5.4形状记忆合金的应用.ppt

1、5.2.3 铁系形状记忆合金,到现在为止，发现的铁基形状记忆合金已有多种。最早发现FePt（铂），FePd（钯）合金具有形状记忆效应，而且马氏体相变为热弹性型但是，Pt和Pd都是贵金属，在实际应用中，这是一个很不利的因素之后又发现了其它铁基形状记忆合金这几年对铁基形状记亿合金的研究主要放在不锈钢为基体的合金上，近年来又主要在FeMnSi合金为基体的开发中获得了很大的进展,特点： 价格低，加工性好，机械强度大，使用方便。 铁基合金中，FeMnsi合金是至今为止应用前 景最好的一种合金 FeMnsi合金是利用应力诱发马氏体相变而成 的一种形状记忆合金,在MsTTo温度区域的组织状态是有向稳定的马氏

2、体相转变的倾向，可是事实上存在的是母相因此该温度区内的母相处于非稳定状态，或称为准稳定母相. 如果给试样附加一个应力来帮助它实现剪切应变，就等于促使准稳定母相转变成马氏体相这就是在铁基合金这一特定条件下所谓的应力诱发马氏体相变,如果应力诱发得到的马氏体相 变一般不超过20一30(体积)，继续增加应力诱发量变形中就会导入滑移变形为了增加记忆回复应变量采取热处理训练方法是十分有效的 对FeMnSi合金在室温时使之变形再加热到600 ，循环数次，或在室温形变后加热至500，再降温后强恢复到变形前的形状，记忆效果显著提高。,Fe-32Mn-6Si%,提高其耐腐蚀性，往往采用添加cr的办法FeMnsi合

3、金中添加cr，会提高耐腐蚀性。 研究发现，添加cr会使与添加si具有相同的效果，对形状记忆效应没有不利的影响为了维持相变温度射，在室温附近，对不同的cr添加量用调节Mn的含量来加以控制实验证实，增加cr的含量，减少Mn的含量，形状记忆效应更出色。 如果添加Cr超过7wt%,会生成相，导致出现断裂。 在不锈钢材料中采用添加NC等元素对FeMnSiCr合金来说、添加C，N后会产生碳化物或氮化物，虽然可以避免生成。相，但是对加工性能不利所以选择添加第5元素Ni是最合适的.,通过喷射盐水后台金生锈喷雾试验,成功的合金例子是Fe13Cr-6Ni8Mn6Si12Co该合金的马氏体转变温度点 在室温附近经过

4、热处理训练后在空温下变形形状记忆效应可达到80,5.3形状记忆材料的应用,1963年，美国海军一个研究所奉命研制一种新式装备。在一次试验中他们需要一些镍- 钛合金丝，然而当他们将合金丝领回来时，却发现这些镍钛合金丝是弯弯曲曲的，使用起来不方便。于是他们就将这些细丝一根根地拉直，并用在试验中。在试验过程中，奇怪的现象出现了：当温度升到一定值的时候，这些已经被拉得直直的镍钛合金丝，突然又全部恢复到原来弯弯曲曲的形状，而且丝毫不差，和原来一模一样。他们反复作了多次试验，结果都是这样被拉直或做成其他形状的镍钛合金丝，只要遇到这个温度，便立即恢复到原来那种弯弯曲曲的样子。好像从前被“冻”得失去知觉时，被

5、人们改变了形状，而当温度升高到一定值的时候，它们“苏醒”了，又“记忆”起了自己原来的模样，于是便不顾一切地恢复了自己的“本来面目”。类似的现象是在50年代初期就不止一次地被观察到，只不过当时没有引起足够的重视，所以使记忆合金的真正实用化晚了十几年。 美国海军研究所的这一发现引起了科学家的极大兴趣，他们在对此进行了深入的研究和反复的试验之后发现很多合金都有这种奇特的本领：人们可以在一定温度范围内根据需要改变它们的形状，可是到一个特定的温度，它们便一个个自动恢复到自己原来的形状，丝毫不差。而且这一“改变恢复”的现象可重复进行，其“记忆”能力决不会降低。科学家们把这种现象叫做“形状记忆效应”。,自从

6、TiNi合金的形状记忆效应被发现后，应用开发的速度大大加快，申请获得专利的项目剧增。最典型的应用例子是航天飞机的伞型天线，为方便发射把它压扁附在船体上，飞船升空后受阳光的辐射而升温，于是天线便记忆起原来的形状，重新支起。此外，形状记忆合金在机械、电气、运输、化学、能源、宇航、医疗、生活用品等领域都得到了应用。,1969年7月20日，乘坐“阿波罗-11号”登月舱的美国宇航员阿姆斯特朗在月球上踏下的第一个人类的脚印，谛听着这位勇士从月宫里传回的富于哲理的声音：“ 对我个人来说，这只是迈出的一小步；但对全人类来说，这是跨了一大步 ”。阿姆斯特朗当时的图像和声音就是通过形状记忆合金制成的天线从月球传输

7、回地面的。,1.航空航天,月球上使用的形状记忆合金天线,（a）原始形状（b）折成球形装入登月舱（c）太阳能加热后,科学家用当时刚刚发现不久的形状记忆合金丝制成了如图（a）所示的抛物线形天线。在宇宙飞船 发射之前，首先将抛物面天线折叠成一个小球，如图 （ b ）所示，这样很容易就能装进宇宙飞船上的登月舱内。当登月舱在月球上成功着陆后，只需利用太阳的辐射能对小球加温，折叠成球形的天线因具有形状 “ 记忆 ” 功能便会自然展开，恢复到原始的抛物面形状，如图 （ c ）所示 。,A Typical use: The Smart Wing,The smart is a new technology th

8、at uses Shape memory alloys to Change the Shape of the Wing of a Plane to make it more maneuverable. This is done by simply sending a electric current throw the part of the plane to heat it to the desired temperature. This changes the shape of the wing making the Plane more maneuverable. This was pr

9、eviously done with a heavy Hydraulic system, thus significantly reducing the weight of the plane. This is demonstrated to the right. Pictures from: http:/www.cs.ualberta.ca/database/MEMS/sma_mems/flap.html,2.机械 2.1管接头 NiTi合金的第一个工业应用是用作自动紧固件，即用作受热收缩的管接头。它是于1968年由美国加州的Raychem公司生产的，取名为“Cryofit”，意思是低温下的

10、紧固。使用方法是把制作好的记忆合金管接头一股内径比连接的管子外径小4左右)放在低温(TMf)下扩大管径，然后套在要连接的管于头上(因为马氏体很柔软)。当管接头渐渐升温超过As温度时，它将收缩到原来的形状，从而将管于牢固地连接起来。如果这类管子在室温或室温以下工作的话，它们的结合是极为牢固的。美国海军军用飞机采用这种高效用的NiTi接头已超过30万个，至今无一例失败。,一般部件之间的连接固定采用铆钉、螺栓等连接件。当操作不能达到反面时，例如在密闭中空结构件中，就很难进行紧固操作。利用形状记忆合金材料形状回复的特点，将记忆合金做成铆钉，就可解决上面的难题。 动作原理如图所示，形状记忆处理时，如高温

11、相变使记忆如图(a)形状，并设定相变温度Af低于室温。在连接作业前，将铆钉浸入冰或液态空气中充分冷却，然后将弯曲的端部弄直，如图 (b)，放入要连接部件的孔内，如图(C) 。放置一定的时间，铆钉升到室温，就发生形状回复，如图（d）那样将板连接起来。,2.2 铆钉,形状记忆合金管接头,2.3机械手 形状记忆元件具有感温和驱动的双重功能，因此可以用形状记忆元件制作机器人、机械手，通过温度变化使其动作。图是具有肩、肘、腕、手指5个自由度的微型机械手。手指和手腕靠TiNi合金螺旋弹簧的伸缩实现开闭和弯曲动作，肘和肩是靠直线状的TiNi合金丝的伸缩作弯曲动作。各个形状记忆合金元件都由直接通上的脉宽可调电

12、流加以控制。,图所示为电加热水壶的手柄控制器，柄内装有一只SMAs制作的弹簧。水开后，蒸汽吹至SMAs元件上发生马氏体向奥氏体相变，弹簧伸长带动按钮推开电触头，达到自动切断电源目的。同双金属片比较，SMAs元件机构简单，双金屑片挠曲量相对SMAs要小得多。一块长50mm、厚l mm的双金屑片在100温差产生的挠度仅2mm4mm，而在相同条件下SMAs却可得到20mm挠度，因而用后者更为灵敏可靠。,3 .电子器件,在车辆上常用的为Ti50Ni50，它可用来制造风扇自动离合器、轮胎防滑钉、雾灯罩自动开闭装置、手动变速器、电磁阀、散热器护栅活门等。如图中所示为发动机冷却风扇离合器。,图 形状记忆合金

13、制作的发动机冷却风扇离合器,形状记忆合金作为驱动元件的新型热静力式疏水阀是利用蒸汽和凝结水的温度不同,依靠记忆合金元件的形状对温度的记忆能力,完成疏水阀的开启,1973年，美国的Banks试制成第一台TiNi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，实现机械能户热能之间的相互转换。如图所示，其装置是一个水平放置的轮子，轮辐是偏心结构，每根轮辐上挂有用TiNi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。

14、尽管这种热机只产生了0.5W的功率(至1983年功率已达20 W)，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。,4.发动机,形状记忆合金血栓过滤器,5.医疗,Ti-Ni丝插入人体血管，体温使其 恢复到母相的网状，阻止凝血块 不流向心脏。,90年代后期，研制出用对电磁场敏感的铁氧体包覆Ti-Ni形状记忆合金丝制成了癌症温热疗法用针。,首先，通过导管将这种针植入病人癌变部位，由于形状记忆作用，这种针会发生弯曲变形现象； 其次，在通过涡流效应产生高频电磁场作用下，形状记忆合金针将能够产生一定的热量而使癌变区得到萎缩。,人工关 节,人的体温使Ti-Ni合金发生相变，不但固定 两端

15、骨，而且在相变过程中产生很大压力 使断骨很快愈合。,人造血管,心脏起搏器,人工心脏瓣膜,医用腔内支架的应用原理示意,（a）预压缩 （b）受热扩张后（c）植入腔道内效果,2.7生活 形状记忆合金同样在生活中得到了广泛的应用烟灰缸、眼镜架、热水控温阀、电加热水壶、自动开闭百叶窗等。 利用形状记忆合金的超弹性特性开发出的眼镜框，是形状记忆台应用中最早商品化助产品之一。,作为一类新兴的功能材料，形状记忆合金的很多新用途正不断被开发。记忆合金还可以制成任意变形的眼镜架，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。不久的将来，汽车的外壳也可以用记忆合金制作。如果不小心碰瘪了，只要用电吹风加加温就可恢复原状，既省钱又省力，实在方便。,可根据个人需求随意改变形态的新