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形状记忆合金

形状记忆合金
形状记忆合金

形状记忆合金性能及其应用综述

引言:形状记忆合金形状记忆效应、超弹性效应、高阻尼特性、电阻突变效应

以及弹性模量随温度变化等一般金属不具备的力学特性,使其在仪器仪表、自动控制、机器人、机械制造、汽车、航天航空、生物医学等工程领域都能发挥重要的作用,对其本构性能和在工程应用中的性能的研究十分必要。本文综合了自1971年以来国内外众多科学家对形状记忆合金做出的各方面的研究,并做出简要评价,提出自己的看法和本课题研究内容,为对形状记忆合金的应用研究提供一定参考。

国内外研究现状:

1、SMA材料种类研究现状

自上个世纪30年代人们发现Au-Cd合金具有记忆效应以来,进过几十年的研究,发现的形状记忆合金按相变特征类,可分成如下几个系列[1]:

1、由热弹性马氏体相变呈现形状记忆效应的合金

1) TiNi系列,发生体心立方——无公度相——菱方R相——单斜BI9相变。包括TiNi、TiNiFe、TiNiCu、TiNiNb(宽滞后)、TiNiCo等。

2) β铜基合金系,包括:Cu-Al-Ni(Cu-Al-X=Ti或Mn),发生体心立方—近正交γ1’(2H)或单斜β1’(18R1), γ1’—单斜β1”(18R2),β1”--单斜α1, β1’--单斜α1相变(视应力大小而定);Cu-Zn-Al-X(Cu-Zn-Al-X,X=Mn或Ni等),发生体心立方(β2、DO3或Lα1)--单斜9R或18R相变;其它,如Cu-Zu和Cu-Zn-X (X=Si、Sn、Au等)。

3)其它有色合金系,包括:Au-Cd、Ag-Cd、In-Ti、Ti-Nb、Co-Ni、Ni-Al等。

4) Fe3Pt(γ—α’,γ—fct)和Fe-30at%Pd(γ—fct)。

5) Fe-Ni-Co-Ti系,发生时效γ一薄片状α’(bcc和bct)马氏体相变,如Fe-33Ni-l0Co-4Ti、Fe-31Ni一I0Co-3Ti及Fe-33Ni-l0Co-(3~4)Ti-Al等。

2、由非热弹性马氏体相变呈现形状记忆效应的合金

1) Fe-MIn-Si系,发生γ一六方ε相变,包括Fe-30Mn-1Si(单晶)、Fe-(28~33)Mn-(4~6)Si、Fe-Mn-Si-Ni-Cr、Fe-14Mn-6Si-5Ni-9Cr、Fe-20Mn-5Si-5Ni-8Cr、Fe-Mn-Si-9C、Fe-8Mn-6Si-6Ni-13Cr- 12Co等。

2) Fe-Ni-C系,发生γ一薄片状α’马氏体相变,如Fe-3INi-0.4C 和Fe-(26~28)Ni-12Co-4Al-0.4C。

其中Ni-Ti基合金的形状记忆效应最佳,是重要的形状记忆材料。Ni—Ti中具有多种相变:无公度相变、R相变(马氏体型)、马氏体相变、沉淀。

2形状记忆合金性能研究现状

虽然早在上个世纪30年代,人们就发现了一些合金的形状记忆效应,但是直到70年代muller等人提出SMA材料的本构关系模型以来,有关形状记忆合金的机理和本构模型的研究才取得了一定的进展[2]。SMA的模型可大致分为三类:微观热力学模型、宏观现象学模型和基于微观力学的宏观模型。

微观热力学模型有助于了解材料宏观特性的微观机理,揭示SMA的物理本质。微观热力学模型主要有从相界运动的动力学角度给出的本构模型和以能量耗散理论为依据的细观力学模型。Patoor[3]等人首先从微观角度研究了SMA的本构

行为,但他们的工作限于应力诱发的马氏体相变且难以推广到逆相变和非比例加载过程.Boyd[4]在Patoor等人所建立的单晶模型的基础上,采用多晶平均法,研究材料非比例加载、相变和重定向引起的行为并建立了本构关系.该模型包含了所有的使用领域,但长时间的计算和大量相对复杂的方程不便于工程应用.彭向和[5]等人结合Tanaka的相变描述,建立了小变形、初始各相同性和塑性不可压缩条件下SMA的三维本构模型。周博等人从微观力学角度建立了一个考虑马氏体择优取向过程的SMA三维本构模型。朱炜国,吕和祥[6]等将孪晶马氏体向非孪晶马氏体(马氏单变体)的相变过程,看作是奥氏体向马氏单变体的相变过程,利用Tanaka的指数型相变演化方程,构造了一个三维的本构模型。迄今为止,SMA微观力学本构模型的研究者们采用各种方法研究材料的结晶现象,由于材料相变产生的交互能量和其他许多可能的变量,从而发展了SMA单晶/多晶本构模型. 这些集中在SMA材料的微观热力学模型方面的描述,有助于人们更好的认识其本质,为其在工程中的应用打下良好的基础,但是难以被应用于工程实际问题的分析。

SMA的宏观现象学模型,以热力学定律为基本出发点,借助于热动力学理论和相变动力学理论,大致分为3类:1、基于热动力学理论,根据自由能推到的本构模型;2、从纯热力学理论出发建立的本构模型;3、超弹性和单双程形状记忆效应的本构模型。Falk[7]将SMA的应力、应变曲线同铁电极强化度曲线进行对比后发现两者具有相似性,于是采用铁电极的变相理论描述SMA,不过只使用与剪切模型。Tanaka[8]等人基于热力学学第一、第二定律,对形状记忆合金材料的应力—应变关系进行了定性的分析,这种模型得到了工程界的普遍认同和广泛应用。Liang.C[9]等人根据Tanaka的理论为基点,考虑到在发生马氏体相变、逆相变初始状态的马氏体含量对模型的影响,提出了一种以余弦函数形式来表示马氏体百分数与温度、Canchy应力之间的关系,这是一个创新,提高了模型的准确性,从而使工程应用的准确性也大大提高了。这几种本构关系都可以描述应力诱发下的正、反方向的相变行为,解释形状记忆效应和超弹性效应,但是由于只引入了一个内变量,故对相变时的内部结构和状态的描述是有限的,如对低温马氏体的重定向问题就不能很好的解释。Sun[10]等人又分别在不同方面对本构模型进行了研究而得出一些更为复杂的结论。现在很多学者还在对这种本构关系的简化应用进行着研究。如杜彦良[11]提出了一种线性的马氏体百分数与温度、Canchy应力之间的关系模型,并与Liang等人的模型进行了比较,实验与预报精确度相差不大,但是简化了模型,为实际应用提供了更加简便的模型。

3、形状记忆合金在智能系统方面的应用研究现状

与其他可作为传感与驱动的元件相比,SMA驱动器的动作除温度外几乎不受其它环境条件的影响,具有较好地抗外界干扰特性,相对其他智能复合材料在价格、技术成熟性和可植入性等方面也有明显的优势。因此,采用SMA构造智能结构受到专家学者的关注[12]。

SMA在结构振动控制方面的应用研究:结构振动控制手段可分为被动控制、主动控制和智能控制[13]。被动控制是利用形状记忆合金材料的超弹性效应和高阻尼特性将其制做为耗能阻尼器。形状记忆合金特有的超弹性变形特性使其变形能力比普通金属材料约大30倍,比阻尼(材料振幅衰减比的平方)可达40%,在小震情况下,形状记忆合金的弹性特性与普通金属相似,在大震时形状记忆合金表现出超弹性大变形能力,有效地消耗地震能量,并可利用其记忆效应使变形恢复。

SMA在精确定位控制方面的应用研究:阎绍泽,徐峰等提出将SMA传感器与光导纤维制成一体,当温度出现异常时,SMA变形使光导纤维的光导系统出现光能损失,终端得到的散光光强和时间曲线就会出现明显变化, 判断异常温度的位置和时间[14]. 这种传感系统可用作工厂、大楼的火灾报警装置。

SMA在故障自监测、自诊断、自修复和自增强方面的应用研究:将产生一定预变形的SMA埋入结构中,通过触发SMA所产生的回复力可降低结构的应力水平,改善其应力分布,提高结构的承载能力,同时也可以防止损伤的发生或损伤的扩展。在承受弯矩或扭矩的构件中加入SMA丝,通过对SMA丝的加热与冷却可做成强度自应结构。在孔板的孔周围埋入SMA丝对其诱发应变,可在孔边产生压应力,能降低孔边的应力集中因子并改善应力分布[15]。阎云聚,姜节胜等研究了在一些大型建筑结构中加入SMA构成智能复合材料系统,通过用复合材料制成的形状记忆合金电缆的加热收缩来防止裂纹的扩展[16]。

4、形状记忆合金在工程中的应用研究现状

SMA近年来发展日趋成熟,已获得了多方面应用,例如各种连接件、管接头、铆钉、连接器、紧固夹、卫星天线、温控元件、驱动元件、电子器件、集成电路的配线等。医用元件如:人工心脏、整形外科用骨接头件、止血夹、牙齿矫形丝、人工关节用自固定杆、接骨用超弹性TiNi丝、玩具及塑料眼镜框等。

SMA薄膜在MEMS驱动和传感元件方面的应用研究:日本东京大学的Nakamrua等人[17]研制了SMA薄膜环形微驱动器。采用TiNi泵膜的微泵一次循环中可产生8%的应变,泵程输出的流体体积与可恢复应变是成正比的,因此TiNi 薄膜在微泵方面具有很好的应用前景。TiNi薄膜的电阻率约为100μΩ?cm,可通过调节加热电流来控制驱动力[18]。美国Case Western Reserve大学的Be-nard等人[19]研制了两种具有不同驱动元件的微泵。日本Hoddaido大学的Makino等人[20]研制的微泵是由TiNi泵膜和两个被动阀组成。上海交通大学徐东等人[21]研制的Ti-Ni/Si复合结构微泵。德国IMT的Kohl等人[22]开发了一种应力优化的由TiNi 基合金薄膜驱动的常开微阀。

医学方面的应用:超弹性,采取TiNi基合金支架及其它医疗器件最明显的特点是超弹性TiNi丝的柔韧性是不锈钢的10~20倍,TiNi基合金器件的回弹应变可高达11%这种柔韧性对支架特别重要。利用其自身弹性扩展性,典型的器件有RITA 组织摘除器和ASDOS心隔膜孔洞阻塞器。热致扩展,如脉管内腔过滤器。利用抗死结性能的一种应用实例是导引丝。使用TiNi的抗死结性能的早期实例是用于肾膀胱胆道等处的网篮状取石器,另一实例是所改进的腹腔镜类医疗器械。生物相容性,TiNi合金具有很好的生物相容性[23],如通过美国FDA认证的TiNi 三级植入体器械(包括SIMON脉管血液过滤器、SMART 支架、MITEK骨固定器以及永久TiNi基合金植入体等),大量的整形外科器械,如髋骨植入体骨科U 型钉头盖骨板等。利用SMA的恒应力性而制成的牙齿正畸丝、超弹性眼镜等。

SMA在汽车方面的应用研究:例如丰田汽车采用TiNi记忆合金制成散热器护栅活门,冷却发动机的风扇,汽车轮胎防滑钉,可以根据轮胎温度自由伸缩。雾灯窗自动开闭装置,电磁阀动力装置等。具体应用及工作原理[24]:①SMA减振垫片,SMA减振垫片用在变速箱齿轮等传动系零部件中。当汽车运行时,传动系零部件温度逐渐升高,由于各零部件材料的膨胀系数不同,传动系的工作状况逐渐变差,导致振动和噪声增大。而SMA减振垫片的弹性恢复力随温度升高而增大,它的合理使用能增加传动系零部件热膨胀后的坚固力,从而达到稳定零部件工作状态和减振降噪的目的;②SMA温度自反馈供油器,当外界温度降低

导致燃油粘度增加时,温度自反馈供油器中SMA弹簧和一个偏置弹簧组成的装置打开发动机附加油路。当温度升高时,SMA弹簧的弹性模量增大,从而推动偏置弹簧关闭附加油路,这样就可以保证不同温度下供油量的稳定性;③SMA 风扇离合器,这种离合器采用SMA材料的螺旋弹簧装置。当来自散热器的空气流温度超过设定温度时,弹簧膨胀,使离合器接合,风扇转动。当气流降低一定温度后,弹簧收缩,使离合器脱开,风扇停止工作,从而控制发动机水温在最佳工作温度。一些温控装置也是利用同样的原理;④SMA储能弹簧,利用SMA 可达到8%的超弹性变形量可将刹车时的车辆动能转变为储能弹簧的弹性势能,而在正常行驶时将储存在弹簧中的能量释放出来驱动车辆以节省燃料消耗。

SMA在航天航空及军事方面的应用研究:关于SMA应用最典型的例子是航天飞机的伞型天线[25],为方便发射,把母相状态TiNi记忆合金制成的天线压扁,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;在火炮上的应用,能最大限度地提高炮管内膛的耐烧蚀能力,增大炮管的使用寿命;在枪弹上的应用,可增大枪弹的杀伤力。还有在战斗机、潜艇火箭、航天航空等方面的应用;在微型飞行器的应用,如在翼面中埋入智能驱动元件,根据飞行器的飞行状况及飞行控制的需要,通过驱动元件激励使得翼面发生扭转或弯曲等来改变翼面的形状,以获得自适应气动稳定性, 从而获得最佳的气动特性。此外,利用SMA的阻尼特性,在军事上用作吸震波的装甲材料、防弹材料等。

SMA在建筑工程上的应用研究:由于SMA具有可恢复变形大、在受限回复时能产生很大的驱动力、电阻对应变敏感、高阻尼性能、抗疲劳性能好,并且可以实现多种变形形式,易于同混凝土、钢等材料相结合等特点而日益受到重视,国内外众多学者对SMA在土木工程中的应用进行了理论和实验研究。特别是对于民用设施的保护方面,如建筑、桥梁的抗震减害[26-28]等。彭文屹,曾少鹏,张少青,等[29]提出将SMA制成丝状或薄膜状粘贴于混凝土结构中易开裂的部位,一旦裂纹产生,该处的SMA的应变将增大,使其内部阻值变化,通过阻值的变化可以确定裂纹的宽度,由SMA的埋置位置,可以确定出现裂纹的构件,从而实现对裂纹的自诊断、自监测。王社良、马怀忠、沈亚等[30]提出将SMA材料预加载至弹性极限附近,然后随同其他建筑材料一起植入地基内.这样,当地震发生时,SMA就可以吸收和耗散大量的地震能量,减小或抑制建筑物的地震响应。有些应用领域,要求形状记忆元件在多次循环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器、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。

结论:基于形状记忆合金的特殊的力学性能,其在智能系统以及工程方面的应用也将越来越深入和广泛。由于近些年对形状记忆合金所做的大量研究,其在应用中的难题逐步倍儿解决。本课题针对的形状记忆合金在微型管道机器人方面的研究,可以在医学的血管疏通以及线缆管道的检测修理方面发挥重要的作用,其研究价值非常明显。然而受材料自身情况的影响,使得其响应速率和控制精度等方面还有待改善,因此在形状记忆合金的本构关系以及驱动响应速率等方面还有待进一步的而研究。

形态记忆合金材料论文

题目:关于形态记忆合金的研究进展 摘要:形态记忆合金是新兴的材料,本文主要讨论形状记忆合金相关内容,扼要地叙述了形状记忆合金的发现以及发展历史和分类, 介绍了形状记忆合金在工程中应用的现状以及发展前景。记忆合金作为一种使用价值比较广泛额材料,我们有理由相信形状记忆合金的发展前途是相当广泛的,也必将造福于人类。此外,通过这些介绍使人们能够真正的理解和认识这种新的材料——形态记忆合金。 关键字::形状记忆合金、探索、各领域应用、形状记忆合金效应 正文: 一,形态记忆合金简介。 形状记忆合金(Shape Memory Alloy ,SMA) 是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应(Shape Memory Effect ,SME) 。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti 合金和铜基合金(CuZnAl 和CuAlNi) 。 形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛关注。 二、形态记忆合金分类及原理

形态记忆合金种类繁多,在现在情况来看,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。 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。 三、形态记忆合金的发展。 1932年瑞典人欧勒特在观察某种金镉合金的性能时,首次发现形状记忆效应。 1938年哈佛大学的研究人员在一种铜锌合金中发现了一种随温度的升高和降低而逐渐增大或缩小的形状变化,但是此时并未引起人们的广泛注意。 1962年美国海军实验室在开发新型舰船材料时,在Ti-Ni合金中发现把直条形的材料加工成弯曲形状,经加热后它的形状又恢复到原来的直条形,引起了材料科学界与工业界的重视,从此形状记忆合金引起了极大的关注。

形状记忆合金论文

形状记忆合金 摘要:扼要地叙述了形状记忆合金及其机理, 介绍了形状记忆合金在工程中应用的现状以及发展前景。 关键词:形状记忆合金、形状记忆合金效应、应用 引言:有一种特殊的金属材料,经适当的热处理后即具有回复形状的能力,这种材料被称为形状记忆合金( Shape Memory Alloy ,简称为SMA) ,这种能力亦称为形状记忆效应(Shape Memory Effect , 简称为SME) 。通常,SMA 低温时因外加应力产生塑性变形,温度升高后,克服塑性变形回复到所记忆的形状。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti 合金和铜基合金(CuZnAl 和CuAlNi) 。 形状记忆合金(Shape Memory Alloys, SMA)是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形,恢复其变形前原始形状的合金材料。除上述形状记忆效应外,这种合金的另一个独特性质是在高温(奥氏体状态)下发生的“伪弹性”(又称“超弹性”,英文 pseudoelasticity)行为,表现为这种合金能承载比一般金属大几倍甚至几十倍的可恢复应变。形状记忆合金的这些独特性质源于其内部发生的一种独特的固态相变——热弹性马氏体相变。 一、形状记忆合金的发展史 最早关于形状记忆效应的报道是由Chang及Read等人在1952年作出的。他们观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象,但当时并未引起人们的广泛注意。直到1962年,Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应,才引起了材料科学界与工业界的重视。到70年代初,CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应。几十年来,有关形状记忆合金的研究已逐渐成为国际相变会议和材料会议的重要议题,并为此召开了多次专题讨论会,

形状记忆合金在医学领域的应用

形状记忆合金在医学领域的应用 1.形状记忆合金的特性 1.1形状记忆合金的结构特性 形状记忆效应(Shape memory effec,t SME)是由于马氏体相变而产生的。具有热弹性(半热弹性)或应力诱发马氏体相变(Stress inducedMartensitic trans-formation, SIM)的形状记忆合金(Shape memory al-loys, SMAs),在马氏体状态下进行一定限度的塑性变形,则在随后的加热过程中,当温度超过马氏体逆相变温度时,材料就能恢复到变形前的体积和形状。 1.2形状记忆合金的分类 形状记忆合金主要分为Ti-Ni基、Cu基及Fe基形状记忆合金。前两种合金主要为热弹性形状记忆合金,Fe基形状记忆合金为半热弹性形状记忆合金,其中用于医学领域的 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。 形状记忆效应主要分为:单程记忆效应,双程记忆效应和全程记忆效应。 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。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。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。 2.形状记忆合金的发展 首次被发现并公开报道某些合金中具有形状记忆效应这一现象的发现,可以追溯至1938年,美国哈佛大学的A.B.Greningerh和Mooradian在Cu-Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变,即在加热与冷却过程中,马氏体会随之收缩与长大。1918年前苏联学者Kerdjumov曾预测到有一部分具有马氏体相变的合金会出现热弹性马氏体相变。1951年张禄经和T.A.Read报道了原子比为1∶1的CsCl 型AuCd合金在热循环中会反复出现可逆相变。数年后.T.A.Read又和M.W.Burkard在InTi合金中发现了同样纳可逆相变。一直到20世纪60年代初,这种观察到的形状记忆效应只看作是个别材料的特殊现象。甚至在1958年布鲁塞尔国际博览会上展出过用AuCd合金制作的重物升降机,都未引起足够的注意。 1963年,美国海军武器实验室W.J.Buchler等人在等原子比NiTi合金中发现了形状记忆效应后,才引起人们的重视,从此形状记忆合金进入了研究和应用的新阶段。到1975年左右,全世界相继开发出具有形状记忆效应的合金达20

形状记忆合金的应用现状与发展趋势

形状记忆合金的应用现状与发展趋势 摘要:综述了形状记忆合金的发展概况,简要介绍了形状记忆合金在不同领域的应用现状,分析了当前形状记忆合金研究中存在的问题,指出了今后的发展前景与研究方向。 关键词:形状记忆合金、形状记忆合金效应、应用 一、引言 形状记忆合金(Shape Memory Alloy ,SMA) 是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应(Shape Memory Effect ,SME) 。 形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。 二、形状记忆合金的发展史与现状 在金属中发现现状记忆效应最早追溯到20世纪30年代。1938年。当时美国的 Greningerh和Mooradian在Cu-Zn合金小发现了马氏体的热弹件转变。随后,前苏联的Kurdiumov对这种行为进行了研究。1951年美国的Chang相Read 在Au47·5Cd(%原子)合金中用光学显微镜观察到马氏体界面随温度的变化发生迁动。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1963年,美国海军武器实验室的Buehler等人发现了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[1]。

形状记忆合金论述3000字论文

形状记忆合金论述 摘要:形状记忆合金,是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的形变,恢复其形变原始形狀的合金材料。这种合金在高温(奥氏体状态)下发生的“伪弹性”行为,表现为这种合金能承载比一般金属大几倍甚至几十倍的可恢复应变。形状记忆合金的这些独特性质源于其内部发生的一种独特的固态相变——热弹性马氏相变体。 关键词:形状记忆合金、马氏相变体、记忆效应 引言:形状记忆合金材料兼有传感和驱动的双重功能,是一种智能结构中技术成熟性很高的功能材料,可以实现机械结构的微型化和智能化。形状记忆效应(SME)即某种材料在高温定形后,冷却到低温(或室温),并施加变形,使它存在残余变形[1,2]。当温加热超过材料的相变点,残余变形即可消失,恢复到高温时的固有形状,如同记住了高温下的状态。SMA及其驱动控制系统具有许多的优点,如高功率重量比,适于微型化;集传感、控制、换能、致动于一身,结构简单,易于控制;对环境适应能力强,不受温度以外的其他因素影响等,有着传统驱动器不可比拟的性能优点。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。 一、发展史 1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到"记忆"效应,即合金的形状被改变之后,一旦加热到一定的跃变温度时,它又可以魔术般地变回到原来的形状,人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。记忆合金的开发迄今不过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"。 最早关于形状记忆效应的报道是由Chang及Read等人在1952年作出的。他们观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象,但当时并未引起人们的广泛注意。直到1962年,Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应,才引起了材料科学界与工业界的重视。到70年代初,CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应。几十年来,有关形状记忆合金的研究已逐渐成为国际相变会议和材料会议的重要议题,并为此召开了多次专题讨论会,不断丰富和完善了马氏体相变理论。在理论研究不断深入的同时,形状记忆合金的应用研究也取得了长足进步,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。 二、功能机理 形状记忆合金(Shape Memory Alloys,简称SMA)是一种能够记忆原有形状的智能材料。当合金在低于相变态温度下,受到一有限度的塑性变形后,可由加热的方式使其恢复到变形前的原始形状,这种特殊的现象称为形状记忆效应(Shape Memory Effect,简称SME)。而当合金在高于相变态温度下,施以一应力使其受到有限度的塑性变形(非线性弹性变形)后,可利用直接释放应力的方式使其恢复到变形前的原始形状,此种特殊的现象又称为拟弹性(Pseudo Elasticity,简称PE)或超弹性(Super Elasticity)。这两种形状记忆合金所拥有的独特性质在普通金属或合金材料上是无法发现的。

形状记忆合金的制备方法作用及发展前景

形状记忆合金的制备方法,作用及发展前景摘要:本论文主要论述形状记忆合金的相关内容,扼要地叙述了形状记忆合金的制备方法,作用,介绍了形状记忆合金在工程中应用的现状以及发展前景。 关键词:形状记忆合金制备方法应用发展前景 引言 形状记忆合金(Shape Memory Alloys,SMA)是一种在加热升温后能完全消除其在较低温度下发生的形变,恢复其形变前原始形状的合金材料。除上述形状记忆效应外,这种合金的。另一个独特性质是在高温(奥氏体状态)下发生的“伪弹性”(又称“超弹性”,英文pseudoelasticity)行为,表现为这种合金能承载比一般金属大几倍甚至几十倍的可恢复应变。形状记忆合金的这些独特性质源于其内部发生的一种独特的固态相变——热弹性马氏体相变。研究表明,很多合金材料都具有SME,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状恢复力的才具有利用价值。到目前为止,应用最多的是Ni2Ti合金和铜基合金(CuZnAl 和CuAlNi)。 形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可制作小巧玲珑,高度自动化,性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得广泛应用。 正文 一.形状记忆合金的制备方法

形状记忆合金及其制备方法,该合金含有主要合金元素Ti、Zr、Nb及添加元素包括Mo、V、Cr、Sn,并加入元素Al;各组分重量百分比分别为:Ti:46-60,Zr:15-25,Nb:15-25;添加元素选取Mo、V、Cr、Sn其中一种或两种,其重量百分比<2.0;Al:0.5-2.5。本发明选用的主要合金元素均为对人体无毒性反应且生体适应性良好的物质;经溶解合金化后,该合金具有出色的形状记忆性能及超弹性特点,并可以进行超过50%乃至99%的冷加工变形性。经过固溶、时效处理的合金可在更广的范围内具有较高的形状记忆回复功能、较高的冷加工塑性及对人体无毒性等优良性能。? 二.形状记忆合金的应用 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在马氏体相对产生塑性变形,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,利用加热器或者太阳能加热天线,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,通过导管插入静腔,经体温加热后,形状变成网状,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。

形状记忆合金文献综述

形状记忆合金性能及其应用 摘要:形状记忆合金具有形状记忆效应、超弹性效应、高阻尼特性、电阻突变效应以 及弹性模量随温度变化等一般金属不具备的力学特性,使其在仪器仪表、自动控制、机器人、机械制造、汽车、航天航空、生物医学等工程领域都能发挥重要的作用,对其本 构性能和在工程应用中的性能的研究十分必要。形状记忆合金作为一种特殊的新型功能 材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。 关键字:形状记忆合金形状记忆合金效应分类应用 1形状记忆合金简介 1.1 形状记忆材料是指具有形状记忆效应(shape memory effect,简称SME)的材料。形 状记忆效应是指将材料在一定条件下进行一定限度以内的变形后,再对材料施加适当的 外界条件,材料的变形随之消失而回复到变形前的形状的现象。通常称有SME的金属材料为形状记忆合金(shape memory alloys,简称SMA)。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti 合金和铜基合金(CuZnAl 和CuAlNi) 。 1.2 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。 1.3 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。 2形状记忆合金效应分类 2.1 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

关于形状记忆合金的若干论述

关于形状记忆合金的若干论述 摘要:19世纪70年代,世界材料科学中出现了一种具有“记忆”形状功能的合金。这种记忆合金具有很广阔的应用前景,如今记忆合金已然在交通、医疗、自动化控制等方面有了重要的应用。本文介绍了它的相关概念、微观机理、分类及其在材料学中的地位。 关键字:形状记忆合金;形状记忆效应;功能材料;机理;应用 引言:形状记忆合金作为一种新型功能性材料为人们所认识,并成为一个独立的学科分支,可以认为是始于1963年。当时美国的海军武器实验室的 W.J.Buchler博土研究小组,在一次偶然的情况下发现,TiNi合金工件因为温度不同,敲击时发出的声音明显不同,这说明该合金的声阻尼性能与温度相关。通过进一步研究,将这种材料制成的细丝的一端弯曲,并靠近点烟火柴火焰,发现弯曲的细丝伸直了,近等原子比TiNi合金具有良好的形状记忆效应,并且报道了通过x射线衍射等实验的研究结果.以后TiNi合金作为商品进入市场。 记忆合金是一种颇为特别的金属条,它极易被弯曲,我们把它放进盛着热水的玻璃缸内,金属条向前冲去;将它放入冷水里,金属条则恢复了原状。在盛着凉水的玻璃缸里,拉长一个弹簧,把弹簧放入热水中时,弹簧又自动的收拢了。凉水中弹簧恢复了它的原状,而在热水中,则会收缩,弹簧可以无限次数的被拉伸和收缩,收缩再拉开。 这些都由一种有记忆力的智能金属做成的,它的微观结构有两种相对稳定的状态,在高温下这种合金可以被变成任何你想要的形状,在较低的温度下合金可以被拉伸,但若对它重新加热,它会记起它原来的形状,而变回去。这种材料就叫做记忆金属。它主要是镍钛合金材料。 一、相关概念:形状记忆效应 一般金属材料收到外力作用后,首先发生弹性变形,达到屈服点,金属就产生塑性变形,应力消除后就产生了永久变形。有些金属在高温下定形后冷却到低温并施加变形,从而形成残余形变。当材料加热时,材料的残余形变消失,并回复到高温下所固有的形状。再进行加热或冷却时,形状保持不变,这就是所谓的形状记忆效应,它就像合金记住了高温状态的形状一样。具有形状记忆效应的金属通常是两种以上金属的合金,因此称为形状记忆合金 [1] 形状记忆效应是在马氏体相变中发现的。通 常把马氏体相变中的高温相叫做母相,或奥氏体 相(P),是一种体心立方晶体结构的CsCl相(又 称B2)。低温相叫做马氏体相(M),是一种低对 称性的单斜晶体结构。从母相到马氏体相的相变 叫做马氏体正相变,或马氏体相变。从马氏体相 到母相的相变叫做马氏体逆相变 [2][3]。 这类相变具有热滞效应。四个相变特征温度分别 为马氏体转变开始温度Ms、终了温度Mf、母相转 变(即逆转变)开始温度As和终了温度Af。热滞 回线间的热滞大小一般为20K~40K[3]。 二、微观机理

高分子形状记忆合金的发展及趋势

高分子形状记忆合金的发展及趋势 摘要:本论文主要讨论形状记忆合金相关内容,扼要地叙述了形状记忆合金的发现以及发展历史和分类, 介绍了形状记忆合金在工程中应用的现状以及发展前景。 关键词:形状记忆合金、形状记忆合金效应、应用 1.形状记忆分子材料的特性 形状记忆合金是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti 合金和铜基合金 形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。 1.1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。 1.2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。 1.3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。 2.形状记忆效应的应用 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: 2.1.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

什么是形状记忆合金

什么是形状记忆合金 有一种记忆方法是形状记忆法,你在运用过这种方法吗?那你有知道什么是形状记忆合金吗?下面和一起来了解什么是形状记忆合金吧,希望对你有帮助! 形状记忆合金的定义形状记忆合金(Shape Memory Alloys,),简称SMA,是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形,恢复其变形前原始形状的合金材料,即拥有“记忆"效应的合金。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,恢复抛物面形状。 形状记忆合金简介形状记忆合金(shape memory alloy)在临床医疗领域内有着广泛的应用,例如人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器、各类腔内支架、栓塞器、心脏修补器、血栓过滤器、介入导丝和手术缝合线等等,记忆合金在现代医疗中正扮演着不可替代的角色。记忆合金同我们的日常生活也同样休戚相关。 形状记忆合金具有形状记忆效应(shape memory effect) ,以记忆合金制成的弹簧为例,把这种弹簧放在热水中,弹簧的长度立即伸长,再放到冷水中,它会立即恢复原状。利用形状记忆合金弹簧可

以控制浴室水管的水温:在热水温度过高时通过"记忆"功能,调节或关闭供水管道,避免烫伤。也可以制作成消防报警装置及电器设备的保险装置。当发生火灾时,记忆合金制成的弹簧发生形变,启动消防报警装置,达到报警的目的。还可以把用记忆合金制成的弹簧放在暖气的阀门内,用以保持暖房的温度,当温度过低或过高时,自动开启或关闭暖气的阀门。形状记忆合金的形状记忆效应还广泛应用于各类温度传感器触发器中。 形状记忆合金另一种重要性质是伪弹性(pseudoelasticity,又称超弹性,superelasticity) ,表现为在外力作用下,形状记忆合金具有比一般金属大的多的变形恢复能力,即加载过程中产生的大应变会随着卸载而恢复[2-3] 。这一性能在医学和建筑减震以及日常生活方面得到了普遍应用。例如前面提到的人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器等[4] 。用形状记忆合金制造的眼镜架,可以承受比普通材料大得多的变形而不发生破坏(并不是应用形状记忆效应,发生变形后再加热而恢复) 形状记忆合金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。 航空航天工业 形状记忆合金已应用到航空和太空装置。如用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

磁性形状记忆合金

二、文献综述 1.磁性形状记忆合金 磁性形状记忆合金是既受温度控制的热弹性记忆效应,同时也具有受磁场控制的磁性形状记忆效应。磁性形状记忆合金具有很多优良的性能,如:高响应频率、大输出应力,磁致伸缩应变大等1,所以是一种理想的驱动和传感材料。 3. Heusler合金及其结构 Heusler合金是在研究MSMA中研究最多的一种合金,也是现在备受关注的一类功能材料,具有独特的磁性、半金属性、磁性形状记忆效应,有着广泛的应用前景。Heusler合金是1903年,德国人F.Heusler第一次报道两种金属间化合物的磁性,这两种化合物是Cu2MnAl 和Cu2MnSn。随后,英国人P. Webster 发表了一篇关于高有序度合金(Heusler 合金)的文章10 Heusler合金是一种金属间化合物,通常具有L21性结构,化学分子式为X2YZ,Z则是周期表右边B类IV族,及其两边的III 族和V族的元素。X、Y 可以是元素周期表中钪、钛、矾、铬、锰、铁、钴、镍、铜等3d 元素以及排列在它们所在列中下面的扩展的过渡族元素,共有约30个。 Heusler 合金可以看成由四个面心立方结构的亚晶格沿对角线四分之一相互交叉而成。X 和Y原子占据(A,C)以及B位,Z原子占据D位。其中ABCD的坐标分别为A (0, 0, 0), B ( 1/4,1/41/4 , ), C ( 1/2,1/2 1/2, ) 和D (3/4 3/4,3/4 , ) 图1.Heusler 合金晶体结构示意图 1.2 Heusler合金的结构和开发潜力 Heusler型合金是一种高度有序的金属间化合物,具有立方L21结构,空间

形状记忆合金材料的应用

形状记忆合金材料的性质与应用综述 【摘要】形状记忆合金是一种新型功能材料,在各个领域有着广泛的应用。本文简要介绍了形状记忆合金的特性、应用以及发展前景。 【关键词】形状记忆合金应用发展现状 【引言】形状记忆合金(Shape Memory Alloys, SMA),是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形,恢复其变形前原始形状的合金材料。最早关于形状记忆效应的报道是由Chang及Read等人在1952年做出的。他们观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。[3]后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象,但当时并未引起人们的广泛注意。直到1962年,Buehler及其合作者在等原子比的 Ti-Ni合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应,才引起了科学界与工业界的重视。这种新型功能材料目前已广泛用于电子仪器、汽车工业、医疗器械、空间技术和能源开发等领域。 一、形状记忆合金的分类 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。 二、形状记忆合金的特性 1、形状记忆效应:合金在某一温度下受外力而变形,当外力去除后,仍保持其变形后的形状,但当温度上升到某一温度,材料会自动回复到变形前原有的形状,似乎对以前的形状保持记忆,这种效应称为形状记忆效应。 2、超弹性:在高于A f点、低于M d点的温度下施加外应力时产生应力诱发马氏体相变,卸载就产生逆相变,应变完全消失,回到母相状态,表观上呈现非线性拟弹性应变,这种现象称为超弹性。 3、高阻尼特性:形状记忆合金在低于Ms点的温度下进行热弹性马氏体相变,生成大量马氏体变体(结构相同、取向不同),变体间界面能和马氏体内部孪晶界面能都很低,易于迁移,能有效地衰减振动、冲击等外来的机械能,因此阻尼特性特别好。 4、耐磨性:在形状记忆合金中,Ti-Ni合金在高温(CsCl型体心立方结构)状态下同时具有很好的耐腐蚀性和耐磨性。可用作在化工介质中接触滑动部位的机械密封材料,原子能反应堆中用做冷却水泵机械密封件。 5、逆形状记忆特性:将Cu-Zn-Al记忆合金在Ms点上下的很小温度范围内进行大应变量变形,然后加热到高于Af点的温度时形状不完全恢复,但再加热到高于200oC时却逆向地恢复到变形后的形状,称为逆形状记忆特性。 三、形状记忆合金在各领域的应用 1、医疗方面: Ni-Ti合金是医用生物材料的佼佼者,在临床医学和医疗器械等方面广泛应用。 [1]如介入疗法,将各类人体腔内支架、经过预压缩变形后,能够经过很小的腔隙安放到人体血管、消化道、呼吸道、以及尿道等各种狭窄部位,支架扩展后,在人体腔内支撑起狭小的腔道。具有疗效可靠、使用方便、可大大缩短治疗时间和减

形状记忆合金综述

形状记忆合金 摘要:扼要地阐述了形状记忆合金机理、常用制备方法、介绍了形状记忆合金的发展前景。 关键词:形状记忆合金、形状记忆效应、NiTi、锻造、热挤压、轧制、拉拔、冷加工、粉末成形、包套碎片挤压成形、溅射沉积薄膜 引言:形状记忆合金是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性变形并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应。研究表明,很多合金材料都具有SME,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。到目前为止,应用最多的是Ni2Ti合金和铜基合金。 形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑,高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。 1 形状记忆效应的机理 具有马氏体逆转变,且M s与A s温度相差很小的合金,将其冷却到M s点一下,马氏体晶核随着温度下降逐渐长大,温度上升的时候,马氏体相又反过来同步地随温度升高而缩小,马氏体相的数量随温度的变化而发生变化,这种马氏体称为热弹性马氏体。 在M s以上某一温度对合金施加外力也可引起马氏体转变,形成的马氏体称为应力诱发马氏体。有些应力诱发马氏体也属弹性马氏体,应力增加时候马氏体长大,反之,马氏体缩小,应力消除后马氏体消失,这种马氏体称为应力弹性马氏体。应力弹性马氏体形成时会使合金产生附加应变,当除去应力时,这种附加应力也随之消失,这种现象称为超弹性或者伪弹性。 将母相淬火得到马氏体,然后使马氏体发生塑性变形,变形后的合金受热时,马氏体发生逆转变,开始回复母相原始状态,唯独升高至A f时,马氏体消失,合金完全恢复到母相原来的形状,呈现形状记忆效应。如果对母相施加应力,诱发其马氏体形成并发生形变,随后逐渐减小应力直至除去时,马氏体最终消失,合金恢复至母相的原始形状,呈现伪弹性。 2 形状记忆合金的加工方法 加工工艺:锻造→热挤压→轧制和拉拔→冷加工→粉末成型→

形状记忆合金的应用现状与发展趋势

11 Santhanam A T,G odse R V,G rab G P et al.U.S.Patent. 1993(5):250,367 12 Nemeth B J,Santhanam A T,G rab G P.Proceed.10th Plansee Seminar,Plansee A.G.,Reutte/T yrol,1981:613~627 13 Santhanam A T,G rab G P,R olka G A et al.Proceed.con f. on High Productivity Machining-Materials and Processes. New Orleans,La,American S ociety for Metals,1985:113~121 14 Nemeth B J,G rab G P.U.S.Reissue Patent.1993,N o.34, 180 15 D oi H.Proceed.2nd Int.C on f.on the Science of Hard Mate2 rials,Adam Hilger Ltd.Ser.1986(75):489~523 16 Claussen N.Mater.Sci.Eng.1985(71):23~38 17 Wei G C,Becher P F.Am.Ceram.S oc.Bull.1985,64 (2):298~30418 Faber K T,Evans A G.Acta Metall.1983,31(4):565~576 19 N orth B,Baker R D.Int.J.of Refractory Hard Metals. 1984,3(1):46~51 20 Beeghly C W,Shuster A F.Proceed.S oc.of Carbide and T ool Engineers C on f.on Advances in T ool Materials for use in High S peed Machining,Scottsdale,AZ,AS M International, 1987,91~99 21 K ennametal Lathe T ooling Catalog4010.2004 22 Oles E J,Reiner K L,G ates et al.U.S.Patent.2003.6, 599,062 23 Inspektor A,Oles E J,Bauer C E.Int.J.of Refractory Met2 als and Hard Materials.1997(15):49~56 第一作者:M.S.G reen field,博士,美国肯纳金属公司材料总监 (胡红兵译) 收稿日期:2005年4月形状记忆合金的应用现状与发展趋势 肖恩忠 潍坊学院 摘 要:综述了形状记忆合金的发展概况,简要介绍了形状记忆合金在不同领域的应用现状,分析了当前形状记忆合金研究中存在的问题,指出了今后的发展前景与研究方向。 关键词:形状记忆合金, 形状记忆效应, 机理, 应用 Application Actuality and Development T rend of Shape Memory Alloy X iao Enzhong Abstract:The general development of the shape mem ory alloy(S M A)is summarized,and its applications in different fields are briefly introduced.Als o,problems in the study of S M A at present are analyzed.Finally,The development foreground and re2 search directions of S M A in the future are pointed out. K eyw ords:shape mem ory alloy, shape mem ory effect, mechanism, application 1 引言 形状记忆合金(Shape Mem ory Alloy,S MA)是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应(Shape Mem ory E ffect,S ME)。 形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。 2 形状记忆合金的发展历史与现状 在金属中发现形状记忆效应最早可追溯到20世纪30年代。1938年,美国的G reningerh和M oora2 dian在Cu2Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变。随后,前苏联的K urdium ov对这种现象进行了研究。1951年,Chang和Read在Au24715at%Cd合金中用光学显微镜观察到马氏体界面随温度的变化而发生迁动。这是最早观察到金属形状记忆效应的报道。数年后,Burkhart在In2T i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。直到1963年,美国海军武器实验室的Buehler等人发现等原子比的T i2Ni合金具有优良的形状记忆功能,

形状记忆材料

形状记忆材料 一、材料简介 形状记忆材料是指具有形状记忆效应的工程材料,是一种智能型多功能材料,集敏感和驱动功能于一体,输入热量就可对外做功。在各工程技术、医学领域有着广阔的应用前景。 该材料是具有一定形状的固体在一定条件下经一定塑性变形后,当加热至一定温度时又可完全恢复至原形状的新型材料。即它能记忆母象的形状,具有SME 的合金,称为记忆合金(SMA)。 形状记忆效应是1951年美国Read等人在AUCD合金中首先发现的,1953年在 R8-合金中也发现了同样现象,但当时并没有过多的引人注目。直到1964年美国Buehler等人在Ti-Ni合金中发现形状记忆效应后,该新型材料才受到世界瞩目,科学家们才逐步开展起对它的研发和利用。20世纪60年代中期出现了Ti-Ni合金制造的人造卫星天线和能量转换热机。1970年在形状记忆合金历史上有两项重大突破:一是Ti-Ni合金管接头在F14飞机油压管路连接上大量应用,这是形状记忆合金的第一个批量产品;二是日本大阪大学清水和大塚对所发现的形状记忆合金进行综合研究后发现这些合金有共性:它们都有热弹性马氏体相变。 形状记忆合金的制造一般需要熔铸、加工、成形、形状记忆处理等几大步骤。形状记忆高分子的制法与普通高分子的制法基本相同,既可以采用浇注法直接制得制品,也可以采用双螺杆挤出机,先制得粒料然后再注射成型。对于热塑性的形状记忆高分子多采用先制成粒料再成型的方法。成型前粒料必须除去水分,否则会使物性下降,外观变差。对于热固性的形状记忆高分子则多采用浇注法、固化脱模后硫化即得具有“原始形状”的制品,再经二次成型得形状记忆高分子。 制造工艺图如下: 铸锭均匀化热锻热轧 热旋热拉最终热处理 中间退火冷拉

形状记忆合金在医学上的应用

论文名: 形状忆合金在医学上的应用 学院:材料与化工学院 专业:金属材料工程 班级: 学号: 姓名:

内容摘要形状记忆合金的研究是近几年工程技术界颇为关注的一项 高新尖技术,其在航空航天、机械电子、工程建筑、医学医疗等相关领域已取得了一些应用性研究成果.本文介绍了形状记忆合金特点、功能、以及在现代医学中的研究与应用的现状与发展趋势. 关键词形状记忆合金医学领域 1.前言 在人类文明发展史上,材料是科学技术进步的重要支柱,也是社会进步的物质基础。在科技日新月异的今天,新材料更是高科技发展的先导。形状记忆合金正是新科技领域的一朵奇葩,正在灿烂的绽放。 1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到"记忆"效应,即合金的形状被改变之后,一旦加热到一定的跃变温度时,它又可以魔术般地变回到原来的形状,人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。记忆合金的开发迄今不过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"。 1963年,美国海军军械研究所的比勒在研究工作中发现,在高于室温较多的某温度范围内,把一种镍-钛合金丝烧成弹簧,然后在冷水中把它拉直或铸成正方形、三角形等形状,再放在40 ℃以上的热水中,该合金丝就恢复成原来的弹簧形状。后来陆续发现,某些其他合金也有类似的功能。这一类合金被称为形状记忆合金。每种以一定元素按一定重量比组成的形状记忆合金都有一个转变温度;在这一温度以上将该合金加工成一定的形状,然后将其冷却到转变温度以下,人为地改变其形状后再加热到转变温度以上,该合金便会自动地恢复到原先在转变温度以上加工成的形状。 1969年,镍--钛合金的“形状记忆效应”首次在工业上应用。人们采用了一种与众不同的管道接头装置。为了将两根需要对接的金属管连接,选用转变温度低于使用温度的某种形状记忆合金,在高于其转变温度的条件下,做成内径比待对接管子外径略微小一点的短管(作接头用),然后在低于其转变温度下将其内径稍加扩到该接头的转变温度时,接头就自动收缩而扣紧被接管道,形成牢固紧密的连接。美国在某种喷气式战斗机的油压系统中便使用了一种镍-钦合金接头,从未发生过漏油、脱落或破损事故。 1969年7月20日,美国宇航员乘坐“阿波罗”11号登月舱在月球上首次留下了人类的脚印,并通过一个直径数米的半球形天线传输月球和地球之间的信息。这个庞然大物般的天线是怎么被带到月球上的呢?就是用一种形状记忆合金材料,先在其转变温度以上按预定要求做好,然后降低温度把它压成一团,装进登月舱带上天去。放置于月球后,在阳光照射下,达到该合金的转变温度,天线“记”起了自己的本来面貌,变成一个巨大的半球。科学家在镍-钛合金中添加其他元素,进一步研究开发了钦镍铜、钛镍铁、钛镍铬等新的镍钛系形状记忆合金;除此以外还有其他种类的形状记忆合金,如:铜镍系合金、铜铝系合金、铜锌系合金、铁系合金(Fe-Mn-Si, Fe-Pd)等。 而今形状记忆合金以应用到我们生活的各个领域,正在改变着我们的生活。

形状记忆合金

形状记忆合金 摘要:形状记忆合金具有形状记忆效应、超弹性效应、高阻尼特性、电阻突变效应以及弹性模量随温度变化等一般金属不具备的力学特性,使其在仪器仪表、自动控制、机器人、机械制造、汽车、航天航空、生物医学等工程领域都能发挥重要的作用,对其本构性能和在工程应用中的性能的研究十分必要。形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。 关键字:形状记忆合金制备应用研究进展 1 形状记忆合金简介 1.1 形状记忆材料 是指具有形状记忆效应(shape memory effect,简称SME)的材料。形状记忆效应是指将材料在一定条件下进行一定限度以内的变形后,再对材料施加适当的外界条件,材料的变形随之消失而回复到变形前的形状的现象。通常称有SME的金属材料为形状记忆合金(shape memory alloys,简称SMA)。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。已发现的形状记忆合金种类很多,可以分为Ti-Ni系、铜系、铁系合金三大类。目前已实用化的形状记忆合金只有Ti-Ni系合金和铜系合金。 到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti合金和铜基合金(CuZnAl 和CuAlNi) 。 1.2 形状记忆合金效应分类 1.2.1 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。 1.2.2 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。 1.2.3 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。 2 形状记忆合金的制备

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