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
学生姓名：王立鹏教学号：32130615学号：12130916形状记忆材料形状记忆效应是指具有一定形状（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。
形状记忆材料简称SMM，是指具有一定初始形状的材料经形变并固定成另一种形状后，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。
其分类主要是合金，陶瓷，高聚物。
最早发现并研究的是合金类形状记忆材料。
而其实质是合金内部热弹性马氏体形成，转变，消失的过程。
合金类（SMA）：1.Ti-Ni系形状记忆合金2.铜基系形状记忆合金3.铁基系形状记忆合金1.Ti-Ni系形状记忆合金：具有丰富的相变现象、优异的形状记忆和超弹性性能、良好的力学性能、耐腐蚀性和生物相容性以及高阻尼特性，是当前研究得最全面、记忆性好、实用性强、应用最为广泛的形状记忆材料。
Ti－Ni合金有3种金属化合物：TiNi2，Ti2Ni，TiNi(高温相为体心立方晶体B2，低温相为复杂的长周期堆垛结构，属于单斜晶体)，Ti－Ni SMA耐腐蚀、疲劳、磨损，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。
2.铜基合金的某些特性不及NiTi合金，但由于其加工容易，成本低廉(只及NiTi的1/10)，铜基系形状记忆合金种类比较多，主要包括Cu-Zn-Al及Cu-Zn-Al-X(X=Mn、Ni)，Cu-Al-Ni及Cu-A1-Ni-X(X=Ti、Mn)和Cu-Zn-X(X=Si、Sn、Au)等系列。
铜基系合金的形状记忆效应明显低于Ti-Ni合金，形状记忆稳定性差，表现出记忆性能衰退现象。
3.铁基合金的形状记忆效应，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。
SMA应用：连接紧固件，飞行器用天线，医学应用。
陶瓷类：氧化锆基陶瓷的形状记忆效应。
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
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。
形状记忆合金的机理及其应用
形状记忆合金的机理及其应用形状记忆合金，又称记忆合金，是一种具有记忆性能的特殊金属合金材料。
它能够在一定温度范围内实现弹性形变，并且在去除外力的情况下能够恢复原来的形状。
这种神奇的材料被广泛应用于医疗器械、航空航天、汽车制造等领域，具有非常重要的意义。
形状记忆合金的机理形状记忆合金是由金属元素和非金属元素的合金组成，其最著名的代表是镍钛合金（NiTi）。
这种合金具有独特的内部晶体结构，在一定温度范围内具有“记忆效应”。
形状记忆合金的记忆效应是由于其内部晶体结构的变化而产生的。
在形状记忆合金的相变温度范围内，晶体结构由低温相变为高温相，这种相变过程伴随着晶格的变化。
当形状记忆合金在高温相状态下被弯曲或拉伸，然后在低温相状态下重新加热时，晶体结构发生改变，原本被弯曲或拉伸的部分会恢复到原来的状态，这就是形状记忆合金的记忆效应。
1. 医疗器械领域形状记忆合金在医疗器械领域有着广泛的应用。
比如在心脏支架的制造中，形状记忆合金能够在体内被压缩成小体积，通过血管输送到需要的位置后再恢复成原来的形状，起到支撑作用。
在牙齿正畸治疗中，也可以使用形状记忆合金制成的矫正器，通过温度变化来调整器件的形状，从而达到矫正牙齿的目的。
2. 航空航天领域在航空航天领域，形状记忆合金也有着重要的应用。
比如在航空发动机的控制系统中，可以使用形状记忆合金制成的零件来实现精确的控制和调节。
还可以利用形状记忆合金制成的材料来制造航天器的折叠结构，以减小发射时的体积，节约空间和成本。
3. 汽车制造领域在汽车制造领域，形状记忆合金被广泛用于汽车零部件的制造。
比如在汽车发动机的喷油系统中，可以使用形状记忆合金制成的喷嘴，通过温度变化来控制油水的喷射角度和强度，从而提高发动机的燃烧效率。
在汽车碰撞安全系统中，形状记忆合金也可以用来制造碰撞缓冲材料，以提高汽车的碰撞安全性能。
形状记忆合金的原理
形状记忆合金的原理形状记忆合金（SMA）是一种具有特殊性能的金属合金材料，它可以在受到外界作用力后发生形状改变，并且在去除外力后能够恢复原来的形状。
这种材料的原理是基于固态相变的特性，具有独特的记忆效应，因此在许多领域得到了广泛的应用。
形状记忆合金最早是由美国海军研究实验室在20世纪60年代发现的，最典型的形状记忆合金是镍钛合金，也称为记忆合金。
它的记忆效应是通过固态相变来实现的，即在固定的温度下，合金会从奥氏体相转变为马氏体相，从而产生形状记忆效应。
当合金处于高温状态时，它会变得柔软并且可以随意变形；而当合金被冷却到特定温度时，它会恢复原来的形状。
形状记忆合金的原理主要包括两个方面，固态相变和形状记忆效应。
固态相变是指在固态条件下，材料的结构发生可逆性的相变，而形状记忆效应是指材料在经历形变后，能够恢复原来的形状。
这两个原理共同作用，使得形状记忆合金具有了特殊的性能。
形状记忆合金的固态相变是通过温度来实现的。
在高温下，形状记忆合金处于奥氏体相，此时合金具有良好的塑性和可塑性，可以被加工成各种形状。
当合金被冷却到特定的温度时，会发生相变，从奥氏体相转变为马氏体相。
在这个过程中，合金会发生形状记忆效应，即恢复原来的形状。
这一过程是可逆的，当再次加热合金时，它会再次变为奥氏体相，形状也会再次变化。
形状记忆合金的应用非常广泛，包括医疗器械、航空航天、汽车制造等领域。
在医疗器械中，形状记忆合金可以用于制作支架、植入物等，利用其形状记忆效应可以在体内完成形状的调整和恢复。
在航空航天领域，形状记忆合金可以用于制作航天器的折叠结构，可以在太空中完成形状的调整和展开。
在汽车制造领域，形状记忆合金可以用于制作汽车零部件，可以在受到外力作用后恢复原来的形状，提高汽车的安全性和可靠性。
总的来说，形状记忆合金是一种具有特殊性能的金属合金材料，它的原理是基于固态相变和形状记忆效应。
这种材料具有广泛的应用前景，可以在许多领域发挥重要作用，为人类社会的发展做出贡献。
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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第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
马氏体相变的特征温度 （形状记忆效应的特征 温度） Ms:马氏体相变开始点 Mf:马氏体相变结束点 As :逆马氏体相变开始点 Af :逆马氏体相变结束点
Au-47.5wt%Cd和Fe-30wt%Ni 合金的马氏体相变热滞
华南理工大学 朱敏
华南理工大学 朱敏
设：环境温度为约330 K
第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
应力诱发马氏体相变发生的限度 但是，若合金的Ms远远低于环境温度，需要施 加很大的应力Ms才能升高到环境温度。由于应 力太大，材料在马氏体形成之前已发生严重的 塑性变形，甚至使材料被破坏，导致马氏体相 变不能发生。习惯上应力诱发马氏体相变能够 发生的最高温度用Md表示。
不 变 平 面 应 变
（1）点阵对应 （2）畸变 （3）转动
华南理工大学 朱敏
第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
马氏体相变的基本特征 •无扩散切变型相变 •点阵不变平面应变 •固定取向关系 •马氏体片内具有亚结构
•相变具有可逆性
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第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
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第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
（五）双程形状记忆效应 (Two way shape memory effect) 大多数记忆合金经过适当的工艺处理（又称为双程记 忆训练），会呈现双程形状记忆效应双程记忆效应是 指记忆合金样品由高温冷却由母相转变为马氏体时， 样品自动发生形状变化，达到预先赋予的形状，加热 使马氏体逆转变回母相时，它又自动回复到原先母相 状态的形状。与单程记忆效应相比，双程记忆效应中 样品完全转变回母相后，它的形状不能完全回复到母 相未经变形前的形状。即有一定的残余变形。这个残 余变形是在双程记忆训练过程中引入的，双程记忆效 应的产生与之有密切的关系。
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第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
马氏体转变 需要有很大 的过冷度 产生大量晶 体缺陷、界 面不可动
等相 相变 变时 阻应 力变 高能
马 氏 体逆转 变需要很大 的过热度
加热的过程中马 氏体将首先发生 分解，难以直接 逆转变回母相
氏非 体热 相弹 变性 马
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马氏体的自适应形成 由母相中形成马氏体时，产生一定的应变。显然， 不同取向的马氏体变体的应变在母相中的方向是 不同的。当某一变体在母相中形成时，产生某一 方向的应变场，随变体的长大，应变能不断增加， 变体的长大越来越困难。为降低应变能，在已形 成的变体周围会形成新的变体，新变体的应变方 向与已形成的变体的应变场互相抵消或部分抵消。 有均匀体积变化，无明显形状改变。
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第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
形状记忆过程 马氏体自适应形 （Ms – Mf） 宏观均匀变形， 无明显形状变化 马氏体再取向 （ Mf以下施加一 定限度内的应力） 有明显形状变化 马氏体逆转变 回母相 形状变化消失
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第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
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第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
超弹性效应的机理 由 应 力 诱 发 马 氏 体 相 变 (Stress induced martensitic transformation, 简称SIM)导致。 外加应力对马氏体相变的影响 （Clausius-Clapeyron）方程
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第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
堆垛面 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ相 堆垛序
马氏体
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第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
以Cu-Zn-Al记忆合金为例 母相的晶体结构：Fe3Al(D03) 立方晶系 马氏体的晶体结构：18R 单斜晶系 母相与马氏体之间的取向关系： (110)p//(128)M, [111]p//[210]M, (110)p偏离(001)M约4o
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第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
马氏体的对称性低 {128}晶面组的各 个晶面不等效 <210>晶向组中的 各个晶向不等效
马氏体中逆转变回母相时，并无多个 等效的取向关系，马氏体只能按其由 母相中形成的取向关系逆转变回母相 马氏体逆转变完成后，母相在晶体学上回复到 马氏体相变前的状态，晶体学上可逆。
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第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
（ 一 ） 实 验 现 象 忆形 过状 程记
变电 与 化阻 之 随对 相 变温 应 度的
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第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
（二）马氏体相变与热弹性马氏体相变 钢淬火变 硬的现象 马氏体相变晶 体学模型 f.c.c. b.c.c Bain 应变模型
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形状记忆过程 马氏体自适应形 （Ms – Mf） 宏观均匀变形， 无明显形状变化 马氏体再取向 （ Mf以下施加一 定限度内的应力） 有明显形状变化 超弹性过程 施加应力马氏体 沿应力方向择优 形成（Md以下） 有明显形状变化
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第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
例：Cu-34.1Zn-1.8Sn（at%）合金的Ms和As与拉伸应力的关系 在不施加外力时，合金的 Ms点为275 K，低于环境 温度，不发生马氏体相变。 施加外力，Ms升高，应力 达到80MPa时Ms升高至约 330 K，达到环境温度，马 氏体开始形成。应力继续 增加，Ms高于环境温度的 幅度更大，马氏体转变的 量随之增加，即马氏体由 应力诱发而形成。
马氏体完全再取向 后继续施加外力 发生不可回复 的塑性变形
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马氏体以滑移和 孪生的形式变形
出现位错、变形 孪晶等晶体缺陷
破坏合金的热弹性马氏体 相变，损害形状记忆效应
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（四） 应力诱发马氏体相变与记忆合金的超弹性 对母相状态的样品在Af温度以 上施加外力，随外力增加，样 品首先发生遵循虎克定律的弹 性变形，应力超过弹性极限后， 随应力的缓慢增加，样品的应 变显著增加，在一定的应变范 围内卸载，应变会完全消失， 如同弹性变形。这种现象称为 超弹性(Superelasticity)或伪弹 Cu-Al-Ni合金的超弹性应 力应变曲线 性(Pseudoelasticity)
∆G（T）PM = ∆Gc PM + ∆Gnc PM + ∆Gs ∆G（T）PM是母相转变为 马氏体的驱动力；∆Gc PM 是母相转变为马氏体的化 学驱动力（∆Gc PM=G M G P）；∆Gnc PM是非化学 驱动力，主要是相变时新 旧相体积变化而产生的应 变能；∆Gs是指弹性应变能 以外的相变阻力，近似看 作定值。 马氏体相变时自由能变化
第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
马氏体转变 只需要很小 的过冷度 马氏体逆转 变 不 需要过 热 ， 由弹性 能驱动
随马氏体形成、 弹性应变能增 加缺陷少、界 面可动 加热的过程中马 氏体直接逆转变 回母相
等相 相变 变时 阻应 力变 小能
氏热 体弹 相性 变马
相变在化学驱动力和弹性应变能的动态平衡下进 行。冷却时马氏体长大，加热时马氏体收缩，表 现出热弹性。
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第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
Cu-Al-Ni记忆合金中马氏体的形态
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马氏体的再取向 对组织为自适应马氏体的样品施加外力时，在较 小的应力作用下，马氏体变体以其应变方向与外 加应力相适应而再取向。即变体的应变方向与外 加应力方向最接近的变体通过吞并其它应变方向 与外加应力不相适应的变体而长大，直至整个样 品内的各个不同取向的变体最终转变成一个变体。 这时，由母相转变为马氏体所产生的相变应变不 再互相抵消，而是沿外加应力方向累积起来，样 品显示出宏观形状的变化。卸去应力后，变形保 持下来。
d H ( ) P M dT T0 ( ) P M
是外加应力；T0（）是在应力作用下母相与马氏 体间处于相平衡的温度、∆H() P-M是应力下相变的 热函，它是应力的函数；P-M 是应力诱发相变产生 的应变。随外加应力的增加，T0（）增加，Ms和Af 也相应增加,当变形温度低于Ms时马氏体形成。
功能材料
Functional Materials
朱 敏 华南理工大学机械工程学院 87113924
/mechatroni c/zhumin E-mail: memzhu@
第四章 形状记忆与智能材料
形状记忆现象与形状记忆材料： Shape Memory Effect（SME） 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。 发展概况： 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 智能材料（Smart materials)—— 综合系统
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马氏体 相变
第四章 形状记忆与智能材料
智能材料： 材料兼具传感、调节驱动、处理执行的功能，从而使 材料能根据所处环境的变化，使自身功能处于最佳状 态，仿佛具有智能一般。
智能材料常需与控制单元、传感器、计算机等集成在 一起，所有又常称为智能材料系统。 本章主要内容：