电子材料器件课程设计

电子元器件与工艺课程设计,一.目的,熟悉NiTi记忆合金的性能与作用 掌握SMA的形状记忆原理 掌握SMA弹簧的设计方法 掌握偏置式SMA双程驱动器的设计方法 熟悉偏置式SMA双程驱动器的制作方法 熟悉简易型SMA双程驱动器的动作特性及其影响因素,二 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材料，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）。 形状记忆合金可以分为三种：,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。,(1) 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。,三种记忆效应如下图所示。,目前，已开发成功的形状记忆合金有TiNi基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金等。,最早关于形状记忆效应的报道是由Chang及Read等人在1952年作出的。他们观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。 后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象，但当时并未引起人们的广泛注意。,直到1962年，Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中，观察到具有宏观形状变化的记忆效应，才引起了材料科学界与工业界的重视。 到70年代初，CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应。,几十年来，有关形状记忆合金的研究已逐渐成为国际相变会议和材料会议的重要议题，并为此召开了多次专题讨论会，不断丰富和完善了马氏体相变理论。,在理论研究不断深入的同时，形状记忆合金的应用研究也取得了长足进步，其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。,形状记忆合金的具体应用,工业应用：,（1）利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天线、套环等。,（2）外因性双向记忆恢复。即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作，如热敏元件、机器人、接线柱等。,（3）内因性双向记忆恢复。即利用双程记忆效应随温度升降做反复动作，如热机、热敏元件等。 但这类应用记忆衰减快、可靠性差，不常用。,（4）超弹性的应用。如弹簧、接线柱、眼镜架等。,医学应用：,TiNi合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。 如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。,人工关节,人造牙齿,脊柱修复支架,人造血管,心脏起搏器,人工心脏瓣膜,腭裂修复动物试验(术中),腭裂修复动物试验(术后十天),高科技应用展望：,20世纪是机电学的时代。传感-集成电路-驱动是最典型的机械电子控制系统，但复杂而庞大。,形状记忆材料兼有传感和驱动的双重功能，可以实现控制系统的微型化和智能化，如全息机器人、毫米级超微型机械手等。,21世纪将成为材料电子学的时代。形状记忆合金的机器人的动作，除了温度外，不受任何环境条件的影响，可望在反应堆、加速器、太空实验室等高技术领域大显身手。,三 固态相变概论,概述 按热力学分类 按原子运动的方式分类 新相形成时的能量变化 固态相变的特点,概述,固态相变：固态物质内部的组织结构的变化称为固态相变。 相-是成分相同、结构相同、有界面同其他部分分隔的物质均匀组成部分， 相变-是从已存的相中生成新的相。 之所以为新相，生成部分与原有部分存在着或成分不同、或相结构不同、或有序度不同、或兼而有之，并且和原来部分有界面分隔。原来的部分称为母相或反应相，在转变过程中数量减少，生成部分称为新相或生成相，在转变过程中数量增加。,按热力学分类,相平衡条件: 构成材料的组元在两个相中的化学位相等,即12，否则组元会从一个相中向另一相转移，即有相变发生。 临界点：在一定的温度和压力下，两相处于平衡，这个平衡时对应的温度和压力称为他们的临界点，固态转变中，压力影响较小，一般临界点大多指在一个大气压下平衡是对应的温度。 两相处于临界点时:,按热力学分类,一级相变：在临界点处，如果：,当T或P发生变化 (偏离临界点),平衡就被破坏，体系的熵S和体积V会改变，向吉布斯自由能低的方向发展，就有一相减少而另一相增加，这时发生的相变称为一级相变。 所以一级相变过程会伴随潜热的释放(或吸收)和体积改变的发生。过去相图中介绍的合金凝固过程是一级相变，热处理中发生的固态相变也主要是一级相变。,按热力学分类,二级相变： 在临界点处，,按热力学分类,二级相变：在临界点处，这时两相的化学位、熵S和体积V相同，但等压热容量CP、等温压缩系数k、等压热膨胀系数可能不相同。,当T或P发生变化(偏离临界点)，平衡也被破坏，向吉布斯自由能低的方向发展，这时发生的相变称为二级相变。所以二级相变过程中无潜热和体积的改变，一般两相的成分也相同(成分的变化一般会改变其熵)。常见的二级相变有磁性转变、有序无序转变、超导转变等，大多伴随材料某种物理性能的变化。,按原子运动的方式分类I,扩散型（非协同型）：原子从母相以扩散方式向新相迁移。原子可以改变相邻关系；转变的速度由原子扩散迁移速度控制，在固态中进行较慢；转变过程大多伴随成分的改变(新旧相成分不相同)；转变产物无固定的形状，决定于界面能，为减少界面面积，有可能是为球面。脱溶、共析、增幅分解属于这种类型。,按原子运动的方式分类II,协同型（非扩散型）：在相变过程中没有原子的扩散运动，相变前后没有成分的变化，原子以切变的方式，即相对周围原子发生有规律的少量的偏移，基本维持原来的相邻关系，而发生晶体结构的改变，这就是协同型相变。转变的结果是新旧相成分相同，为减少原子偏移的距离，新相的取向与母相原来的取相有一定的延续关系；转变中新旧相的界面有共格关系，转变要求较大的驱动力来补偿共格应变能；转变速度快，但大多不能进行到底。以下要介绍的马氏体相变就是属于协同型相变。,按原子运动的方式分类III,混合型：介于二者之间的，具有扩散型和协同型的综合特征的中间过渡型转变称为混合型，如热处理中的贝氏体转变。,四.形状记忆原理,有关的概念 相及相变 马氏体相(M)B19-低温下存在，晶体结构(单斜)的对称性低，屈服强度低(较软)； 母相(P)-高温下存在，有序立方(B2)结构，屈服强度高(较硬)； R相-在介于马氏体相与母相之间的温度范围内存在，菱方结构。 两种相变过程：PRM，PM,B. 相变点(温度) MS：降温时PM相变的开始温度； Mf：降温时PM相变的终了温度； AS：升温时M P相变的开始温度； Af：升温时M P相变的终了温度； C. 热滞： D.热弹性马氏体M-当热滞较小，一般为几度到几十度时，M板条可随温度的降(升)而可逆地伸(缩)，称这种M为热弹性M,E. 应力(应变)(诱发)弹性M M板条随应力(应变)的增大(减小)而可逆地生长(收缩)，则称这种M为应力(应变)弹性马氏体。 F. 弹性M 凡能随外界条件的变化而可逆地伸缩的M统称为弹性马氏体 。,2. 形状记忆原理I M变体即M晶粒 自适应(自协调)每片M变体生长都会产生一定方向的应力场,变体很难继续沿同一方向生长,此时如果有另一片变体形成,则会沿阻力较小的方向生长,从而使体系能量降低.从宏观上看,如果有四种不同取向的变体围绕某一晶轴对称分布、组成一个片群时，引起的总的应变能趋向于零，此即M相变的自适应现象。 24种变体在通常的记忆合金中，共有6个片群，每个群有四片M变体，所以有24种不同取向的M变体,2. 形状记忆原理II 24种不同位向的变体在M中,晶粒的位向不能随意,只能取24种方向,所以M只能是两种状态:一是单晶体(单变体),或者择优取向(一个方向),二是24种特定位向的晶粒,即24种变体,2. 形状记忆原理III 在外力的作用下，这24种位向各异的M变体将沿应力方向发生再取向，当大部分变体都取同一或相近取向时，形成了择优取向的M体，此过程称为M的再取向过程，此时试样发生明显的宏观变形。,2. 形状记忆原理IV 马氏体片可以随温度的下降(上升)而可逆地伸缩，也可以随应力的增大(减少)或者磁场的增(减)而可逆地伸缩。 当然，也可以通过另一途径形成择优取向的M：对处于P状态、温度介于MS与Md (Md为应力诱发M转变的最高温度)的合金施加单向外力，可诱发M相变，直接形成择优取向的M，此时也会使试样呈现明显的变形。,将试样加热至ASAf之间，或Af以上温度时，发生M逆转变。由于M的对称性低，因而逆转变时，在M体中只形成几个母相的等效晶体位向，有时只形成一个位向，即变形前母相的位向。当母相为长程有序时，形成单一位向(即变形前母相位向)的倾向更大，使晶体结构与取向完全复原，此时宏观变形完全消失。,五.偏置式双程SMA动作元件及其动作原理,六. 偏置式双程驱动器的结构示意图及载荷-位移曲线,七.螺旋弹簧的设计与计算,1. 设计中涉及到的有关符号及其意义如下： D 弹簧的平均直径 n 弹簧的有效匝数 P 弹簧所承受的载荷 d 弹簧的丝径 C 弹簧指数 位移 剪切应力 剪切应变 G 剪切模量 k 应力修正因子,2.基本的设计公式有： (3-4) (3-5) (3-6) 其中： (3-7),3. 设计计算示例 已知：,计算要点： 分析三个基本公式，宜从3-6式着手； 先求出k，再根据3-6式求出d与D； 根据应力与应变之间的关系公式求出H和L，继而求出 ； 据3-5式求出n 根据上述设计计算，可得如下结论： 丝径为1.3mm、线圈直径为7.8mm、有效线圈匝数为3.5的NiTiSMA弹簧可提供10N的输出力、5mm的输出位移，其疲劳寿命在104数量级； 丝径为1.3mm、线圈直径为7.8mm、有效线圈匝数为7的NiTiSMA弹簧可提供10N的输出力、5mm的输出位移，其疲劳寿命在106数量级；,八.SMA双程驱动器的设计与计算,作图：,2. 计算要点： XB对应的应变 XX对应的应力 偏置弹簧的最大剪切应变量： 对应的最大位移 对应的最大载荷 偏置弹簧的倔强系数 按前述方法设计SMA弹簧和偏置弹簧,九. 控制电路的设计与制作 电路图：,十. 安装与调试 要点： 适当设计与制作驱动部分的支架； 选择合适的方式连接微动开关与驱动元件； 连接方式对传感器的动作特性影响很大 十一. 提供的条件及设计制作要求: 1. 实验室提供: A. NiTi形状记忆合金拉簧：丝径d=0.5mm，弹簧直径D=4mm，4-5个人一组，每组一个记忆合金弹簧，自行组合，班长汇总后交组合情况表；,B. 偏置弹簧有如下规格： 软型，不锈钢 硬型，不锈钢 C. 试样架 D. 用于调试及测试的加热容器，温度计等,2 . 要求： 同一组内,每位同