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科目 智能材料教师 李明田姓名 孔斌学号 0903106B256班级 高分子0922011年11月15日形状记忆材料综述首先感谢李老师给我们上这门课程，让我们了解一门一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。摘要：比较全面地论述了形状记忆材料的本质与类型及定义, 介绍了几种常见形状记忆材料的性能、原理、应用, 阐述了其现状与未来的发展前景。关键词：形状记忆合金、形状记忆聚合物、形状记忆陶瓷等。正文定义： 智能材料是一种能感知外界环境变化并自动改变自身特性以适应该变化的新型复合材料,具有广阔的应用前景。形状记忆材料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。原理：形状记忆材料(金属或非金属) 是集感知和驱动于一体的功能材料。形状记忆合金随温度的变化几何形状会发生突变,在低温马氏体状态合金较软,可进行塑变,加热到特定温度以上时发生马氏体母相转变,合金变硬并恢复到原来的形状,实现对外做功。形状记忆材料种类及定义：1. 形状记忆合金在高温下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为另一种形状，然后加热到高温相成为稳定状态的温度时，通过马氏体相变恢复到低温塑性变形前的形状的现象。具有这种效应的金属，通常是由两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, SMA）。目前, 人们已发现的形状记忆合金有50 多种, 根据合金相组成和相变特征, 具有较完全形状记忆效应的合金主要分为钛- 镍系列形状记忆合金、铜基系列形状记忆合金和铁基系列形状记忆三大类。a.钛-镍系形状记忆合金：如钛-镍合金TiNi、Ti2Ni、TiNi3.近年来有开发了Ti-Ni-Cu、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Cr、Ti-Ni-Pb、Ti-Ni-Nb等新型合金。b.铜系形状记忆合金：主要有Cu-Zn-Al.Cu-Al-Ni.Cu-Au-Zn。c.铁系形状记忆合金：应用前景最好的是Fe-Mn-Si-Cr-Ni和Fe-Mn-Co-Ti形状记忆陶瓷以含铈和钇的二氧化锆为基，其成分范围为710molCeO2，0.20.8molY2O3和余量为ZrO2，较佳为7.58.5molCeO2，0.450.55molY2O3和余量为ZrO2。铜系列合金的形状记忆效应明显低于钛- 镍合金。提高这类合金的形状记忆性能的主要方法是加入适量的稀士和Ti、Mn、V、B 等元素。另外,由于这类合金的优点在于原料充足、容易加工、价格低、转变温度宽、热滞后小、导热性好, 因此, 具有一定的发展空间。2. 形状记忆聚合物形状记忆聚合物简称为SMP, 并以其优良的综合性能, 较低的成本, 加工容易,潜在巨大的实用价值而得到迅速的发展。目前, 已被发现的具有形状记忆效应的聚合物主要有: 辐射交联形聚乙烯、缠绕交联形聚降冰片烯、交联形反式聚异戊二烯、苯乙烯- 丁二烯共聚物、聚氨酯等。这些形状记忆聚合物是由保持固定品形状的固定相和在某种温度下能可逆地发生软化- 硬化的可逆相组成; 固定相的作用是初始形状的记忆和恢复, 第二次变形和固定则由可逆相来完成;固定相可以是聚合物中的交联结构、部分结晶结构、聚合物的玻璃态或分子链的缠绕等。广义的讲, 凡是具有固定相和软化- 硬化可逆相转变结构的聚合物都可以作为形状记忆聚合物。从组成上SMP 分为单组分聚合物、嵌段共聚物、接枝共聚物、多组分共聚物; 从固定相的结构特征上SMP 分为热塑性和热固性。（1）聚降冰片烯是由法国煤化学公司1984 年开发的含有双键和五元环交替键合的无定型聚合物。（2）反式1, 4- 聚异戊二烯是采用Ziefler 催化剂经溶液聚合而得。特性: 属于结晶性聚合物, 结晶度为40 % , 熔点为67 e;固定相为硫磺或过氧化物交联后的网状结构。（3）苯乙烯- 丁二烯共聚物是由聚苯乙烯和结晶丁二烯组成的混合物。特性:固定相是高熔点的聚苯乙烯单元, 可逆相是低熔点的聚丁二烯单元的结晶相;属于热塑性SMP。（4）聚氨酯是由异氰酸酯、多元醇的链增长剂3种原料聚合而成的含有部分结晶的线性聚合物。特性: 固定相为部分结晶聚合物,可逆相为在玻璃化温度发生玻璃态与高弹态可逆变化的聚氨酯软段; 形变温度可以通过原料配比进行调解。3. 形状记忆陶瓷20世纪60年底人们确认陶瓷材料也存在马氏体相变， 一个著名的例子就是ZrO2陶瓷中的马氏体相变，这一相变现象可以使陶瓷材料具有形状记忆效应。随温度的变化纯ZrO2有三种晶型：单斜晶系、四方晶系、立方晶系。单斜向四方转变有5的体积变化，而且应力也可诱发单斜向四方的转变。云母玻璃陶瓷、-锂辉石、2ZnO-B_2O_等形状记忆材料的应用1.形状记忆合金的应用应用：1.1用于汽车、机人及能派开发等自动控制形状记忆合金具有温度传感器的功能, 同时其外形回复时作功, 又有执行元件的功能, 因此应用于温度传感器及执行元件上, 其自动控制非常灵敏。形状记忆合金使用最多的是制动器。目前, 在汽车工业上使用的形状记忆制动器已达一百多种, 主要用于控制引擎、传送、悬吊等, 以提高安全性、可靠性及舒适性。形状记忆合金在汽车手动传动系统的防噪装置以及发动机燃料气体控制装置上也得到应用。形状记忆合金的记忆效应和超弹性效应可应用于位移感测器以及工业用机器人制动器上。形状记忆合金制动器在机器人上的应用已获得可喜成果。利用形状记忆合金弹簧与其合金丝可装配成小型机器人, 控制合金的收缩可操纵机器人手指的张开、闭合以及屈伸等动作。合金元件靠直接通人脉冲变频电流控制机器人的位置、动作及动作速度。因形状回复力受控于电流大小, 故动作起来很像生物体的肌肉动作。1.2用于牙科及血管疾病医疗器在牙科上, 可用形状记忆合金制作人造牙根、牙列矫正及牙套等。将假牙固定在一个镍一钦合金牙酿上, 假牙酿下面是双层合金根片通过手术直接在低温状态使双根片捏合在一起植人牙床的鄂骨内, 在体温作用下双根片逆变又恢复成原八字形, 从而牢固地固定在鄂骨内。这种人造牙根耐蚀性和人体相容性都很好, 在牙科中已广泛应用。此外, 形状记忆合金还用作齿列矫正丝, 它比用不锈钢丝制作的更为优越。记忆合金的超弹性卡子在很长时间内仍能保持弹性, 不必因弹性松驰而更换新的, 又因其能长时间地维持弹性, 从而可缩短疗程。形状记忆合金也用于制作牙套, 它能随着儿童牙齿的发育而自动改变,从而减轻戴假牙套不适而带来的痛苦。镍一钦形状记忆合金制作的血管疾病医疗器具有很多优点。如, 用形状记忆合金制作的血管栓塞清除刀, 在低温下加工, 使其呈卷筒状,插人患者血管后, 待温度升到体温时因形状记忆效应刀刃自动平展, 通过转动即可清除血管栓塞或沉积物。医学专家还用形状记忆合金丝与银丝结合做成夹具,成功地进行脑动脉瘤的切除手术。1.3用于家用电形状记忆合金还广泛应用于食品加热器、空调器及电饭锅等家用电器中。日本夏普公司使用形状记忆合金元件控制食品加热器的微波加热和对流加热的转换, 使食品加热器的体积和重量都大大减小,成本降低乃。又如,日本松下电器公司用形状记忆合金制造的两用空调机风向转换装置,其风门换向动作十分灵敏当风温在一时向下吹风温降到一犯时自动改为水平方向吹。这种装置性能稳定、轻便、造价低, 风门起动无噪音, 深受用户欢迎。形状记忆合金还广泛用于制作电饭锅恒温器, 温度升高时会自动开启, 断开电路温度下降到一定程度又会接下电源而起到自动保温作用。14 能源开发如固体发动机, 太阳能电池帆板, 温室窗户自动调节弹簧、住宅暖房用温水送水管阀门、喷气发动机内窥镜等1.5 空间技术月面或人造卫星天线、卫星仪器舱窗门自动启闭。1.6 生活用品如净水器、炊事用具、咖啡制作器、淋浴器喷头、胸罩、玩具、新型塑料镜片镜架等。1.4形状记忆合金正迈向商品化近年来, 利用各种形状记忆合金生产的“ 记忆” 商品开始风靡市场, 越来越多的“ 记忆” 商品进人人们的日常生活, 形状记忆合金的应用正进一步迈向商品化。日本一家日用品公司生产的“ 记忆” 胸罩投放市场后立即受到妇女青睐。这种胸罩是用一种又细又软的镍一钦形状记忆合金丝制成的, 比传统的胸罩更为轻巧、柔软、富于弹性、感觉舒适, 其最大优点是洗涤后即使变形也能靠人体温度传感使之发挥记忆功能而恢复原状。日本古河电气工业公司生产的形状记忆合金眼镜架, 能随镜片伸缩而改变形状, 始终与镜片能制造可以改变发型的玩具娃娃。娃娃的头发是用铜系形状记忆合金丝制作, 发型能随温度的变化而变化, 因而倍受孩子们的宠爱。日本一家皮鞋厂商推出世界上第一种采用形状记忆合金的皮鞋, 不仅轻柔合脚, 而且有效地防止了皮鞋变形。2. 形状记忆聚合物的应用医疗、包装、建筑、玩具、汽车、报警器材等领域2.1 异型管接合材料 绝缘保护、 接头防水通讯电缆的 用于：仪器内部线路集合、线路终端的 、钢管线路结合处的防护等工程。2.2医疗器材代替传统石膏绷带用于创伤部位的固定材料。将SMP 加工成创伤部位的形状，用 热 水 或 热 风 使 其软化，施加外力为易装配的形状，冷却后装配到创伤部位，再加热便恢复原状起固定作用。缓冲材料2.3包装材料将SMP 制成筒状的包装薄膜，套到需包装的产品外面，经过一个加热工序， SMP 便可牢固的收缩包装在产品外面，可方便地实现连续自动化包装生产。如：电池、药品、书籍、高档服装等的封装。2.4火灾报警器先制成接通时的形状，再二次成型为断开时的形状。当火灾发生时，温度上升，连接器自动恢复原状而使电路接通，报警器就开始工作。2.5涂料用形状记忆聚合物配制的涂料不但具有普 通涂料的功能还能在受到划伤、碰 伤 后，经加热处理可自动除去痕迹，保护外观不受影响。3.形状记忆陶瓷的应用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参考文献 1 黄钟岳. 化工透平式压缩机M . 大连: 大连理工大学出版社, 1989. 10 2 贡长生, 等. 新型功能材料M . 北京: 化学工业出版社, 2001 3 杨杰,吴月华. 形状记忆合金及其应用M . 合肥:中国科学技术大学出版社,1993. 4 赵文元, 等. 功能高分子材料化学M . 北京: 化学工业出版社, 1996 5 张苇. 形状记忆合金及其应用 J . 材料导报, 1995, 6 曾汉民. 高技术新材料要览M . 北京: 中国科学技术出版社, 19937王四根,等. FeMnSi 形状记忆合金管接头的研究J . 金属热处理,1997.