材料-形状记忆材料

1、形状记忆材料shape memory materials形状记忆合金北京航空航天大学材料科学与工程学院材料科学与工程前沿之形状记忆材料主 要 内 容形状记忆合金形状记忆陶瓷形状记忆聚合物形状记忆合金形状记忆效应：合金在低温马氏体态即使变形超过弹性极限，在加热后仍然能够恢复到原来的形状。形状记忆效应回复应变可达8%。形状记忆合金马氏体奥氏体马氏体一种具有形状记忆效应和超弹性的金属智能材料1963年美国海军武器实验室W.J. Burhler等发现近等原子比的NiTi（Nitinol , Naval Ordnance Laboratory) 合金具有良好的形状记忆效应：形状记忆合金超弹性：合金在奥氏

2、体态变形超过弹性极限，卸载后仍能回到原来形状。超弹性回复应变可达8%。一种具有形状记忆效应和超弹性的金属智能材料形状记忆合金的发展 1970年代初，发现Cu基合金也具有良好形状记忆效应。 80年代末，在铁基合金，如FeMnSi合金中发现形状记忆效应。后来，相续发现的形状记忆合金达20多种 1996年美国MIT首先报道了NiMnGa单晶在磁场下诱发了0.2%的磁致应变。随后，这类磁场驱动形状记忆合金在世界范围内获得了广泛的关注和研究。之后，各种磁驱动形状记忆合金不断出现：NiFeGa、CoNiGa、NiCoMnIn等. 2000年以后，以TiNb为代表的新型无镍形状记忆合金成为新的研究热点 Ni

3、Ti基形状记忆合金 Cu基形状记忆合金 Fe基形状记忆合金 NiAl基形状记忆合金 AuCd贵金属形状记忆合金 Ti合金系列:Ti-X(X=Nb, Mo, Zr, Ta） NiMnGa磁驱动形状记忆合金形状记忆合金的种类形状记忆合金之所以具有形状记忆效应,是因为这些合金在温度变化时发生了马氏体相变！形状记忆效应与马氏体相变马氏体变体的光学显微照片形状记忆的机理马氏体相变 形状记忆效应结构变化图解NiTi合金电阻温度曲线马氏体相变的非线性滞后特性超弹性效应示意图超弹性应力诱发马氏体相变力学行为伪弹性记忆效应约束回复TiNi形状记忆合金的回复力温度曲线约束回复力回复力NiTi基:400MPaCu

4、基:200MPa形状记忆合金的形状记忆回复应变温度曲线回复应变形状记忆回复做功示意图TiNi基记忆合金马氏体结构相变特点力学性能智能复合材料TiNi基记忆合金相图具有形状记忆效应的TiNi合金只存在于很窄的成分区内TiNi记忆合金马氏体结构TiNi记忆合金中B19马氏体典型的三角组织形貌Madangopal K. Acta Mater 1997;45:5347.TiNi形状记忆合金力学性能 Ti-50.6Ni合金在不同温度下的应力应变曲线。Miyazaki S, et al. Scripta Metall 1981;15:287. 基体：结构材料铝，水泥，高分子 功能材料压电陶瓷，磁致伸缩材料

5、 智能复合材料（Smart composites) 目标：自增强（self strengthening）, 主动模态调制（active model modification） 纤维（1）、颗粒（0）和薄膜（2）形状记忆合金智能复合材料形状记忆合金颗粒增强金属基复合材料 （0-3型）形状记忆合金智能复合材料TiNi丝/环氧树脂复合材料示意图（1-3型） 形状记忆合金智能复合材料在提出了基体相变应变与纳米线弹性应变匹配的设计概念基础上，成功制备出了一种Nb纳米线/伪弹性NiTi形状记忆合金原位自生复合材料。该材料具有大准线性弹性应变、低弹性模量和高屈服强度。填补了传统三大类材料（金属、陶瓷及高分子

6、材料）力学性能的空白区，有望成为在生物医用、航空航天等领域应用的新型多功能材料。Science审稿人评价认为：这篇文章是诸多方面的卓越工作； 特别鼓舞人的是，在已被认为成熟、难以取得突破的领域，取得重大进展； 对材料科学具有重要、新颖的贡献。同期Science 期刊给予专题评述：认为该工作预示着材料设计新时代的到来 。H001H001H=10KOeT=283K(A) +50ppm -120ppmT=265K(M) +600ppm -1300ppmK.Ullakko et al., Appl. Phys. Lett.(69) 1996: 1966Ni2MnGa单晶相变应变及磁致应变磁场驱动形状记

7、忆合金R.C.OHandley, et al, J.Appl.Phys.,(83) 2000:4712磁驱动记忆合金磁场诱发应变机制磁场驱动形状记忆合金磁场诱发应变机制1、磁场诱发马氏体孪晶再取向（上图）； Ni2MnGa 0.2%9%2、磁场诱发马氏体相变:NiCoMnIn 3%,具有7M结构马氏体的Ni48.8Mn29.7Ga21.5合金单晶的应力应变曲线和高达9.5%的磁驱动应变，源于马氏体孪晶再取向。1746-17482002截止2016年5月3日SCI引用1058次pp：957-960采用大磁场诱发了Ni-Co-Mn-In合金中从反铁磁（或者顺磁）马氏体到铁磁母相之间的可逆相变，使经

8、过预压缩变形合金在磁场驱动下的回复应变达到3%。航空管路连接-最早最成功的应用范例传统连接形式形状记忆合金连接形式适用温度范围：-55至200；工作压力范围：21 MPa。形状记忆合金的应用航空领域的应用降噪波音飞机机翼后缘安装的可变外形“Chevron”，用来降低起飞和着陆时的噪音。VGC-Variable Geometry ChevronJames H et al. AIAA 2006-2142航空领域的应用降噪James H et al. AIAA 2006-2142波音飞机机翼后缘安装的可变外形“Chevron”，用来降低起飞和着陆时的噪音。航空领域的应用减重吸能超弹形状记忆合金作为轻

9、型飞行器的起落装置：减重、吸能2007星箭分离SMA分离装置代替原有火工分离装置：降低冲击、安全可靠、环保航天器用分离机构航天领域应用-异质材料连接利用超弹性连接高分子和金属构件眼镜框日用生活中的应用水温调节器(形状记忆)日用生活中的应用聚髌器 接骨骑缝钉 接骨器 生物医学应用利用形状记忆功能的接骨器口腔科用形状记忆合金医疗器械牙齿矫形丝、根管器械、颌面修补器牙齿矫形丝根管锉生物医学应用介入医学用形状记忆合金医疗器械管腔支架、先心封堵器、静脉滤器、动脉瘤栓塞器管腔支架：食管、气管、胆道、尿道等先心介入封堵器生物医学应用形状记忆陶瓷形状记忆陶瓷1977年发现变形云母玻璃形状回复现象：粘弹性机制1

10、975年发现ZrO2基陶瓷应力诱发马氏体相变；液相(L)立方相（c）四方相（t）单斜相（m）270623709501150ZrO2中的相变ZrO2陶瓷的超弹性和形状记忆效应源于单斜马氏体相和四方母相之间的可逆相变形状记忆陶瓷12mol%CeO2-ZrO2室温单轴压缩轴向应力应变曲线；x轴下方为加热时应变回复曲线。应力诱发t-m马氏体相变12CeO2-ZrO2在不同温度下的应力应变曲线；形状记忆陶瓷CeO2Y2O3稳定的ZrO2陶瓷中具有形状记忆效应和超弹性；小尺度（直径1微米）陶瓷棒可承受50次压缩加卸载循环；其超弹性回复应变可达7%。该材料具有高能量输出、高阻尼和高服役温度特性。形状记忆聚合

11、物聚合物力学特征高聚物的形变温度曲线形状记忆聚合物（SMP）：热致敏感型可逆相：物理交联结构结晶态、玻璃态；随温度变化能可逆固化和软化。固定相：物理交联结构（热塑性）或化学交联结构（热固性）；防止树脂流动并记忆起始态。形状记忆聚合物热塑性SMP形状记忆过程示意图形状记忆聚合物苯乙烯/丁二烯共聚物形状记忆聚合物热固性SMP形状记忆过程示意图形状记忆聚合物形状记忆聚合物聚异戊二烯四种微结构Trans-PI反式聚异戊二烯的记忆过程形状记忆聚合物一种具有形状记忆功能的聚己内酯类高分子材料；在20到40oC之间发生形状回复；动物实验证明利用其形状记忆效应实现了缝合功能，同时具有降解功能。形状记忆聚合物典型应用SMP热收缩管的应用线材加工的被覆与绝缘保护焊点保护、电子元器件的包覆电阻、电容的绝缘保护金属产品的防锈、防腐蚀处理电线标示或标色参考书目K. otsuka, CM Wayman, Shape