智能材料形状记忆合金Word文档格式.docx

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1938年。

当时美国的在Cu-Zn合金小发现了马氏体的热弹件转变。

随后，前苏联对这种行为进行了研究。

1951年美国的Chang相Read在Au47·

5Cd（％原子）合金中发现了行状记忆效应。

这是最早观察到金属形状记忆效应的报道。

数年后，Burkhart在In-Ti合金中观察到同样的现象。

然而在当时，这些现象的发现只被看作是个别材料的特殊现象而未能引起人们足够的兴趣和重视。

直至1962年，美国海军机械研究所r发现了Ni-Ti合金中的的形状记忆效应，才开创了“形状记忆”的实用阶断。

1969年，美国一家公司首次将Ni-Ti合金制成管接头应用于美国F14战斗机上；

1970年，美国将Ti-Ni记忆合金丝制成宇宙飞船用天线。

这些应用大大激励了国际上对形状记忆合金的研究与开发。

20世纪7年代，相继开发出了Ni-Ti基、Cu-Al2-Ni基和Cu-Zn-Al基形状记忆合金；

80年代开发出了Fe-Mn-Si基、不锈钢基等铁基形状记忆合金，由于其成本低廉、加工简便而引起材料工作者的极大兴趣。

从20世纪90年代至今，高温形状记忆合金、宽滞后记忆合金以及记忆合金薄膜等已成为研究热点。

从SMA的发现至今已有四十余年历史，美国、日本等国家对SMA的研究和应用开发已较为成熟，同时也较早地实现了SMA的产业化。

我国从上世纪70年代末才开始对SMA的研究工作，起步较晚，但起点较高。

在材料冶金学方面，特别是实用形状记忆合金的炼制水平已得到国际学术界的公认，在应用开发上也有一些独到的成果。

但是，由于研究条件的限制，在SMA的基础理论和材料科学方面的研究我国与国际先进水平尚有一定差距，尤其是在SMA产业化和工程应用方面与国外差距较大。

记忆合金主要分为以下几种

（1）单程记忆效应：

形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。

（2）双程记忆效应：

某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。

（3）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低温相形状，称为全程记忆效应。

SMA的形状记忆效应源于热弹性马氏体相变，这种马氏体一旦形成，就会随着温度下降而继续生长，如果温度上升它又会减少，以完全相反的过程消失。

两项自由能之差作为相变驱动力。

两项自由能相等的温度T0称为平衡温度。

只有当温度低于平衡温度T0时才会产生马氏体相变，反之，只有当温度高于平衡温度T0时才会发生逆相变。

在SMA中，马氏体相变不仅由温度引起，也可以由应力引起，这种由应力引起的马氏体相变叫做应力诱发马氏体相变，且相变温度同应力呈线性关系。

至今为止发现的记忆合金体系

Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。

形状记忆合金的历史只有70多年，开发迄今不过20余年，但由于其在各领域的特效应用，正广为世人所瞩目，被誉为"

神奇的功能材料"

，其实用价值相当广泛，其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。

三、形状记忆效应的应用

3.1迄今为止,形状记忆合金在空间技术、医疗器械、机械器具、电子设备、能源开发、汽车工业及日常生活各方面都得到了广泛的应用,总的来说,按使用特性的不同,可归纳为下面几类:

（1）自由回复。

SMA在马氏体相时产生塑性形变,温度升高自由回复到记忆的形状。

自由回复的典型例子是人造卫星的天线和血栓过滤器。

美国航空航天局（NASA）将Ti2Ni合金板或棒卷成竹笋状或旋涡状发条,收缩后安装在卫星内。

发射卫星并进入轨道后,利用加热器或太阳能加热天线,使之向宇宙空间撑开。

血栓过滤器把Ni2Ti合金记忆成网状,低温下拉直,通过导管插入静脉腔,经体温加热后,形状变为网状,可以阻止凝血块流动。

有人设想,利用形状记忆合金制作宇宙空间站的可展机构,即以小体积发射,于空间展开成所需的形状,这是很有吸引力的机构。

（2）强制回复。

强制回复最成功的例子是SMA管接头。

事先把内径加工成比被接管外径小4%,当进行连接操作时,首先把管接头浸泡在液态空气中,在低温保温状态下扩径后,把被接管从两端插入,升高温度,内径回复到扩径前的状态,把被接管牢牢箍紧。

利用SMA制作的脑动脉瘤夹可夹住动脉瘤根部,防止血液流入,使动脉瘤缺血坏死。

本田等人用厚度为015mm的Ti2Ni板制作的Ag2TiNi复合夹满足小而轻、装卸简便等要求,效果良好。

此外,类似的用途还有电源连接器、自紧固螺钉、自紧固夹板、固定销、密封垫圈、接骨板和脊柱侧弯娇形哈伦顿棒等。

（3）动力装置。

有些应用领域,要求形状记忆元件在多次循环往复运动中对外产生力的作用。

温度继电器和温度保持器、自动干燥箱、电子灶、热机、卫星仪器舱窗门自动启闭、自动火警警报器、热敏阀门、液氨泄漏探测器、煤气安全阀、通风管道紧急启动闸门、自动收进烟头的烟灰盒及人工心脏等都属于这种应用类型。

1997年美国航空航天局（NASA）的科学家利用长3cm,直径0115mm（01006″）的Ni-TiSMA驱动火星探测器上的太阳能电池挡板,加热SMA,使其收缩,通过传动装置,打开太阳能电池上的玻璃挡板,电池充电。

充电结束后,偏置弹簧重新使挡板复位。

挡板的有效开合可起到防尘的目的。

（4）精密控制。

因为SMA的相变发生在一定温度范围而不是某一固定温度点,我们往往只利用一部分形状回复,使机械装置定位于指定的位姿。

微型机器人、昆虫型生物机械、机器人手抓及微型调节器、笔尖记录器及医用内窥镜都属于这一类。

形状记忆合金用作机器智能人的执行器,集传感、控制、换能、制动于一身,具有仿真性好、控制灵活、动作柔顺、无振动噪声、易于结构微型集成化等优点。

日本的日立公司已研制出具有13个自由度的能拣取鸡蛋的机器人。

俄罗斯St1Petersburg机器人及控制技术学院在Cu-Al-Ni基合金材料的研究基础上,研制出了拟人机械手（115m长）,其手爪能移动200kg的物体。

该研究小组还给出了手爪的精确控制系统。

医学上用到的具有多自由度能弯曲转入肠道内诊断疾病,进行手术的机器人也属于这一类型。

现有的大肠镜的直径为10～20mm,这种内窥镜的直径为13mm,因此它特别适用于作大肠镜。

诊断过程中,医生一边看纤维镜中的图象,一边移动操纵杆给出前端的第1,2节弯曲角指令和内窥镜前进、后退指令,通过计算机进行柔性控制,使内窥镜能够平滑地沿着通路前进或后退,大大减小了患者的痛苦,也增加了诊断的准确性。

随着目前超大规模集成电路技术的飞速发展,可进一步制成微米级甚至更小的超微仿生物。

（5）超弹性应用。

SMA的伪弹性在医学上和日常生活中得到了广泛的应用,市场上的很多产品都应用了SMA的伪弹性（超弹性）性质。

主要有牙齿娇形丝、人工关节用自固定杆、接骨用超弹性Ni2Ti丝、玩具及塑料眼镜镜框等。

Ni2Ti丝用于娇形上,即使应变量高达10%也不会产生塑性变形,而且应力诱发马氏体相变的过程中,应变增大较多时矫正力却增加很少。

故能保持适宜的矫正力,既可保证疗效,也可减轻患者的不适感。

3.2应用领域：

3.2.1航天航空领域：

记忆合金在航空航天领域内的应用有很多成功的范例。

人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作。

发射人造卫星之前，将抛物面天线折叠起来装进卫星体内，火箭升空把人造卫星送到预定轨道后，只需加温，折叠的卫星天线因具有“记忆”功能而自然展开，恢复抛物面行状。

还有在军用飞机的液压系统中的低温配合连接件，欧洲和美国正在研制用于直升飞机的智能水平旋翼中的形状记忆合金材料。

由于直升飞机高震动和高噪声使用受到限制，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偏差。

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。

　　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。

3.2.2生物医疗方面：

用于医学领域的TiNi形状记忆合金，除了利用其形状记忆效应或超弹性外，还应满足化学和生物学等方面的要求，即良好的生物相容性。

TiNi可与生物体形成稳定的钝化膜。

目前，在医学上TiNi合金主要应用有：

　　（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。

　　另外，外科中用TiNi形状记忆合金制做各种骨连接器、血管夹、凝血滤器以及血管扩张元件等。

同时还广泛应用于口腔科、骨科、心血管科、胸外科、肝胆科、泌尿科、妇科等，随着形状记忆的发展，医学应用将会更加广泛。

3.2.3日常生活方面：

（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。

3.2.4机械电子产品方面：

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。

任何一种好的材料，其利用价值是相当大的,发展前景也是很乐观的。

比如智能热敏聚合物是一种能够对外界温度的变化发生预定响应,从而使聚合物特定的宏观性能随之发生相应的变化的高分子材料,形状记忆聚合物为智能热敏聚合物的一种.聚氨酯、聚降冰片烯,反式1,4-聚异戊二烯等均具有现状记忆特性.与形状记忆金属合金相比,形状记忆高分子材料具有质量轻、成本低、形状记忆温度易于调节、易于着色、形变量大、赋型容易,且易于在预定温度下被激发等特点.特别是形状记忆聚氨酯,具有结构——性能易于控制,形状记忆温度选择范围宽（-30℃~70℃）等优点,因而在诸多领域（如生物医学、纺织服饰、玩具、包装、国防军工等）显示了广阔的应用前景.在纺织领域,具有形状记忆的领带、腹带、服饰衬里、绷带、运动服、军用作战服、登山服和帐篷等以其抗皱、免烫、防水、透湿、保温和定型等多种功能可通过体温或温度自动调节等智能特性,深受消费者青睐.本文将对智能热敏高分子材料的研究和发展进行了回顾,重点介绍了该类材料的结构特征、形状记忆机理及其在纺织、生物医用材料和国防军工等领域的应用前景,并对该类材料的发展前景进行了展望.

对于这一种高科技材料我认为应该更加广泛的去开发、去利用，21世纪是一个电子时代，计算机传感器在各个方面的有很好的运用，但却有着庞大的身躯，并且复杂难掌握。

形状记忆材料兼有传感和驱动的双重功能，可以实现控制系统的微型化和智能化，如全息机器人、毫米级超微型机械手等。

21世纪将成为材料电子学的时代。

形状记忆合金的机器人的动作除温度外不受任何环境条件的影响，可望在反应堆、加速器、太空实验室等高技术领域大显身手。

而我们在这方面的研究还是很欠缺的、加强了这一方面的研究我们在自动化的进程上会有质的飞跃。

利用记忆合金在特定温度下的形变功能，可以制作多种温控器件，可以制作温控电路、温控阀门，温控的管道连接。

人们已经利用记忆合金制作了自动的消防龙头--失火温度升高，记忆合金变形，使阀门开启，喷水救火。

制作了机械零件的连接、管道的连接，飞机的空中加油的接口处就是利用了记忆合金--两机油管套结后，利用电加热改变温度，接口处记忆合金变形，使接口紧密滴水（油）不漏。

制作了宇宙空间站的面积几百平米的自展天线--先在地面上制成大面积的抛物线形或平面天线，折叠成一团，用飞船带到太空，温度转变，自展成原来的大面积和形状。

四、存在的问题和研究方向

4.1存在的问题

在SMA的研究和应用中,目前尚存在许多有待解决的问题,例如:

（1）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,且材料变化具有迟滞性,因此SMA只适用于低频（10Hz以下）窄带振动中,这就大大限制了材料的应用。

（2）SMA自身存在损伤和裂纹等缺陷,如何克服这些缺陷,改善材料性能是当前迫切需要解决的问题。

（3）现有的SMA机构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;

（4）在医学应用方面,还需继续研究SMA的生物相容性和细胞毒性。

（5）SMA作为一种新型功能材料,其加工和制备工艺较难控制,目前还没有形成一条SMA自动生产线,此外材料成本也相当昂贵。

（6）为了提高应用水平,SMA元器件还需要进一步微型化,提高反应速度和控制精度,在这方面仍有许多工作要做。

4.2研究方向

SMA研究今后的发展方向和趋势可归纳为以下几方面:

（1）充分发掘、改进和完善现有SMA的性能;

（2）研究开发新的具有形状记忆效应的合金材料;

（3）SMA薄膜的研究与应用;

（4）SMA智能复合材料的研究与开发;

（5）高温SMA的开发。

五、前景展望

在形状记忆合金的实用化进程中,急需积累并分析关于材料特性、功能可靠性、生物相容性和细胞毒性等方面的基础数据资料。

可以预言,随着对SMA研究的进一步深化,传统的机电一体化系统完全有可能发展成为材料电子一体化系统。

六、结语

记忆合金目前已发展到几十种，在航空、军事、工业、农业、医疗等领域有着用途，而且发展趋势十分可观。

这些研究表明我们已经做出了一个迈步，但我们需要将这一步迈的更大。

加以时日，它将大展宏图、造福于人类。

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