形状记忆合金

形状记忆合金在航空航天中的应用
智能机械手
2004年初登上火星的探测机器人“勇气”号、“机遇” 号
形状记忆合金在航空航天中的应用
记忆铆钉
在飞机的制造工艺中，需要用大量的连接件如铆钉和螺栓进行连接或紧固。 采用形状记忆合金制作紧固销钉，将是飞机制造业中的一项崭新的工艺技术。 它可以在某些很难进行操作的场合(如在密闭真空中), 较容易地实现材料的 链接和紧固。 铆钉尾部记忆成型为开口状,紧固前,将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,铆钉尾部叉开即可实现紧固。
形状记忆合金举例
Ti—Ni 系形状记忆合金:优良的力学性能,生 物相容性好。生物医学材料 铜基系形状记忆合金：易成型、价格低。 应 用广泛 铁基系形状记忆合金：强度高、加Cr 、N i 后能防腐不锈。 钢管的接头
形状记忆合金特性
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 镍~钛 50℃ 在加热时产生的回复应力非常大，可达500MPa 对环境适应能力强，不受温度以外的其他因素影响 无振动噪声，无污染 抗疲劳 回忆变形500万次不疲劳变形
（a）
（b）
（c）
形状记忆合金在生活中的应用
加热会变直的勺子
形状记忆合金在生活中的应用
（a）
（b）
（c）
形状记忆合金在生活中的应用
过热保护装置
用形状记忆合金弹簧可以设计一种过热保护的SMA驱动器， 以避免淋浴时意外烫伤。 正常工作时，热水的温度小于SMA的奥氏体相变温度，当水 温达到可能烫伤人的温度(大约48℃)时，SMA发生形变，从而 驱动阀门关闭，直到水温降到安全温度，阀门才重新打开。 可以转动手柄(a)让偏压弹簧失效使热水直接流过阀。
马氏体相下的膨胀套管
升温
奥氏体相下的紧缩套管
形状记忆无线电通信天线
形状记忆合金在医学中的应用
记忆食道支架
记忆食道架能在喉部膨胀成新的食道。必要时只要向食道 里加上冰块，“食道”又会遇冷收缩，从而可轻易取出，使 失去进食功能的食道癌患者提高了生活质量。
（a）预压缩
（b）受热扩张后
（c）植入腔道内效果
形状记忆合金在航空航天中的应用
自适应智能旋翼
形状记忆合金可应用于直升飞机的智能水平旋翼．由于直升飞 机的高震动和高噪声使使用受到限制。其噪声和震动的来源主 要是叶片涡流干扰，以及叶片型线的微小差。这就需要一种平 衡叶片螺距的装臵，使各叶片能精确地在同一平面旋转。目前 已开发出一种叶片的轨迹控制器。它是用一个小的双管形状记 忆合金驱动器控制叶片边缘轨迹上的小翼片的位臵，使其震动 降到最低。
形状记忆合金演示实验
(a)
(b)
(c)
什么是形状记 忆效应？
记忆高温相状态下的形状，即当该材料 在低温下变形后，在加热到较高温度， 逆转变为高温相时，变形可以完全消失， 并恢复到变形前高温相状态下的形态。 这种现象称为形状记忆效应（Shape Memory Effect 简称SME）。 具有形状记忆效应的材料，称为形状 记忆合金（Shape memory Alloy 简称 SMA）。
形状记忆合金在航空航天中的应用
月面天线
宇宙飞船登月之后，为了将月球上收集到的各种信息发回地球，必须在月球 上架设直径为好几米的半月面天线。要把这个庞然大物直接放入宇宙飞船的船舱 中几乎是不可能。但利用形状记忆合金则能使其成为可能。 先用镍钛合金在高温下制成半球形的月面天线（这种合金非常强硬，刚度很 好），再让天线冷却到28℃以下。这时，合金内部发生了结晶构造转变，变得非 常柔软，所以很容易把天线折叠成小球似的一团，放进宇宙飞船的船舱里。到达 月球后，宇航员把变软的天线放在月面上，借助于阳光照射或其他热源的加热使 环境温度超过奥氏体相变温度，这时天线犹如一把折叠伞那样自动张开，成为原 先定形的抛物状天线，迅速投入正常的工作。
其他应用
记忆汽车外壳
用形状记忆合金制造汽车的外壳，万一被撞瘪，只要 浇上一桶热水就可恢复到原来的形状。
记忆照明灯罩
用形状记忆合金制造的城市照明灯，有两瓣随着灯的亮 灭而逐渐张开或合上的金属叶片。白天，路灯熄灭，叶片 合上；傍晚，路灯亮起灯泡发热，叶片受热而逐渐张开， 使灯泡显露出来。
记忆衣服
用记忆合金丝混合羊毛织成衣服，当人运动后体温上升， 衣服就会根据人的体温自动地调整使衣服变得宽松，使人感 觉更舒适。
形状记忆合金在航空航天中的应用
记忆合金管接头
在飞机上通常装有各种不同直径的管道，对于一些异径管接头的连接，形状记忆 合金可以大显身手。 先将形状记忆合金材料加工成所要求的管材，然后经适当热处理使管材产生径向 膨胀，并快速冷却，即可制得马氏体相变后套管。应用时，将此套管套在需要连接 的两个管材的接头上，再用加热器将已膨胀的套管加热至其软化点（即奥氏体温度） 以上，膨胀管便收缩到初始形状，紧紧包覆在管接头。
形状记忆合金应用背景
形状记忆合金的发现过程
1932年 瑞典人欧勒特在观察某种金镉合金的Fra Baidu bibliotek能 时首次发现形状记忆效应。
1938年 哈佛大学的研究人员在一种铜锌合金中发 现了 一种随温度的升高和降低而逐渐增大或缩小的形状变化。但 当时并未引起人们的重视。 1962年 美国海军实验室在开发新型舰船材料时，在Ti-Ni 合金中发现把直条形的材料加工成弯曲形状，经加热后它的 形状又恢复到原来的直条形。从 此形状记忆合金引起了极大 的关注。
形状记忆合金记忆原理
从微观来看
Gγ Gγ－M
GM GM－γ
Ms
Tc
As
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。
形状记忆合金记忆原理
从宏观来看
形状记忆合金分类
单程记忆效应：在马氏体状态下受力变形，加热时恢复高 温相形状，冷却时不恢复低温相形状。 双程记忆效应：加热时恢复高温形状，冷却时恢复低温形 状，即通过温度升降自发地可逆地反复恢复高低温的形状。 全程记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状 相同而取向相反的高温相形状。这是一种特殊的双程记忆 效应。
形状记忆合金在生活中的应用
记忆合金花
利用CuZnAl形状记忆合金双程记忆恢复特性制成的记忆合金花瓣，动 作幅度为180°。采用CuZnAl记忆合金片，以热水或热风为热源，开放温度 为65℃~85℃，闭合温度为室温。花蕾直径80mm,展开直径200mm。
形状记忆合金在生活中的应用
形状记忆合金制成的“蝴蝶” （可模仿肌肉的收缩）
形状记忆合金还可制成各类心脏修补器、血栓过滤器、伤骨固 定器、脊柱矫正器、手术缝合线、人造骨骼等等。
形状记忆合金在医学中的应用
腔内支架临床应用实例
（a）消化道内支架
（b）血管内支架
（c）胆道内支架
形状记忆合金在医学中的应用
腔内支架临床应用实例
卡骨环
锯齿臂环抱内固定装置
形状记忆合金在生活中的应用
形状记忆合金的应用前景
SMA今后的发展趋势
充分发掘、改进和完善现有SMA的性能; 研究开发新的具有形状记忆效应的合金材料; SMA薄膜的研究与应用； SMA智能复合材料的研究与开发； 高温SMA的开发； SMA将逐步迈向商品化。
记忆车钉
用形状记忆合金制成的钉子安装在汽车外胎上，当气 温降低、公路结冰时，钉子会“自动”从外胎里伸出来， 防止车轮打滑。
形状记忆合金的应用前景
SMA尚待解决的问题
由于SMA的各种功能均依赖于马氏体相变,需要不断对其加热、 冷却及加载、卸载, 因此SMA只适用于低频(10Hz以下)控制中, 这就大大限制了材料的应用，有待研究。 对于SMA的驱动应用需要较为精确的形状控制，因此还需要进 一步研究其形变的力学性能，从而提高控制精度和反应速度。 现有的SMA模型在实际工程应用中都还存在一些缺陷,如何克 服这些缺点,从而精确地模拟出SMA的材料行为也是一个需要 研究的重要课题。 在医学应用方面,还需继续研究SMA的生物相容性。 SMA作为一种新型功能材料,其加工和制备工艺较难控制,目前 还没有形成一条SMA自动生产线,此外材料成本也比较昂贵。
形状记忆合金
（a）
（b）
（c）
（d）
一：形状记忆合金的应用背景 二：形状记忆合金的记忆原理 三：形状记忆合金的功能特点 四：形状记忆合金的应用 五：形状记忆合金的发展前景
形状记忆合金应用背景
想象一下
• 飞机在出现事故如鸟撞击飞机时，飞机能自我修复裂痕。 • 在地震中受到破坏的建筑物、桥梁能自行加固，裂缝会自 行封合。 • 我们使用的各种材料像有生命的东西一样，能根据外界环 境自我判断、自我适应、自我修复。
形状记忆合金在航空航天中的应用
航天飞机释放的膨胀月面天线
形状记忆合金在航空航天中的应用
自适应智能机翼
形状控制被认为是航空工业中的智能结构中非常有前景的一 项应用。通过形状记忆合金复合材料的传感与驱动功能可直 接导致飞行器结构形状的改变，大大地减轻飞行器的重量。 同时这种飞行器自适应形状结构可以增大航程，减少摩擦， 提高空气弹性变形特性。这是因为自适应智能机翼具有连续 的自适应表面，可以延缓空气分叉，因此可以减少摩擦和增 加爬升力。图为NASA中心制作完成了30%比例的智能机翼模型。 在高速度、等角机翼后缘控制等实飞条件下取得到了成功。
形状记忆合金在航空航天中的应用
智能机械手
形状记忆元件具有感温和驱动 双重功能，因此可制作用于航天 空间探索的智能机械手。手指和 手腕靠Ti-Ni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Ti-Ni合金丝的伸缩 实现弯曲动作。各个形状记忆合 金元件都由直接通上的脉宽可调 电流加以控制。 这种机械手的最大特点是小型 化，非常适于航天的无人操作活 动。其另一个重要特征是动作柔 软，非常接近人手的动作,可完 成许多细腻的工作，如取出鸡蛋 等。