是1951年美国Read等人在AUCD合金中首先发现的，1953年在
R8-合金中也发现了同样现象，但当时并没有过多的引人注目。
直到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,这是形状记忆合金的第一个批量产品；二是日本大阪大学清水和大塚对所发现的形状记忆合金进行综合研究后发现这些合金有共性：它们都有热弹性马氏体相变。
形状记忆合金的制造一般需要熔铸、加工、成形、形状记忆处理等几大步骤。
形状记忆高分子的制法与普通高分子的制法基本相同，既可以采用浇注法直接制得制品，也可以采用双螺杆挤出机，先制得粒料然后再注射成型。
对于热塑性的形状记忆高分子多采用先制成粒料再成型的方法。
成型前粒料必须除去水分，否则会使物性下降，外观变差。
对于热固性的形状记忆高分子则多采用浇注法、固化脱模后硫化即得具有“原始形状”的制品，再经二次成型得形状记忆高分子。
制造工艺图如下：
铸锭均匀化热锻热轧
热旋热拉最终热处理
中间退火冷拉
二、材料的类别与性能
形状记忆材料目前有20多种，最引人注目的的是Ni-Ti基、Cu-Zn-Al、Fe-Mn-Si和Cu-Al-Ni合金等。
他们的主要性能及特点分别概括为：
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。
但存在原材料价格昂贵，制造工艺困难，切削加工性能差等不足。
2、Fe基合金具备强度高，塑性好，价格便宜等优点。
3、Cu基合金价格便宜，生产过程简单，具备良好的SME，电阻率小，加
工性能好。
但长期或反复使用时，形状回复率会减小。
4、形状记忆聚合材料质轻、易成型、耐腐蚀、电绝缘。
三、材料的应用领域
形状记忆合金的应用实例
应用领域及实例
土木建筑固定铆钉、空隙密封、异径管连接
机械制造自动启闭阀门、热收缩套管、防音辊、防震器、连接装置、衬里材料、缓冲器
电子通讯电子集束管、电电磁屏蔽材料、光记录媒体、电缆防水接头
印刷包装热收缩薄膜、夹层复盖、商标
医疗卫生绷带、夹板、矫正材料、扩张血管、四肢模型材料
日常用品便携式饮具、餐具、头套、乳罩、人造花、领带、衬衣领、残疾人专用勺
文体娱乐文具、教具、玩具、体育保护器材
其他商品识伪、火灾报警装置
应用实例1969年“阿波罗”11号登月宇宙飞船，安装在飞船上的一小团天线，在阳关照射下迅速展开，伸展成半球状，开始了自己的工作。
地、月之间的信息就是通过它传输的。
这个半球状天线就是形状
记忆合金制成的。
极薄Ni-Ti形状记忆合金现在正常情况下按预定
要求作成半球状天线，然后减低温度把它压成一团，装进登月宇宙
飞船带上天去。
当到达月面后，阳关照射下在温度升高至一定温度
时，天线又“记忆”起自己的本来面貌，故而恢复成一个半球状天
线。
四、材料的应用现状
从上世纪50年代中期开始各国都积极致力于对形状记忆合金应用的开发。
该合金逐步广泛用于电子、电器、汽车、机械、能源、家电、宇航、建设、医疗等领域中。
上世纪70年代许多记忆合金产品相继问世：
固紧力大、气密性好、可避免熔焊时焊缝区性能恶化和飞机机身损伤的管接头。
这种管接头在F4战斗机油压系统和石油企业输油管道系统的管材连接上已经大量得到应用。
美国海军飞机上使用了96万根以上，尚未发生任何事故。
记忆铆
钉特别适用于不能触到部位的连接和有强烈射线源板材的连接，因此将在原子能反应堆上大量得到应用。
形状记忆合金在医学上的应用实例有血栓过滤器、脊椎矫形棒、脑动脉瘤手术夹、人造心脏、人造肾脏瓣膜、骨折部位固定用接骨板、各种支架等。
从地面发射带有很大天线的宇航飞行器是非常困难的，但用Ti-Ni 合金丝制成的天线成功地解决了这一难题。
这些是利用形状记忆合金单程形状恢复特性。
热机（又称固体发动机）是双程内因性形状恢复利用的典型例子，尽管效率很低但在太阳热、工厂废热、汽车废热、地热、电站废热等低能热的回收上却用处很大，可以把这些热能转换成电能。
形状记忆合金的应用绝大部分是利用外因性双程形状恢复的，其中控温器和驱动器为最多，如室温控制用恒温器、温室窗户开闭器、全自动电子干燥剂用电子元件开闭器、汽车散热器、报警器TN-Ni合金耐蚀耐磨性能好，在沸水型原子反应堆和高压水型原子反应堆中用作冷却水泵耐蚀耐磨件，成功实现了反应堆冷却水净化系统重要部位的不检修。
形状记忆合金还用于眼镜框边丝、特殊弹簧、牙齿矫形用唇弓丝、贮能材料、防震材料和消声材料等。
五、材料未来应用的瞻望
交通工具：将形状记忆材料制成自行车、汽车等交通工具，可以使它们在某个温度下记忆不同的大小外型，方便交通工具的停放问题，缓解交通压力
和停车压力。
住房：运用形状记忆材料制成的住房可以方便的移动，既节省空间又有效发挥了原材料特殊功效。
能量转化：利用形状记忆材料的特点，将材料制成水轮机的形状，使它记得在室温与一定温度的形状，将水轮机至于热水中，利用不同温度下的形状
差异产生的势能，推动水轮机的转动，进而可以用来发电。
虽然形状记忆材料现在已经成规模地应用到部分领域中了，但对于它的普及还需要一段时间。
相信通过世界众多科研工作者的努力，终有一天会让它更出色地为我们的生产生活服务。