化学与材料

形状记忆效应与形状记忆合金


一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性 变形，达到屈服点，就产生塑性变形，应力消 除后留下永久变形。但有些材料，在发生了塑 性变形后，经过合适的热过程，能够回复到变 形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应 （SME）。 具有形状记忆效应的金属一般是两种以上金属 元素组成的合金，称为形状记忆合金（SMA）
形状记忆合金的分类

（1）单程记忆效应 形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢 复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记 忆现象称为单程记忆效应。 （2）双程记忆效应 某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢 复低温相形状，称为双程记忆效应。 （3）全程记忆效应 加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相 同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆 效应。

形状记忆合金材料是一 种新型的功能材料，其 特点是在一定的外力作 用下可以改变其形态(形 状和体积)，但当温度升 高到某一定值时，它又 可完全恢复原来的形态。
通过形状记忆合金模仿肌肉的收缩 来实现人工肌肉的功能。用背部的 金属纤维振动翅膀
形状记忆合金的用途（一）
在航空上的应用—— 月球上的“奇葩”
在室温下用形状记忆合金制 成抛物面天线，然后把它揉 成直径5厘米以下的小团，放 入阿波罗11号的舱内，在月 面上经太阳光的照射加热使 它恢复到原来的抛物面形状。 这样就能用空间有限的火箭 舱运送体积庞大的天线了。
形状记忆合金的用途（二）
在医学上的应用
合金作为驱动元件，具有可动的肩、肘、腕及手 指的微型机械手。手指和手腕靠TiNi合金螺旋弹 簧的伸缩实现开闭和弯曲动作，肘和肩是靠直线 状的TiNi合金丝的伸缩做弯曲动作，各个形状记 忆合金驱动元件都由直接通上的脉宽可调电流加 以控制。
合金(二)
wk.baidu.com形状记忆合金
形状记忆合金的发现
20世纪60年代初，美国马里兰州海军军 械研究所的科学家比勒，用镍钛合金丝做试验。 这些合金丝弯弯曲曲，为了使用方便，他把这 些合金丝弄直了。但是，当他无意中把合金丝 靠近火的时候，奇迹发生了：已经弄直的合金 丝居然完全恢复了它们原来弯弯曲曲的形状。
形状记忆合金的特点
形状记忆合金的用途归纳

(1)汽车：后雾灯罩、手动变速箱的防噪音装置、燃料 蒸发气体排出控制阀；(2)电子设备：电子炉灶换气门 的开闭器、空调风向自动调节器、咖啡牛奶沸腾感知 器、电饭锅压力调节器、电磁调理器过热感知器、温 泉浴池调理器等；(3)安全器具：过热报警器、火灾报 警器、烟灰缸灭火栓等；(4)医疗方面：人工牙根、牙 齿矫正丝、导线等；(5)生活用品：自动干燥库门开闭 器、卫生间洗涤器水管转换开关、空调进出口风向调 节器、浴池保温器、玩具、路标方向指示转换器、家 庭换气门开闭器、防火挡板、净水器热水防止阀、恒 温箱混合水栓温度调节阀、眼镜固定件、眼镜框架、 胸罩丝、钓鱼线、便携电话天线、装饰品等。
形状记忆合金的原料

真正实际中使用的形状记忆合金主要是 TiNi 合金和CuALBe合金，以及在这两种合金中添 加微量元素所组成的合金，因而形状记忆合金 的主要材料是镍、钛、铜、铍青铜等，其产地 分别是我国西部地区的金昌、遵义、白银、石 嘴山等。
合金具有“记忆”的原因

据科学家推测，金属的结晶状态，在被加热时和冷却 时是不同的，虽然外表没有变化，然而在一定温度下， 金属原子的排列方式会发生突变，这称为相变。能引 起记忆合金形状改变的条件是温度。分析表明，这类 合金存在着一对可逆转变的晶体结构。如含有Ti和Ni 各为50％的记忆合金，有两种晶体结构，一种是菱形 的，另一种是立方体的，这两种晶体结构相互转变的 温度是一定的。高于这一温度，它会由菱形结构转变 为立方体结构；低于这一温度，又由立方体结构转变 为菱形结构。晶体结构类型改变了，它的形状也就随 之改变。