形状记忆合金
合集下载
相关主题
- 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)。
2. 什么是形状记忆效应？
多少年来，人们一直认为，只有人和某些动物才有“记忆”功能，非生物是 不能有这种功能的。可是，美国科学家在20世纪50年代偶然发现，某些金属 合金也具有一种所谓“形状记忆”的功能。它们能在某一温度下成型为一种 形状，而在另一温度下则又变回到原始的形状。这种奇特的“形状记忆”功 能可以保持相当长的时间，并且重复千万次都准确无误。那么，什么是形状 记忆效应呢？它是指具有一定形状的固体材料，在某种条件下经过一定的塑 性变形后，加热到一定温度时，材料又完全恢复到变形前原来形状的现象。 即它能记忆母相的形状。具有形状记忆效应的合金材料即称为形状记忆合金。 为什么形状记忆合金不“忘记”自己的“原形”呢？原来，这些合金都有一 个特殊的转变温度。在转变温度之上，它具有一种组织结构；而在转变温度 之下，它又具有另一种组织结构。结构不同、性能各异，不同温度下的组织 结构促使大批原子协调运动，使合金具有记忆待性。上面提到的美国登月宇 宙飞船上的自展天线，就是用镍钛形状记忆合金做成的。这种合金在转变温 度以上时，坚硬结实，强度很高，敲起来铿锵作响；而低于转变温度时，它 却十分柔软，易于冷加工。科学家先把这种合金做成所需要的大半球形展开 天线，然后冷却到一定温度下，使它变软，再施加外力，把它弯曲折叠成一 个小球，使之在登月飞船上只占很小的空间。登上月球后，利用阳光照射的 温度，使天线重新张开，恢复成原来大半球的形状。
图5 镍钛诺尔热机的结构
如图5所示，系1973年美国试制成第 一台利用海水温差发电热机的结构示 意图。它是利用高温、低温时发生相 变产生形状的改变，并伴随极大的应 力，实现机械能热能之间的相互转换。 其装置是一个水平放置的轮子，轮辐 是偏心结构，每个轮辐上挂有用Ti-Ni 合金制成的U形环，轮子下的水槽制 成两个半圆，分别装入冷热水。当U 型环进入热水槽时，就突然伸直，产 生弹力。这种弹力有一部分沿轮子的 切线作用，推动轮子旋转。当轮辐转 入冷水槽内时，伸直的合金丝又恢复 弯曲形状。尽管这种热机只产生了 0.5W 的 功 率 （ 至 1983 年 功 率 已 达 20W），但发展前景十分诱人，可利 用这种装置实现利用海水温差发电的 梦想。
名副其实的大力士
• 形状记忆合金（a）能撑起自重100倍以上 的重量，马达（b）的驱动力可达自重的50 倍，而蚂蚁（c）和人（d）则分别是20倍 和2倍。
（a）记忆合金（b）马 达
（c）蚂 蚁
（d） 人
（a）智能水温调节器（b）移动电话天线（c）牙 刷 形状记忆合金的应用实例
形状记忆合金眼镜架
5. 形状记忆合金的应用实例
从外观上看，形状记忆合金不但能受热膨胀、伸长， 也可以受热收缩和弯曲，这主要取决于它的原始形 状。利用这一特性，形状记忆合金在航天、机械、 电子仪器和医疗器械上有着广泛的用途。 (1) 形状记忆热发动机 (2) 用于机械、电子方面 (3) 用于医疗器械方面
(1) 形状记忆热发动机
wk.baidu.com6
使用形状记忆合金管接头连接管路
图2 形状记忆合金制作的发动机冷却风扇离合器
自控元件原理
（3） 用于医疗器械方面
记忆合金在医疗上的应用也很引人注目。可用于牙齿矫形、人造 心脏、接合断骨等医疗器械方面，大大减轻了患者的病痛。 图7 所示为形状记忆合金制血凝过滤器示意图；图8所示，系Ni-Ti合 金丝的加工与使用全过程示意图；
记忆合金在受热恢复原来形状时，还会产生很大的力量，可以利用 这个力量来做功。用它制造的发动机不要汽缸和活塞，而是使记忆 合金在反复受热、冷却过程中，一会儿变形．一会儿又恢复原状， 利用所产生的这股力量便可作功。因此，用形状记忆合金制造新型 热发动机则是有着诱人的前景。这种热机是利用黄铜的形状记忆特 性，它在形变时能够产生足够的力来做功。这种作功的本领就意味 着形状记忆合金有可能把温差转变成一种新型能源，第一台形状记 忆热发动机，在美国于1968年取得了专利权，目前，这种热发动机 又有了新的发展。这种发动机可以利用太阳能或其他热源改变其叶 片形状而产生旋转力矩，使曲轴转动而做功。英国已有厂家制造出 了黄铜热发电机。尽管这种装置的热能利用率在理论上来说比较低， 只有4%~5%，但是对人们仍有很大吸引力，因为它只需几度的温差 就可以工作。有人建议利用这种装置来回收和利用发电厂及其他工 业烟囱排出的废热。
（a）成型（T＞Ms）； （b）扳直两脚（T＜Mf）； （c）插入（T＜As）； （d）加热（T＞Af）
图2
形状记忆铆钉的工作过程
形状记忆效应的类型
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2.3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，在低温相时将其任意变形，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 时恢复高温相形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降自发可逆地反 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Ni 的Ti-Ni合金中出现。
A
记忆合金
温度场
温控器
眼镜框
形状记忆铆钉的工作过程
现以图2.2中的一个铆钉为实例，进一步说明形状记忆效应。这个铆 钉是用形状记忆合金制作的，首先在较高的温度下（T＞Ms）把铆钉 做成铆接以后的形状，然后把它降温至Mf以下的温度，并在此温度下 把铆钉的两脚扳直（产生形变），然后顺利地插入铆钉孔，最后把温 度回升至工作温度（T＞Af），这时，铆钉会自动地恢复到第一种形 状，即完成铆接的程序。显然这个铆钉可以用于手和工具无法直接去 操作的场合。
图3
三种类型形状记忆效应示意图
4. 形状记忆合金材料的发展
形状记忆合金材料目前已有20余种。大致可分为两类：一类是以过渡 族金属为基的合金，另一类是贵金属的β相合金。但最引人注目的是 Ni-Ti基合金、Cu-Zn-Al合金、Fe-Mn-Si合金和Cu-Al-Ni合金等。
表2.1
具有形状记忆的合金系
①Ni-Ti基合金 其原子比为1∶1，具有高的耐热性、耐蚀性，高的强 度，以及其它材料无可比拟的耐热疲劳性与良好的生物相容性。但存 在原材料价格昂贵，制造工艺困难，切削加工性不良等不足。近年来 发展了一系列性能得到提高的材料，在Ni-Ti合金中加入其它元素，开 发了Ni-Ti-Cu、Ni-Ti-Nb、Ni-Ti-Cr、Ni-Ti-Fe等系列合金。需特别指 出的是研究人员在Ni-Ti合金中添加微量的Fe或Cr，可使记忆合金的转 变温度降到-100℃，适合在低温下工作。 ② Cu基合金 价格便宜，原料来源充足，生产过程简单，良好的形 状记忆效应，电阻率小，导热性好，加工成形性能好。但长期或反复 使用时，形状恢复率会减小，是尚需探索解决的问题。开发的Cu-ZnAl和Cu-Ni-Al合金可在很宽的-100℃~300℃范围内调节。 ③ 铁基合金 具有强度高，塑性好，价格便宜等优点，正逐渐受到人 们的重视并获得开发。如Fe-Pt、Fe-Pd、Fe-Co-Ni-Ti、Fe-Mn-Si、 Fe-Mn-Si-Cr等。从价格上看，铁系形状记忆合金比Ni-Ti系和Cu系低 得多，易于加工，强度高，刚性好，所以是很有竞争力的新合金系。
(2) 用于机械、电子方面
记忆合金可用于热敏装置如火灾警报器、安全装置，固紧销、管件的接头、密封垫 等机械器具，还可用于一些控制元件，如一些与温度有关的传感及自动控制。 例如，图6所示系用记忆合金管接头连接两根管子的示意图。首次于60年代被用于 海军飞机液压系统的接头，并取得成功。当时由于使用普通的管接头热胀冷缩，容 易引起泄漏，造成飞行事故。据统计，全部飞行事故中有1/3是由于液压系统接头 泄漏而引起的。首先在Af温度以上使记忆合金管接头的内径比它所要连接的管子的 外径略小一点，进行管路连接时先将记忆合金管接头冷却到Mf以下的低温，使之转 变成马氏体。此时管接头在较低的应力下即能变形，可以用专用的工具对管接头进 行扩径，使其内径略大于将要被连接的管子。然后即可将要连接的管子插入被扩径 的接头中，随即将之加热到Af以上。由于形状记忆效应，在加热到Af以上的过程中 管接头的内径恢复原来的尺寸，从而将管子紧紧地箍住，完成了管子的连接。由于 在Af以上形状记忆合金变形所对应的应力很大，所以形状记忆合金管接头的连接很 严密、牢靠。这种管接头特别适用于难焊接的、管路密集不易施工等场合的管路连 接。美国空军F-14飞机曾经用此类连接器连接油压系统和加压水系统的管道，据 说近30万个接头，无一发生事故，在海军的潜艇和军舰上也大量使用形状记忆合 金管接头，因为在这些场合中，管道排列十分密集，一般的方法无法实行管道的连 接。 在电子仪器方面用作接插件，用于集成线路的钎焊等。目前，国外正在研究 用记忆合金制造机器人，其动作由微处理机来控制。
生
物
支
架
（a）预压缩
（b）受热扩张后
（c）植入腔道内效果
医用腔内支架的应用原理示意
（a）消化道内支架
（b）血管内支架
（c）胆道内支架
腔内支架临床应用实例
例如，脑血栓是一种多发病，当 人体内血液粘稠到一定程度，就 会形成血栓，如果血栓通过血液 循环系统流到心脏或肺脏的时候， 就会引发致命的疾病。但只要把 用镍钛形状记忆合金制成的血栓 过滤网插入病人的静脉里（如图 2.8所示），就能有效防止血栓进 入心脏或肺脏。这种小小的器件 可以通过导管插入静脉之中。插 入之前，它的形状是直的；插入 后，当记忆合金被体温温暖时， 就“回忆”起原先的形状，在静 脉里变成一个精巧的滤网。其NiTi合金丝的加工与使用全过程如 图7 形状记忆合金制血凝过滤器 图2.9所示。
热致形状记忆反应过程
热致形状记忆高分子种类
• 聚烯烃类： 耐高温 耐腐蚀场合 • 聚酯类：耐热 耐化学药品-医用 • 聚氨酯类：建筑 医学
热致形状记忆高分子的应用1
医疗器材-固定创伤部位的器材
医疗器材-手术缝合线
热致形状记忆高分子的应用2
异径管接合材料---热收缩管
热致形状记忆高分子的应用3
●包装材料
●变形物的复原，如紧固铆钉等
图8
Ni-Ti形状记忆合金丝的加工与使用示意图
记忆高分子材料
应力记忆高分子材料 形状记忆高分子材料 体积记忆高分子材料
色泽记忆高分子材料
形状记忆高分子材料
• 利用结晶或半结晶高分子材料经过辐射 交联或化学交联后具有形状记忆效应 • 先决条件：高弹形变，分子构象 • 分类：热致感应型；光致感应型；电致 感应型；化学感应型
多少年来，人们一直认为，只有人和某些动物才有“记忆”功能，非生物是 不能有这种功能的。可是，美国科学家在20世纪50年代偶然发现，某些金属 合金也具有一种所谓“形状记忆”的功能。它们能在某一温度下成型为一种 形状，而在另一温度下则又变回到原始的形状。这种奇特的“形状记忆”功 能可以保持相当长的时间，并且重复千万次都准确无误。那么，什么是形状 记忆效应呢？它是指具有一定形状的固体材料，在某种条件下经过一定的塑 性变形后，加热到一定温度时，材料又完全恢复到变形前原来形状的现象。 即它能记忆母相的形状。具有形状记忆效应的合金材料即称为形状记忆合金。 为什么形状记忆合金不“忘记”自己的“原形”呢？原来，这些合金都有一 个特殊的转变温度。在转变温度之上，它具有一种组织结构；而在转变温度 之下，它又具有另一种组织结构。结构不同、性能各异，不同温度下的组织 结构促使大批原子协调运动，使合金具有记忆待性。上面提到的美国登月宇 宙飞船上的自展天线，就是用镍钛形状记忆合金做成的。这种合金在转变温 度以上时，坚硬结实，强度很高，敲起来铿锵作响；而低于转变温度时，它 却十分柔软，易于冷加工。科学家先把这种合金做成所需要的大半球形展开 天线，然后冷却到一定温度下，使它变软，再施加外力，把它弯曲折叠成一 个小球，使之在登月飞船上只占很小的空间。登上月球后，利用阳光照射的 温度，使天线重新张开，恢复成原来大半球的形状。
图5 镍钛诺尔热机的结构
如图5所示，系1973年美国试制成第 一台利用海水温差发电热机的结构示 意图。它是利用高温、低温时发生相 变产生形状的改变，并伴随极大的应 力，实现机械能热能之间的相互转换。 其装置是一个水平放置的轮子，轮辐 是偏心结构，每个轮辐上挂有用Ti-Ni 合金制成的U形环，轮子下的水槽制 成两个半圆，分别装入冷热水。当U 型环进入热水槽时，就突然伸直，产 生弹力。这种弹力有一部分沿轮子的 切线作用，推动轮子旋转。当轮辐转 入冷水槽内时，伸直的合金丝又恢复 弯曲形状。尽管这种热机只产生了 0.5W 的 功 率 （ 至 1983 年 功 率 已 达 20W），但发展前景十分诱人，可利 用这种装置实现利用海水温差发电的 梦想。
名副其实的大力士
• 形状记忆合金（a）能撑起自重100倍以上 的重量，马达（b）的驱动力可达自重的50 倍，而蚂蚁（c）和人（d）则分别是20倍 和2倍。
（a）记忆合金（b）马 达
（c）蚂 蚁
（d） 人
（a）智能水温调节器（b）移动电话天线（c）牙 刷 形状记忆合金的应用实例
形状记忆合金眼镜架
5. 形状记忆合金的应用实例
从外观上看，形状记忆合金不但能受热膨胀、伸长， 也可以受热收缩和弯曲，这主要取决于它的原始形 状。利用这一特性，形状记忆合金在航天、机械、 电子仪器和医疗器械上有着广泛的用途。 (1) 形状记忆热发动机 (2) 用于机械、电子方面 (3) 用于医疗器械方面
(1) 形状记忆热发动机
wk.baidu.com6
使用形状记忆合金管接头连接管路
图2 形状记忆合金制作的发动机冷却风扇离合器
自控元件原理
（3） 用于医疗器械方面
记忆合金在医疗上的应用也很引人注目。可用于牙齿矫形、人造 心脏、接合断骨等医疗器械方面，大大减轻了患者的病痛。 图7 所示为形状记忆合金制血凝过滤器示意图；图8所示，系Ni-Ti合 金丝的加工与使用全过程示意图；
记忆合金在受热恢复原来形状时，还会产生很大的力量，可以利用 这个力量来做功。用它制造的发动机不要汽缸和活塞，而是使记忆 合金在反复受热、冷却过程中，一会儿变形．一会儿又恢复原状， 利用所产生的这股力量便可作功。因此，用形状记忆合金制造新型 热发动机则是有着诱人的前景。这种热机是利用黄铜的形状记忆特 性，它在形变时能够产生足够的力来做功。这种作功的本领就意味 着形状记忆合金有可能把温差转变成一种新型能源，第一台形状记 忆热发动机，在美国于1968年取得了专利权，目前，这种热发动机 又有了新的发展。这种发动机可以利用太阳能或其他热源改变其叶 片形状而产生旋转力矩，使曲轴转动而做功。英国已有厂家制造出 了黄铜热发电机。尽管这种装置的热能利用率在理论上来说比较低， 只有4%~5%，但是对人们仍有很大吸引力，因为它只需几度的温差 就可以工作。有人建议利用这种装置来回收和利用发电厂及其他工 业烟囱排出的废热。
（a）成型（T＞Ms）； （b）扳直两脚（T＜Mf）； （c）插入（T＜As）； （d）加热（T＞Af）
图2
形状记忆铆钉的工作过程
形状记忆效应的类型
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2.3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，在低温相时将其任意变形，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 时恢复高温相形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降自发可逆地反 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Ni 的Ti-Ni合金中出现。
A
记忆合金
温度场
温控器
眼镜框
形状记忆铆钉的工作过程
现以图2.2中的一个铆钉为实例，进一步说明形状记忆效应。这个铆 钉是用形状记忆合金制作的，首先在较高的温度下（T＞Ms）把铆钉 做成铆接以后的形状，然后把它降温至Mf以下的温度，并在此温度下 把铆钉的两脚扳直（产生形变），然后顺利地插入铆钉孔，最后把温 度回升至工作温度（T＞Af），这时，铆钉会自动地恢复到第一种形 状，即完成铆接的程序。显然这个铆钉可以用于手和工具无法直接去 操作的场合。
图3
三种类型形状记忆效应示意图
4. 形状记忆合金材料的发展
形状记忆合金材料目前已有20余种。大致可分为两类：一类是以过渡 族金属为基的合金，另一类是贵金属的β相合金。但最引人注目的是 Ni-Ti基合金、Cu-Zn-Al合金、Fe-Mn-Si合金和Cu-Al-Ni合金等。
表2.1
具有形状记忆的合金系
①Ni-Ti基合金 其原子比为1∶1，具有高的耐热性、耐蚀性，高的强 度，以及其它材料无可比拟的耐热疲劳性与良好的生物相容性。但存 在原材料价格昂贵，制造工艺困难，切削加工性不良等不足。近年来 发展了一系列性能得到提高的材料，在Ni-Ti合金中加入其它元素，开 发了Ni-Ti-Cu、Ni-Ti-Nb、Ni-Ti-Cr、Ni-Ti-Fe等系列合金。需特别指 出的是研究人员在Ni-Ti合金中添加微量的Fe或Cr，可使记忆合金的转 变温度降到-100℃，适合在低温下工作。 ② Cu基合金 价格便宜，原料来源充足，生产过程简单，良好的形 状记忆效应，电阻率小，导热性好，加工成形性能好。但长期或反复 使用时，形状恢复率会减小，是尚需探索解决的问题。开发的Cu-ZnAl和Cu-Ni-Al合金可在很宽的-100℃~300℃范围内调节。 ③ 铁基合金 具有强度高，塑性好，价格便宜等优点，正逐渐受到人 们的重视并获得开发。如Fe-Pt、Fe-Pd、Fe-Co-Ni-Ti、Fe-Mn-Si、 Fe-Mn-Si-Cr等。从价格上看，铁系形状记忆合金比Ni-Ti系和Cu系低 得多，易于加工，强度高，刚性好，所以是很有竞争力的新合金系。
(2) 用于机械、电子方面
记忆合金可用于热敏装置如火灾警报器、安全装置，固紧销、管件的接头、密封垫 等机械器具，还可用于一些控制元件，如一些与温度有关的传感及自动控制。 例如，图6所示系用记忆合金管接头连接两根管子的示意图。首次于60年代被用于 海军飞机液压系统的接头，并取得成功。当时由于使用普通的管接头热胀冷缩，容 易引起泄漏，造成飞行事故。据统计，全部飞行事故中有1/3是由于液压系统接头 泄漏而引起的。首先在Af温度以上使记忆合金管接头的内径比它所要连接的管子的 外径略小一点，进行管路连接时先将记忆合金管接头冷却到Mf以下的低温，使之转 变成马氏体。此时管接头在较低的应力下即能变形，可以用专用的工具对管接头进 行扩径，使其内径略大于将要被连接的管子。然后即可将要连接的管子插入被扩径 的接头中，随即将之加热到Af以上。由于形状记忆效应，在加热到Af以上的过程中 管接头的内径恢复原来的尺寸，从而将管子紧紧地箍住，完成了管子的连接。由于 在Af以上形状记忆合金变形所对应的应力很大，所以形状记忆合金管接头的连接很 严密、牢靠。这种管接头特别适用于难焊接的、管路密集不易施工等场合的管路连 接。美国空军F-14飞机曾经用此类连接器连接油压系统和加压水系统的管道，据 说近30万个接头，无一发生事故，在海军的潜艇和军舰上也大量使用形状记忆合 金管接头，因为在这些场合中，管道排列十分密集，一般的方法无法实行管道的连 接。 在电子仪器方面用作接插件，用于集成线路的钎焊等。目前，国外正在研究 用记忆合金制造机器人，其动作由微处理机来控制。
生
物
支
架
（a）预压缩
（b）受热扩张后
（c）植入腔道内效果
医用腔内支架的应用原理示意
（a）消化道内支架
（b）血管内支架
（c）胆道内支架
腔内支架临床应用实例
例如，脑血栓是一种多发病，当 人体内血液粘稠到一定程度，就 会形成血栓，如果血栓通过血液 循环系统流到心脏或肺脏的时候， 就会引发致命的疾病。但只要把 用镍钛形状记忆合金制成的血栓 过滤网插入病人的静脉里（如图 2.8所示），就能有效防止血栓进 入心脏或肺脏。这种小小的器件 可以通过导管插入静脉之中。插 入之前，它的形状是直的；插入 后，当记忆合金被体温温暖时， 就“回忆”起原先的形状，在静 脉里变成一个精巧的滤网。其NiTi合金丝的加工与使用全过程如 图7 形状记忆合金制血凝过滤器 图2.9所示。
热致形状记忆反应过程
热致形状记忆高分子种类
• 聚烯烃类： 耐高温 耐腐蚀场合 • 聚酯类：耐热 耐化学药品-医用 • 聚氨酯类：建筑 医学
热致形状记忆高分子的应用1
医疗器材-固定创伤部位的器材
医疗器材-手术缝合线
热致形状记忆高分子的应用2
异径管接合材料---热收缩管
热致形状记忆高分子的应用3
●包装材料
●变形物的复原，如紧固铆钉等
图8
Ni-Ti形状记忆合金丝的加工与使用示意图
记忆高分子材料
应力记忆高分子材料 形状记忆高分子材料 体积记忆高分子材料
色泽记忆高分子材料
形状记忆高分子材料
• 利用结晶或半结晶高分子材料经过辐射 交联或化学交联后具有形状记忆效应 • 先决条件：高弹形变，分子构象 • 分类：热致感应型；光致感应型；电致 感应型；化学感应型