形状记忆材料
形状记忆材料的研究与应用
形状记忆材料的研究与应用形状记忆材料是一种新型的智能材料，它可以通过外力或温度变化来改变形状，并保持这种新形状，直到再次受到刺激恢复原状。
这种材料被广泛应用于医学、机械工程、电子学、航空航天等领域，为人类的发展带来了巨大的贡献。
形状记忆材料的来源形状记忆材料最初是由NASA的科学家发现的，他们发现镍钛合金的变形过程中有独特的记忆效果。
在进行一系列测试之后，他们发现这是由这种合金的微结构所决定的。
这项发现启发了科学家进一步探究这种材料的性质，并在后来的研究中发展了许多新的形状记忆材料。
形状记忆材料的原理形状记忆材料的主要原理是“相变记忆效应”，即在材料在变形过程中不断产生内部应力能，当材料被重新变回原来的形状时，这部分能量将被释放出来。
形状记忆材料的另一个重要特性是“变形记忆效应”，即当材料被变形时，它可以“记住”这种新形状，并在受到刺激时恢复原状。
形状记忆材料的应用医学领域形状记忆材料在医学领域中有着广泛的应用，例如使用于血管支架、心脏助辑器等医疗器械中。
这些医疗器械可以通过体内温度的变化自动进行形状变化，以适应人体的不同情况，从而实现更有效的治疗效果。
机械工程领域形状记忆材料在机械工程领域中也有着广泛的应用，例如使用于自适应尺寸组件、能量吸收器等机械部件中。
这些机械部件可以通过外力的作用来变形，从而适应不同的工作环境。
例如在汽车碰撞时，形状记忆材料可以吸收能量，保护乘客的生命安全。
电子学领域形状记忆材料在电子学领域中的应用比较新颖，例如在电池、传感器、微机器人中应用。
这些电子器件可以通过形状记忆材料的形状改变，来实现更灵活、更智能的功能，例如微机器人可以通过变形来穿过微型管道，进而实现内窥镜检查等操作。
航空航天领域形状记忆材料在航空航天领域中的应用主要体现在飞行器的结构与外形设计上。
例如在航空器的外壳材料中，形状记忆材料可以实现自主调节，适应不同的飞行速度、飞行高度等环境条件，从而实现更好的飞行效果。
材料的形状记忆效应研究与应用
材料的形状记忆效应研究与应用材料的形状记忆效应是指某些特殊材料在受到外界力引起形变后，通过加热或者去除外界力，并保持在一定温度范围内，就能恢复到其原本的形状。
这种形状记忆的材料具有广泛的应用潜力，在工程技术和生物医学等领域都有重要的研究价值和应用前景。
一、形状记忆合金材料形状记忆合金是一种具有形状记忆效应的智能材料，其最典型的代表是镍钛合金（Ni-Ti合金），又被称为“记忆合金”。
形状记忆合金材料可以根据温度、应力或磁场等外界条件发生普氏体与马氏体相变，从而实现形状记忆效应。
这种材料在航空航天、汽车工业、电子设备等多个领域有广泛的应用，如飞机机翼的变形控制、自动调节阀门的控制等。
二、形状记忆聚合物材料形状记忆聚合物是指通过交联聚合改性的聚合物材料，具有形状记忆效应。
相比于形状记忆合金，形状记忆聚合物具有更高的拉伸性和可塑性，更适用于柔性器件和生物医学领域的应用。
形状记忆聚合物可以根据温度、湿度、pH值等外界刺激发生形变和恢复，可以用于制造智能温度传感器、人工肌肉、缓释药物输送系统等。
三、形状记忆液晶材料形状记忆液晶材料是指基于液晶原理、具有形状记忆效应的材料。
这种材料可以根据温度、光照等外界条件实现晶相的改变，从而实现形状的变化与恢复。
形状记忆液晶材料在显示技术、光学器件等领域有重要的应用，如切换窗帘、光学透镜等。
四、形状记忆仿生材料形状记忆仿生材料是指通过仿生学原理，设计和制造具有形状记忆效应的材料。
这种材料可以模拟生物体内的运动和形变过程，实现形状记忆效应。
形状记忆仿生材料在仿真机器人、医疗器械等领域有广泛的应用，如可变形手术器械、自适应机械臂等。
五、形状记忆材料的应用前景形状记忆材料具有广阔的应用前景，可以在机械、电子、医疗等多个领域发挥重要作用。
形状记忆合金可以用于智能结构、微机械系统等领域；形状记忆聚合物可以用于柔性传感器、人工肌肉等领域；形状记忆液晶材料可以用于光学、显示等领域；形状记忆仿生材料可以用于仿真机器人、生物医学等领域。
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。
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
形状记忆材料形状记忆材料是一种具有形状记忆效应的智能材料，它可以在外界刺激作用下发生可逆性相变，并恢复到原始形状。
这种材料在医疗、航空航天、汽车、电子、纺织等领域都有着广泛的应用前景。
首先，形状记忆材料在医疗领域有着重要的应用。
比如在心脏手术中，可以利用形状记忆材料制成的支架，通过体内导丝的方式将支架送达到病变血管处，然后支架会在体温的作用下恢复到原始形状，起到支撑和固定血管的作用。
此外，形状记忆材料还可以用于制作人工关节和矫形器等医疗器械，为患者提供更好的治疗和康复条件。
其次，形状记忆材料在航空航天领域也有着重要的应用。
航天器在进入大气层再次返回地面的过程中，需要经受高温和高压的影响，这就需要航天器表面的材料能够承受这些极端环境的影响。
形状记忆材料可以在外界温度和压力的作用下发生形状变化，因此可以用于制作航天器的外层材料，提高航天器的耐高温和耐高压能力。
另外，形状记忆材料还可以应用于汽车制造领域。
比如利用形状记忆合金制成的车身零部件，可以在碰撞时发生形状变化，吸收碰撞能量，提高汽车的安全性能。
此外，形状记忆材料还可以用于汽车发动机的阀门和传感器等部件，提高汽车的性能和稳定性。
此外，形状记忆材料还可以应用于电子和纺织领域。
在电子领域，形状记忆材料可以制成电子元件的外壳，提高电子元件的耐高温和耐腐蚀能力。
在纺织领域，形状记忆材料可以制成具有自修复功能的纺织品，延长纺织品的使用寿命。
总的来说，形状记忆材料作为一种智能材料，具有广泛的应用前景。
它在医疗、航空航天、汽车、电子、纺织等领域都有着重要的应用，为各行各业的发展和进步提供了有力的支持。
随着科学技术的不断进步，相信形状记忆材料会在未来发展出更多更广泛的应用。
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。
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。
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。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第七章形状记忆材料形状记亿材料是一种特殊功能材料，这种集感知和驱动于一体的新型材料可以成为智能材料结构，而备受世界瞩目。
1951年美国Read等人在Au—Cd合金中首先发现形状记忆效应(Shape Memory Effect，简称SME)。
1953年在In—T1合金中也发现了同样的现象，但当时未能引起人们的注意！直到1964年布赫列等人发现Ti—Ni合金具有优良的形状记忆性能，并研制成功实用的形状记忆合金“Nitinol”,引起了人们的极大关注，世界各国科学工作者和工程技术人员进行了广泛的理论研究和应用开发。
形状记忆合金已广泛用于人造卫星天线、机器人和自动控制系统、仪器仪表、医疗设备和能量转换材料。
近年来，又在高分子聚合物、陶瓷材料、超导材料中发现形状记忆效应，而且在性能上各具特色，更加促进了形状记忆材料的发展相应用。
第一节形状记忆效应一、形状记忆效应具有一定形状的固体材料，在某一低温状态下经过塑性变形后，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的现象，称为形状记忆效应。
具有形状记忆效应的材料称为形状记忆材料。
例如，在高温时将处理成一定形状的金属急冷下来，在低温相状态下经塑性变形成另一种形状，然后加热到高温相成为稳定状态的温度时通过马氏体逆相变会恢复到低温塑性变形前的形状。
具有这种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)。
形状记忆效应可分为3种类型：单程形状记忆效应、双程形状记忆效应和全程形状记忆效应。
图4—l表示3种不同类型形状记忆效应的对照。
所谓单程形状记忆效应就是材料在高温下制成某种形状，在低温时将其任意变形，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。
若加热时恢复高温相时的形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降自发可逆的反复恢复高低温相形状的现象称为双程形状记忆效应。
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称为全程形状记忆效应。
它是一种特殊的双程形状记忆效应，只能在富Ti-Ni合金中出现。
二、形状记忆效应机理大部分合金和陶瓷记忆材料是通过马氏体相变而呈现形状记忆效应。
马氏体相变具有可逆性，将马氏体向高温相（奥氏体）的转变称为逆转变。
形状记忆效应是热弹性体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。
设Ms、Mf分别表示冷却时奥氏体向马氏体转变的开始温度和终了温度，As、Af表示加热时马氏体向奥氏体逆转变的开始温度和终了温度。
具有马氏体逆转变，且Ms和As温度相差（称为转变的热滞后）很小的合金，将其冷却到Ms点以下，马氏体晶核随着温度下降而逐渐长大；温度回升时，马氏体相变又反过来同步的随温度上升而缩小，马氏体相的数量随温度的变化而发生变化，这种马氏体称为热弹性马氏体。
在Ms以上某一温度对合金施加外力也可以引起马氏体的相转变，所形成的马氏体叫应力诱发马氏体。
若热弹性马氏体相变驱动力小，在低于Ms点的温度下，通过降温进行热弹性马氏体相变，从而呈现形状记忆效应。
这种特性与参数关系见图4-2。
因此，形状记忆效应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研究表明，合金呈现形状记忆效应必须具备如下条件：(1)马氏体相交是热弹性的；(2)母相与马氏体相呈现有序点阵结构；(3)马氏体内部是李晶变形的；(4)相变时在晶体学上具有完全可逆性。
由于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。
形状记忆时晶体结构变化的模型如图4-3。
形状记忆效应历程可用图4—4表示，图中：1、将母相冷却到Ms点以下进行马氏体相变，形成24种马氏体变体，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；2、马氏体受外力作用时(加载)，受体界面移动，相互吞食，形成马氏体单晶、出现宏观变形(ε)；3、由于变形前后马氏体结构没有发生变化，当去除外应力时(卸载)无形状改变；4、当加热高于A f点的温度时，马氏体通过逆转变恢复到母相形状。
双程记忆效应和全程记忆效应的机理比较复杂，有许多问题尚未搞清楚。
第二节形状记忆合金迄今为止，人们发现具有形状记忆的合金有50多种。
按照合金组成和相变特征，具有较完全形状记忆效应的合金可分为3大系列：钛-镍系形状记忆合金，铜基系形状记忆合金和铁系形状记忆合金。
它们的重要性能见下表表4-1 部分形状记忆合金性能比较项目量纲Ni-Ti Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni Fe-Mn-Si熔点℃1240--1310 950--1020 1000--1050 1320密度Kg/m3 6400--6500 7800--8000 7100—7200 7200电阻率10—6Ω0.5—1.10 0.07—0.12 0.1—0.14 1.1—1.2热导率w/(m·℃) 10--18 120(20℃) 75 --热膨胀系数10-6/℃10(奥氏体)6.6(马氏体) --16—18(马氏体)--16—18(马氏体)--15—16.5比热容J/(㎏·℃) 470--620 390 400--480 540 热电势10—9—13 -- -- --一、Ti—Ni系形状记忆合金Ti-Ni合金是目前所有形状记忆合金中研究得最全面、记忆性能最好、实用性强的合金材料。
表4--2列出了Ti—Ni形状记忆合金的各种性能。
Ti—Ni合金有3种金属化合物：Ti2Ni，TiNi和TiNi2。
图4—5为Ti—Ni合金的相图。
Ti—Ni的高温相为CsCl结构的体心立方晶体(B2)，低温相是一种复杂的长周期堆垛结构(B19)，属单斜晶系。
Ti—Ni形状记忆合金具有优良的力学性能，抗疲劳、耐磨损、抗腐蚀，形状记忆恢复率高，生物相容性好，是目前唯一用作生物医学材料的形状记忆合金。
而且Ti—Ni合金热加工成形性能好，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。
时效处理一方面能提高滑移变形的临界应力，另一方面能引起R相变。
R相变是B2点阵受到沿[111]方向的菱形畸变的结果。
通过时效处理，以及加入其他元素，可以提高Ti—Ni的记忆效应和加工性能，拓宽应用范围。
例如，Ti—Ni合金通过添加第三种元素、增加Ni的含量、低温时效处理等方法，可以提高母相的屈服强度，制成高屈服形状记忆合金，可用于机械能贮能装置的贮能元件。
在Ti—Ni合金中添加一定量的Nb，可制得宽滞后的Ti—Ni—Nb合金。
例如，Ni47Ti44 Nb9滞后宽度由34℃增到144℃，且As高于室温(54℃)。
这种Ti—Nj—Nb宽滞后记忆合金在室温下既能存储又能工作，工程使用极为方便。
美国Raychem公司于1986年12月申请了该项技术专利，1987年起生产这类宽滞后形状记忆合金器件、用于航空航天、船舶舰艇和海上石油平台等方面，作为液压管路接头。
近年来，由于高温热敏器件的大量应用，如防火装置和汽车发动机等热动元件的工作温度均超过100℃，核反应堆工程中要求记忆合金热敏驱动器件的动作温度高达600℃，为此开发出了TiNi1—xRx(R=Au、Pt、Pd等)和Til-xNiMx(M＝Zr、Hf等)系列高温记忆合金。
例如，Ti—Ni—Pd或Ti—Pd合金的Ms点可达200一500℃，而Ti—Ni—Pt或Ti—Pt合金的Ms点可达200一1000℃。
研制中的Ti—Pd—Fe、Ti—Pd—C r高温系列形状记忆合金，可用作核反应堆工程的热敏元件。
二、铜基系形状记忆合金铜基系形状记亿合金种类比较多，主要包括Cu—Zn—Al及Cu—Zn—AI—X(X=Mn、Ni)，Cu—A1—Ni及Cu—A1—Ni—X(X＝Ti、Mn)和Cu—Zn—X〔X＝Si、Sn、Au)等系列,表4—3列出了具有代表性的3类铜基形状记忆合金的成分和性能。
铜基系合金只有热弹性马氏体相变，比较单纯。
在铜基系形状记忆合金中，以Cu—Zn—A1合金的性能较好，可以根据实际需要，调整合金的成分，以改变材料的热弹性马氏体相变温度，应用日益广泛。
铜基系合金的形状记忆效应明显低于Ti—Ni合金。
而且形状记忆稳定性差，表现出记忆性能衰退现象。
这种衰退可能是由于马氏体转变过程中产生范性协调和局部马氏体变体产生“稳定化”所致。
逆相变加热温度越高，衰退速度越快；载荷越大，衰退也越快。
为了改善铜基系合金的循环特性，提高其记亿性能，可加入适量稀土和Ti、Mn、V、B等元素，以细化晶粒，提高滑移形变抗力；也可采用粉末冶金和快速凝固法等以获得微晶铜基系形状记忆合金。
通过变性处理，可得到有利的组织结构，提高记忆性能，避免铜系记忆合金热弹性马氏体的“稳定化”。
铜基系形状记忆合金的优点是原料来源充足，容易加工成形，价格较Ti—Ni合金低得多，转变温度较宽，热滞后小，导热性好，因此有一定的发展潜力。
三、铁基系形状记忆合金继钛镍和铜基合金之后，20世纪70年代以来，在许多铁基合金中发现了形状记忆效应，这些合金的成分和性能见表4—4。
铁基台金的形状记忆效应，既有通过热弹性马氏体相变来获得，也有通过应力诱发ε—马氏体相变(非热弹性马氏体)而产生形状记忆效应。
例如，Fe—Mn—Si合金经淬火处理所得的马氏体为热非弹性马氏休，属应力诱导型记忆合金。
在应力作用下马氏体不会发生再取向，其室温形状是通过在高于Ms温度的变形来成型的。
在此过程中，发生应力诱导γ—ε马氏体相变，当加热到高于A f温度时，发生ε—γ逆相变，从而实现形状记忆。
铁基形状记忆合金价格较Ti—Ni系和铜基系合金便宜得多，易于加工。
强度高，刚性好，因此受到国内外科学界的重视。
日前的研究集中在Fe—Mn—Si系合金上，它具有良好的形状记忆效应。
单向记忆性能完全恢复的变形量接近5%，其中Ms温度在室温附近，As大约为l20℃，相变滞后较大。
其特性见图4—5。
为了改善铁基系合金的形状记忆效应，可加人Ti、Cr、Co、Ni等元素，改进合金成分，改善加工工艺，促进其实用化.例如，Fe l4MnSi9Cr5Ni合金的形状恢复率可达5％，具有实用性。
6尽管铁基系合金的形状记忆特性比Ti—Ni合金差，但由于原料易得，成本低廉，可以采用现有的钢铁工艺进行冶炼和加工，适用作结构材料，也可作特种用途材料。
在应用方面具有明显的竞争优势，是很有发展前途的形状记忆合金材料。
第二节形状记忆陶瓷陶瓷材料具有许多优良的物理性质，尤其是功能陶瓷的大量涌现，在许多应用中显示出奇特优异的性能。
但陶瓷材料不能在室温下进行塑性加工，性质硬脆，因而限制了它的许多应用。
如果陶瓷材料具有形状记忆特性，则为陶瓷的成型加工开辟—条新的途径。