形状记忆材料应用

形状记忆材料应用 形状记忆合金由于具有许多优异的性能 因而广泛应用于航空航天 机械电子 生物医疗 桥梁建筑 汽车工业及日常生活等多个领域 1 工程应用形状记忆合金在工程上的应用很多 最早的应用就是作各种结构件 如紧固件 连接件 密封垫等 另外 也可以用于一些控制元件 如一些与温度有关的传感及自动控制 形状记忆合金一面世 就为航空工业立了一功 如美国F 14战斗机平均每架要用800个形状记忆合金接头 自1970年以来美国海军飞机使用了几十万个这样的管接头 没出现过一次失败的记录 用形状记忆合金做管接头的办法 先在转变温度以上 把镍钛合金管接头按密封要求尺寸进行加工 使它的内径比所要连接管子的外径小4 然后在液氮低温下将管接头直径扩大 使它的内径比所要连接管子的外径稍大点 大4 并把两根要连接的管子从 两端对准插入接头 最后 当管子处于工作状态 温度回升到转变温度以上 镍钛合金发挥形状记忆效应 管接头自动收缩 管径变细 回复第一次加工的尺寸 它就把两根管子紧紧地连在一起 还可用于制造探索宇宙奥秘的月球天线 人们利用形状记忆合金在高温环境下制做好天线 再在低温下把它压缩成一个小铁球 使它的体积缩小到原来的千分之一 这样很容易运上月球 太阳的强烈的辐射使它恢复原来的形状 按照需求向地球发回宝贵的宇宙信息 另外 在卫星中使用一种可打开容器的形状记忆释放装置 该容器用于保护灵敏的锗探测器免受装配和发射期间的污染 用形状记忆合金作紧固件 连接件的优点是 夹紧力大 接触密封可靠 避免了由于焊接而产生的冶金缺陷 适于不易焊接的接头 如严禁明火的管道连接 焊接工艺难以进行的海底输油管道修补等 金属与塑料等不同材料可以通过这种连接件连成一体 安装时不需要熟练的技术 把形状记忆合金制成的弹簧与普通弹簧安装 可以制成自控元件 在高温 Af以上温度 和低温时 形状记忆合金弹簧由于发生相变 母相与马氏体强度不同 使元件向左 右不同方向运动 这种构件可以作为暖气阀门 温室门窗自动开启的控制 描笔式记录器的驱动 温度的检测 驱动 形状记忆合金对温度比双金属片敏感得多 可代替双金属片用于控制和报警装置中 1970年美国用形状记忆合金制作F 14战斗上的低温配合连接器 随后有数以百万以上的连件的应用 形状记忆合金作为低温配合连接在飞机的液压系统中及体积较小的石油 石化 电工业产品中应用 另一种连接件的形状是焊接的网状金属丝 用于制造导体的金属丝编织层的安全接头 这种接件已经用于密封装置 电气连接装置 电子工程机械装置 并能在 65 300 可靠地工作 已开出的密封系统装置可在严酷的环境中用作电气件连接 将形状记忆合金制作成一个可打开和关闭快门的弹簧 用于保护雾灯免于飞行碎片的击坏 用于制造精密仪器或精密车床 一旦由于震动 碰撞等原因变形 只需加热即可排除故障 在机械制造过程中 各种冲压和机械操作常需将零件从一台机器转移到另一台机器上 现在利用形状记忆合金开发了一种取代手动或液压夹具 这种装置叫驱动汽缸 它具有效率高灵活 装夹力大等特点 1973年 美国试制成第一台Ti Ni热机 利用形状记忆合金在高温 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与热能之间的相互转换 尽管这种热机只产生了0 5w的功率 1983年功率已达20w 但发展前景十分诱人 可以利用这种装置实现利用海水温差发电的梦想 2 医学应用利用Ti Ni合金与生物体良好的相容性 可制造医学上的凝血过滤器 脊椎矫正棒 骨折固定板等 a 牙齿矫形丝用超弹性TiNi合金丝和不锈钢丝做的牙齿矫正丝 其中用超弹性TiNi合金丝是最适宜的 通常牙齿矫形用不锈钢丝CoCr合金丝 但这些材料有弹性模量高 弹性应变小的缺点 为了给出适宜的矫正力 在矫正前就要加工成弓形 而且结扎固定要求熟练 如果用TiNi合金作牙齿矫形丝 即使应变高达10 也不会产生塑性变形 而且应力诱发马氏体相变 stress inducedmartensite 使弹性模量呈现非线型特性 即应变增大时矫正力波动很少 这种材料不仅操作简单 疗效好 也可减轻患者不适感 b 脊柱侧弯矫形各种脊柱侧弯症 先天性 习惯性 神经性 佝偻病性 特发性等 疾病 不仅身心受到严重损伤 而且内脏也受到压迫 所以有必要进行外科手术矫形 目前这种手术采用不锈钢制哈伦敦棒矫形 在手术中安放矫形棒时 要求固定后脊柱受到的矫正力保持在30 40kg以下 一但受力过大 矫形棒就会破坏 结果不仅是脊柱 而且连神经也有受损伤的危险 同时存在矫形棒安放后矫正力会随时间变化 大约矫正力降到初始时的30 时 就需要再进行手术调整矫正力 这样给患者在精神和肉体上都造成极大痛苦 采用形状记忆合金制作的哈伦顿棒 只需要进行一次安放矫形棒固定 如果矫形棒的矫正力有变化 以通过体外加热形状记忆合金 把温度升高到比体温约高5 就能恢复足够的矫正力 形状记忆合金材料还能代替石膏夹板 如下左图所示 在内科方面 可将细的Ti Ni丝插入血管 由于体温使其恢复到母相的网状 阻止95 的凝血块不流向心脏 用形状记忆合金制成的肌纤维与弹性体薄膜心室相配合 可以模仿心室收缩运动 制造人工心脏 给患者带来了福音 随着形状记忆的发展 医学应用将会更加广泛 3 日常生活应用 a 防烫伤阀在家庭生活中 已开发的形状记忆阀可用来防止洗涤槽中 浴盆和浴室的热水意外烫伤 这些阀门也可用于旅馆和其他适宜的地方 如果水龙头流出的水温达到可能烫伤人的温度 大约48 时 形状记忆合金驱动阀门关闭 直到水温降到安全温度 阀门才重新打开 b 眼镜框架在眼镜框架的鼻梁和耳部装配TiNi合金可使人感到舒适并抗磨损 由于TiNi合金所具有的柔韧性已使它们广泛用于改变眼镜时尚界 用超弹性TiNi合金丝做眼镜框架 即使镜片热膨胀 该形状记忆合金丝也能靠超弹性的恒定力夹牢镜片 这些超弹性合金制造的眼镜框架的变形能力很大 而普通的眼镜框则不能做到 c 移动电话天线和火灾检查阀门使用超弹性TiNi金属丝做蜂窝状电话天线是形状记忆合金的另一个应用 过去使用不锈钢天线 由于弯曲常常出现损坏问题 使用TiNi形状记忆合金丝移动电话天线 具有高抗破坏性受到人们普遍欢迎 因此常用来制作蜂窝状电话天线和火灾检查阀门 火灾中 当局部地方升温时阀门会自动关闭 防止了危险气体进入 这种特殊结构设计的优点是 它具有检查阀门的操作 然后又能复位到安全状态 这种火灾检查阀门在半导体制造业中得到使用 在半导体制造的扩散过程中使用了有毒的气体 这种火灾检查阀也可在化学和石油工厂应用 近年来 日本研制出一种形状记忆塑料 苯乙烯和丁二烯聚合物 当加热至60 时 丁二烯部分开始软化 而苯乙烯仍保持坚硬 以此来保持形状记忆功能 现状记忆塑料制成的连接器加热变软 连接两段管子 冷却后变硬恢复原有直径 这种连接器可产生很高的结合度 可以在家庭内使用 日本几家汽车甚至设想把形状记忆塑料制成汽车的保险杠和易撞伤部位 一旦汽车撞瘪 只要稍加热 如用电吹风 就会恢复原形 总之 聚合物形状记忆材料具有广阔的应用前景 形状记忆材料是一种集感知和驱动双重功能为一体的新型材料 你还能想到能用形状记忆材料来做什么有益于人们的生产和生活吗 想一想 试想一下 酷暑难当 挥汗如雨之际 如果你的衬衣居然善解人意地自动把袖子卷起来让你凉快一下 是不是一件很酷的事 意大利一家公司新近就用形状记忆合金纤维造出了一件这样的衬衫 据报道 这种衬衣使用镍钛记忆合金纤维和尼龙混织而成 比例为五根尼龙丝配一根镍钛合金丝 在周围温度升高时 这件衬衣的袖子会立即自动卷起 据称 这衬衣还不怕起皱 即使揉成乱糟糟的一团 用电吹风吹一下 马上就能复原 甚至人的体温也可以自动把它 烫平 此外 它还可水洗 不易引起皮肤过敏 但由于含有合金纤维 衣服不可避免地带着一些金属特有的灰色 鉴于这件衬衣样品的制作成本高达2500英镑 爱好追逐时尚的消费者在短期内不太可能在服装店里见到它 畅想形状记忆材料 用它做成 金属食道支架 能在患者喉部膨胀成新的食道 必要时只要想食道里加冰块 食道又会遇冷收缩 从而课轻易取出 在工程和建筑领域用TiNi形状记忆合金作为隔音材料及探测地震损害控制的潜力已显示出来 已试验了桥梁和建筑物中的应用 因此作为隔音材料及探测损害控制的应用已成为一个新的应用领域 随着薄膜形状记忆合金材料的出现和开发利用 形状记忆合金在智能材料系统中受到高度重视 应