电子功能材料及元器件：1-2 形状记忆合金

1、11.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2 （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 神奇的形状记忆合金2022/7/131 神奇的形状记忆合金高温缩短的双程CuZnAl记忆合金弹簧的动作变化情况4(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 1 神奇的形状记忆合金2022/7/13 (a) 原始形状 (b) 拉 直

2、(c) 加热后恢复形状记忆效应简易演示实验1 神奇的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71 神奇的形状记忆合金8图 用钛-镍形状记忆合金制成的人造卫星天线1 神奇的形状记忆合金91-2 形状记忆合金 形状记忆效应（Shape Memory Effect）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。（Shape Memory Alloy）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

3、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”。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“塑性 形变”，又称为“范性形变”，与 之相对应的是“弹性形变”。101-2 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%。111-2 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 121-2 形状记忆合金图1-3

4、 形状记忆效应和超弹性的示意图形状记忆合金材料应具备的条件：1 马氏体相变是热弹性的2 马氏体点阵的不变切变为孪变、孪晶或层错3 母相和马氏体相均为有序点阵结构晶体结构相同，结晶方向不同，复数同晶系晶体构成超弹性(PE)1-2 形状记忆合金 超弹性是指当SMA 温度超过奥氏体（母相）相变完成温度Af ,加载应力超过弹性极限,即产生非弹性应变后,继续加载将产生应力诱发的马氏体相变,但这种马氏体随着应力的消失而消失,即使不加热也会产生马氏体逆相变而恢复到原来的母相(奥氏体相)状态,应力作用下产生的宏观变形也将随着逆相变的进行而完全消失。其中应力与应变的关系表现出明显的非线性，这种非线性弹性和相变密

5、切相关，叫做相变伪弹性或超弹性。由于SMA 良好的物理性能,世界上已有采用SMA 作为结构加固元件应用到实际工程中的例子。1996 年10 月发生在意大利Emilia Romagna 地区的4. 5 级地震,使San Giorgio 教堂的钟塔遭到了严重的破坏, Indirli 等用4 根超弹性SMA 棒与钢筋连接在一起,由上至下贯穿地安装到钟塔的4 个角内,对钟塔进行修复 ,并且进行了理论研究、数值分析和动态测试。 研究结果显示,这种修复方式与传统方法相比,可以减小结构的加速度,限制结构的受力,耗能能力更强。在2000 年6 月的相同震级的地震中,经过修复的钟塔安然无恙。应用实例1-2 形状

6、记忆合金15图1-4 Cu-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。16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181-2 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

7、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。19（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 用CuZnAl记忆合金轧制成的薄片做成花瓣，利用CuZnAl记忆合金双程记忆恢复特性制成的记忆合金花，花蕾动作幅度为180。以热水或热风为热源，开放温度为65-85，闭合温度为室温。201-2 形状记忆合金(a) 放入热水前 (c) 得到一定回复后的形状(d) 进一步

8、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 (b) 放入热水前 用TiNi记忆合金轧制成的薄片做成花瓣，利用TiNi记忆合金全程记忆恢复特性制成的记忆合金花，花蕾动作幅度为180至-180。以热水或热风为热源，开放温度为65-85 ，闭合温度为室温。214. 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

9、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”。 1-2 形状记忆合金 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。

10、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23 Ni-Ti基合金 其原子比为11，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

11、-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24 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

12、。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255.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1-2 形状记忆合金航空航天工业中的应用（a）原始形状 （b）折成球形装入登月舱 （c）太阳能加热后(2) 用于机械、电子方面1-2 形状记忆合金机械电子产品中的应用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（a）消化道内支架 （b）

13、血管内支架 （c）胆道内支架 腔内支架临床应用实例2022/7/13日常生活 形状记忆合金眼镜架2022/7/13形状记忆合金（a）能撑起自重100倍以上的重量，马达（b）的驱动力可达自重的50倍，而蚂蚁（c）和人（d）则分别是20倍和2倍。形状记忆合金的应用实例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

14、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，

15、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