1-2 形状记忆合金.pptx

电子功能材料及元器件 电子科学与工程学院梁喜双 1 神奇的形状记忆合金2 什么是形状记忆效应 3 形状记忆效应的三种形式4 形状记忆合金材料的发展5 形状记忆合金的应用 1 2形状记忆合金 1 2形状记忆合金 月球上第一个人类脚印 1 神奇的形状记忆合金 1 2形状记忆合金 图1用钛 镍形状记忆合金制成的人造卫星天线 1 2形状记忆合金 1 2形状记忆合金 a 放入热水前 b 放入热水后 c 得到一定回复后的形状 d 进一步回复后的形状 e 冷至室温后 全程TiNi记忆合金花的动作变化情况 a 没放入热水前 b 放入热水后 c 凉至室温后 1 2形状记忆合金 双程CuZnAl记忆合金花的动作变化情况 1 2形状记忆合金 a 没放入热水前 b 放入热水后 c 凉至室温后 高温伸长的双程CuZnAl记忆合金弹簧的动作变化情况 1 2形状记忆合金 形状记忆效应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 2 什么是形状记忆效应 为什么形状记忆合金不 忘记 自己的 原形 呢 原来 在某些合金材料中会出现一种叫做热弹性马氏体的晶相组织 这种组织的特点是 它的相变驱动力很小 很容易发生相变 它能随着温度的升高而弹性地缩小或长大 故称其为 热弹性马氏体 1 2形状记忆合金 图1 1形状记忆效应和超弹性 普通金属去掉外力后能恢复到原来形状者仅限于0 5 以下的应变量 而形状记忆合金的应变量可高达20 1 2形状记忆合金 图1 2普通金属材料由滑移引起永久形变时的原子移动和试料形状变化模式图 范性形变 固体受外力作用而使各点间相对位置发生变化 当外力撤消后 固体不能恢复原来形状 称之为 索性形变 又称为 范性形变 与之相对应的是 弹性形变 1 2形状记忆合金 图1 3形状记忆效应和超弹性的示意图 图4Cu Al Ni Ti形状记忆合金电阻随温度的变化 1 2形状记忆合金 1 Cu 金属 温度升高散射作用增大 电阻率 升高 温度下降散射作用减小 电阻率 下降 2 Si 半导体 温度升高晶格散射加剧会使 n减小 但激发产生的载流子增多 使 减小占优势 从而使宏观电阻率 减小 使Si呈现负温度特性 单程形状记忆效应 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 1 2形状记忆合金 3 形状记忆效应的三种形式 1 2形状记忆合金 双程形状记忆效应 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或可逆形状记忆效应 全程形状记忆效应 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 4 形状记忆合金材料的发展 早在1951年美国的T A Read等在一次实验中偶然发现了金 镉 Au Cd 合金具有形状记忆特性 当时并未引起重视 1953年他们又在铟 铊 In Tl 合金发现这类效应 直到1963年美国海军装备实验室的科学家发现镍 钛合金具有形状记忆效应后 才奠定了记忆合金的重要地位 当时 该实验室的科学家正研制一种高强度的耐腐蚀合金 其成分是含镍55 含钛45 在试验这种合金丝时 他们曾将这种合金绕成一个螺旋形线圈 并加热到150 冷却后又把线圈完全拉直 后来 一个偶然机会 他们把拉直的合金丝再次加热时 出现一个奇迹 在温度升高到95 时 拉直的镍钛合金丝竟自动卷曲成原来的螺旋线圈形状 当时研究人员几乎不相信自己的眼睛 于是又反复试验 把合金丝加热并变成各种复杂的形状 然后冷却并拉直 然后提高温度并观察合金的表现 在这种反复的实验中 合金每次都表现了非凡的 记忆能力 如图5中间一组图所示 1 2形状记忆合金 1 2形状记忆合金 a 未拉长 b 被拉长后 c 温度升高到95 时恢复原长 单程TiNi记忆合金簧的动作变化情况 从此掀起了形状记忆合金研究的热潮 并产生了多种实用化的新思想 新的形状记忆合金应运而生 表1 1给出了部分形状记忆合金的组成以及热弹性马氏体的转变温度 形状记忆合金材料目前已有100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 相合金 但最引人注目的是Ni Ti基合金 Cu Zn Al合金 Cu Al Ni合金和Fe Mn Si合金等 1 2形状记忆合金 Ni 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 1 2形状记忆合金 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 Zn Al和Cu Ni Al合金可在很宽的 100 300 范围内调节 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 1 2形状记忆合金 5 形状记忆合金的应用 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 2形状记忆合金 1 形状记忆热发动机 1 2形状记忆合金 1973年美国试制成第一台利用海水温差发电热机 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 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 用记忆合金管接头连接两根管子 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 1 2形状记忆合金 1 2形状记忆合金 记忆合金在医疗上的应用也很引人注目 1 接骨用的骨板 不但能将两段断骨固定 而且在恢复原形状的过程中产生压缩力 迫使断骨接合在一起 2 利用镍钛记忆合金制作的胆道内支架在治疗胆道狭窄具有充分扩张和支撑狭窄胆道的优良特性 能恢复和维持正常胆道生理 可以有效防止胆道再阻塞 3 血栓过滤器也是一种记忆合金新产品 被拉直的过滤器植入静脉后 会逐渐恢复成网状 从而阻止95 的凝血块流向心脏和肺部 4 人工心脏是一种结构更加复杂的脏