形状记忆合金

,形状记忆合金,演讲：刘士琦,成员：万敏、石磊、祁正淮、丁昇,基于形状记忆合金的航空航天形状自适应结构技术,形状记忆合金的应用背景,形状记忆合金的记忆原理,形状记忆合金的功能特点,形状记忆合金在航空航天中的应用,形状记忆合金在医学中的应用,形状记忆合金在生活中的应用,形状记忆合金的发展前景,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。,形状记忆合金应用背景,请你想象一下,1988年4月28日波音737飞机在美国出现灾难性断裂事故，如今飞机的事故仍在继续发生。,2008年5月12日我国发生了举世震惊的汶川大地震，伤亡惨重。,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性能 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。,形状记忆合金应用背景,形状记忆合金演示实验,材料在一定的温度下会恢复一定的形状仿佛记住了温度所赋予的形状一样,形状记忆合金记忆原理,在有些材料中，即使是同一材料组成的晶体中，也可能存在不同的晶体结构，这种现象称为同素异构。金刚石和石墨就是炭的同素异构体。,石墨的晶体结构,金刚石的晶体结构,铁也有两种不同的基本晶体结构，即体心立方铁和面心立方铁。这种由相同的原子组成的不同的晶体结构，在材料学中又称为不同的“相”。体心立方铁和面心立方铁属不同的“相”，前者称为 Fe ( 铁素体)，后者称为Fe(奥氏体)。,形状记忆合金记忆原理,前者是常温下存在，而后者是高温下存在，它们在硬度、密度和塑性变形能力等性质上都不相同。,人们利用同一种成分的材料可以有不同的“相”， 就能演出一幕幕“相”变戏，即改变外界条件如温度,使材料由一种晶体结构变成另一种晶体结构，材料的力学性能和物理或化学性能也就随之改变，当温度恢复时材料的晶体结构也恢复到原来的状态，性质也随之复原。,形状记忆合金就是利用一些材料的晶体结构的相互转变来使其具有形状记忆功能的。,形状记忆合金记忆原理,从微观来看，形状记忆效应是晶体结构的固有变化规律。通常金属合金在固态时，原子按照一定规律排列起来；而形状记忆合金的原子排列规律则是随着环境条件的改变而改变。比如，当温度下降到某个临界温度以下时，原子按某一种规律进行排列，此时的结构称为马氏体相；而当温度升高到某个临界温度以上，原子的排列规律就会发生改变，原子又按另一种规律进行排列，此时又称之为奥氏体相或母相。形状恢复的推动力是由在加热温度下母相和马氏体相的自由能之差产生的。从宏观来看，材料在高温下被处理成一定形状，再急冷下来，在低温相状态下经塑性变形为另一种形状，然后加热到高温相成为稳定状态的温度时，通过马氏体逆相变恢复到低温塑性变形前的形状。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 Alloy ，简称SMA)。,形状记忆合金记忆原理,Af,形状记忆效应可分为三类单程记忆效应：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。,形状记忆合金记忆原理,左图是一个双程CuZnAl记忆合金弹簧，它是SMA用作驱动器的典型形式。该弹簧是随温度变化自行伸缩的感温驱动元件。采用CuZnAl记忆合金丝，表面镀锡，以热水或热风为热源，典型伸缩温度为6585，自由状态为45mm，伸长状态为200mm。 可见其形变量较大，可以产生足够的驱动力。,利用记忆合金在加热时形状恢复的同时其回复力可对外作功的特性，能够制成各种驱动元件。这种驱动机构结构简单，灵敏度高，可靠性好。,形状记忆合金驱动器,左图是一种SMA用于温度传感的典型形式，这种控制器是把SMA丝作为电桥的一个电阻，当SMA丝感温后电阻率发生变化，从而引起电桥失去平衡，电流信号通过放大器被放大，从而激活继电器产生动作。,形状记忆合金传感器,(3)在一定条件下利用电阻特性将NiTi超弹丝用作智能材料与结构系统的传感元件来检测结构内部应力、应变时，应使其初始状态处于应力诱发马氏体相变完成后的马氏体弹性变形阶段，以减小温度变化对其传感性能的影响。,形状记忆合金本质上是金属，因此它具有金属的导电性，即表现为电阻特性。但SMA的电阻率受应力影响，其应力-电阻率特性曲线在弹性变形范围内呈线性，因而可以利用其电阻特性来监测结构系统的应力应变状态。,近年来，NiTi形状记忆合金丝作为智能材料与结构领域很有希望的驱动器材料而受到瞩目在一个应用NiTi丝作为驱动器的智能材料与结构中，如果通过监测埋人高分子材料中的NiTi丝的电阻值，了解复合材料应力或应变的变化，从而白诊断材料的损伤I通过对NiTi丝通电加热的方法使NiTi丝发生马氏体一奥氏体转变，产生回复力，减少裂纹的应力集中，降低裂纹的扩展速率，最终使裂纹回缩得到自愈合。这样，NiTi丝既起到了驱动器的作用，也起到了传感器的作用，从而简化了系统复杂性本文在前期工作 的基础上，对NiTi丝的电阻性能进行了研究。,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,形状记忆合金特性,SMA的这些特性，从总体上看，是对环境刺激的自我适应，即通过调整内部结构来适应外界条件。这说明SMA同时具有传感和驱动的功能。这种特性在许多智能材料和智能系统的设计中有重要价值。,形状记忆合金在航空航天中的应用,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。,月面天线,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,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,自适应智能机翼,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置，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置，使其震动降到最低。,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。,形状记忆合金在航空航天中的应用,智能机械手,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,记忆铆钉,形状记忆合金在航空航天中的应用,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。,形状记忆合金在航空航天中的应用,奥氏体相下的紧缩套管,马氏体相下的膨胀套管,记忆合金管接头,升温,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,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,记忆食道支架,温度调节装置,形状记忆合金在生活中的应用,SMA热驱动器基本工作原理就是一个在特定温度或特定温度范围内的“开关”运动。SMA弹簧跟可调偏压弹簧相对，二者均直接接触冷热水混合流。水温太高时SMA弹簧向右推动活塞，限制热水流，降低混合水的水温。水温太低时发生相反的运动。送出的水温用改变偏压弹簧缩量的温度控制旋钮调节。,过热保护装置,形状记忆合金在生活中的应用,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。,空调的制冷效果是靠开、关压缩机或改变电流频率来控制的。从空调送出的风温不能改变，有时冷的令人不适。解决该问题的方法是用装在空调机前部的SMA驱动器的活动导流片来控制气流的方向。冷气流被控制向上吹；暖气流被控制向下吹。在连接结构和导流片的摇摆运动模型中，SMA弹簧和偏压弹簧通过一个枢轴驱动导流片作跷跷板似的摇摆运动，从而改变气流方向。,空调风向调节机构,形状记忆合金在生活中的应用,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6585，闭合温度为室温。花蕾直径80mm,展开直径200mm。,记忆合金花,形状记忆合金在生活中的应用,利用形状记忆效应可以制成记忆眼镜框，如果不小心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。而且这种眼镜框具有超弹性，使人佩戴后感到非常舒适。,形状记忆合金在生活中的应用,记忆眼镜框,形状记忆合金制成的“蝴蝶” （可模仿肌肉的收缩）,形状记忆合金在生活中的应用,记忆照明灯罩,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。,记忆汽车外壳,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。,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。,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。,其他应用,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