智能材料論文

1、燕山大學(xué)學(xué)院：精選文庫專業(yè)：姓名：學(xué)號：摘要：本論文主要討論形狀記憶合金相關(guān)內(nèi)容, 扼要地敘述了形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)以及發(fā)展歷史和分類,介紹了形狀記憶合金在工程中應(yīng)用的現(xiàn)狀以及發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：智能材料、形狀記憶合金正文：形狀記憶合金 (ShapeMemory Alloy,SMA)是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經(jīng)塑性形變并固定成另一種形狀后, 通過加熱到某一臨界溫度以上又可恢復(fù)成初始形狀的一類合金。形狀記憶合金具有的能夠記住其原始形狀的功能稱形狀記憶效應(yīng)(ShapeMemory Effect,SME)。研究表明 ,很多合金材料都具有SME , 但只有在形狀變化過程中產(chǎn)生較大回復(fù)應(yīng)變和較大形狀

2、回復(fù)力的 , 才具有利用價值。到目前為止, 應(yīng)用得最多的是Ni2Ti合金和銅基合金 (CuZnAl和 CuAlNi) 。形狀記憶合金作為一種特殊的新型功能材料 , 是集感知與驅(qū)動于一體的智能材料, 因其功能獨特 , 可以制作小巧玲瓏、高度自動化、性能可靠的元器件而備受矚目, 并獲得了廣泛應(yīng)用。-2精選文庫一、形狀記憶合金的發(fā)展史1932 年, 瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到" 記憶 " 效應(yīng)，即合金的形狀被改變之后， 一旦加熱到一定的躍變溫度時，它又可以魔術(shù)般地變回到原來的形狀， 人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金。1938 年。當(dāng)時美國的在Cu-Zn 合金小

3、發(fā)現(xiàn)了馬氏體的熱彈件轉(zhuǎn)變。隨后，前蘇聯(lián)對這種行為進行了研究。1951 年美國的 Chang 相Read在 Au47·5Cd(原子 ) 合金中發(fā)現(xiàn)了行狀記憶效應(yīng)。這是最早觀察到金屬形狀記憶效應(yīng)的報道。數(shù)年后，Burkhart在 In-Ti合金中觀察到同樣的現(xiàn)象。 然而在當(dāng)時， 這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)只被看作是個別材料的特殊現(xiàn)象而未能引起人們足夠的興趣和重視。直至1962 年，美國海軍機械研究所r 發(fā)現(xiàn)了 Ni-Ti合金中的的形狀記憶效應(yīng)， 才開創(chuàng)了“形狀記憶”的實用階斷。1969 年，美國一家公司首次將Ni-Ti合金制成管接頭應(yīng)用于美國 F14戰(zhàn)斗機上； 1970 年，美國將 Ti-Ni記憶合

4、金絲制成宇宙飛船用天線。這些應(yīng)用大大激勵了國際上對形狀記憶合金的研究與開發(fā)。 20 世紀 7 年代，相繼開發(fā)出了 Ni-Ti 基、 Cu-Al2-Ni 基和 Cu-Zn-Al 基形狀記憶合金； 80 年代開發(fā)出了 Fe-Mn-Si 基、不銹鋼基等鐵基形狀記憶合金， 由于其成本低廉、 加工簡便而引起材料工作者的極大興趣。從20 世紀 90年代至今，高溫形狀記憶合金、-3精選文庫寬滯后記憶合金以及記憶合金薄膜等已成為研究熱點。從 SMA 的發(fā)現(xiàn)至今已有四十余年歷史，美國、日本等國家對SMA 的研究和應(yīng)用開發(fā)已較為成熟，同時也較早地實現(xiàn)了SMA 的產(chǎn)業(yè)化。我國從上世紀 70 年代末才開始對 SMA

5、的研究工作， 起步較晚，但起點較高。在材料冶金學(xué)方面，特別是實用形狀記憶合金的煉制水平已得到國際學(xué)術(shù)界的公認， 在應(yīng)用開發(fā)上也有一些獨到的成果。但是，由于研究條件的限制，在SMA 的基礎(chǔ)理論和材料科學(xué)方面的研究我國與國際先進水平尚有一定差距，尤其是在SMA 產(chǎn)業(yè)化和工程應(yīng)用方面與國外差距較大。二、記憶合金主要分類（ 1）單程記憶效應(yīng)：形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀， 這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。（ 2）雙程記憶效應(yīng)：某些合金加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)。（ 3）全程記憶效應(yīng)：加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)?/p>

6、形狀相同而取向相反的低溫相形狀，稱為全程記憶效應(yīng)。SMA的形狀記憶效應(yīng)源于熱彈性馬氏體相變，這種馬氏體一旦形成，就會隨著溫度下降而繼續(xù)生長，如果溫度上升它又會減少，以完全相反的過程消失。 兩項自由能之差作為相變驅(qū)動力。兩項自由能相-4精選文庫等的溫度 T0 稱為平衡溫度。只有當(dāng)溫度低于平衡溫度T0 時才會產(chǎn)生馬氏體相變，反之，只有當(dāng)溫度高于平衡溫度T0 時才會發(fā)生逆相變。在 SMA中，馬氏體相變不僅由溫度引起， 也可以由應(yīng)力引起，這種由應(yīng)力引起的馬氏體相變叫做應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變， 且相變溫度同應(yīng)力呈線性關(guān)系。 至今為止發(fā)現(xiàn)的記憶合金體系A(chǔ)u-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al 、C

7、u-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、形狀記憶效應(yīng)的應(yīng)用迄今為止 , 形狀記憶合金在空間技術(shù)、醫(yī)療器械、機械器具、電子設(shè)備、能源開發(fā)、汽車工業(yè)及日常生活各方面都得到了廣泛的應(yīng)用,總的來說 , 按使用特性的不同 , 可歸納為下面幾類 :(1) 自由回復(fù)。 SMA 在馬氏體相時產(chǎn)生塑性形變 , 溫度升高自由回復(fù)到記憶的形狀。 自由回復(fù)的典型例子是人造衛(wèi)星的天線和血栓過濾器。美國航空航天局 (NASA) 將 Ti2Ni 合金板或棒卷成竹筍狀或

8、旋渦狀發(fā)條 , 收縮后安裝在衛(wèi)星內(nèi)。 發(fā)射衛(wèi)星并進入軌道后 , 利用加熱器或太陽能加熱天線 , 使之向宇宙空間撐開。血栓過濾器把 Ni2Ti 合金記憶成網(wǎng)狀 , 低溫下拉直 , 通過導(dǎo)管插入靜脈腔 , 經(jīng)體溫加熱后 , 形狀變?yōu)榫W(wǎng)狀 , 可以阻止凝血塊流動。 有人設(shè)想 , 利用形狀記憶合金制作宇宙空間站的可展機構(gòu) , 即以小體積發(fā)射 , 于空間展開成所需的形狀 ,-5精選文庫這是很有吸引力的機構(gòu)。(2) 強制回復(fù)。強制回復(fù)最成功的例子是 SMA 管接頭。事先把內(nèi)徑加工成比被接管外徑小 4 % , 當(dāng)進行連接操作時 , 首先把管接頭浸泡在液態(tài)空氣中 , 在低溫保溫狀態(tài)下擴徑后 , 把被接管從兩端

9、插入 ,升高溫度 , 內(nèi)徑回復(fù)到擴徑前的狀態(tài) , 把被接管牢牢箍緊。利用 SMA 制作的腦動脈瘤夾可夾住動脈瘤根部 , 防止血液流入 , 使動脈瘤缺 血 壞 死 。 本 田 等 人 用 厚度 為 015mm 的 Ti2Ni 板 制作 的Ag2TiNi復(fù)合夾滿足小而輕、裝卸簡便等要求, 效果良好。此外 , 類似的用途還有電源連接器、自緊固螺釘、自緊固夾板、固定銷、密封墊圈、接骨板和脊柱側(cè)彎嬌形哈倫頓棒等。(3) 動力裝置。有些應(yīng)用領(lǐng)域 , 要求形狀記憶元件在多次循環(huán)往復(fù)運動中對外產(chǎn)生力的作用。溫度繼電器和溫度保持器、自動干燥箱、電子灶、熱機、衛(wèi)星儀器艙窗門自動啟閉、 自動火警警報器、 熱敏閥門、

10、液氨泄漏探測器、煤氣安全閥、通風(fēng)管道緊急啟動閘門、自動收進煙頭的煙灰盒及人工心臟等都屬于這種應(yīng)用類型。 1997 年美國航空航天局 (NASA)的科學(xué)家利用長3cm, 直徑0115mm(01006 )的Ni-TiSMA 驅(qū)動火星探測器上的太陽能電池擋板, 加熱 SMA , 使其收縮 , 通過傳動裝置 , 打開太陽能電池上的玻璃擋板, 電池充電。充電結(jié)束后 , 偏置彈簧重新使擋板復(fù)位。擋板的有效開合可起到防塵目的。-6精選文庫(4) 精密控制。因為 SMA 的相變發(fā)生在一定溫度范圍而不是某一固定溫度點 , 我們往往只利用一部分形狀回復(fù) , 使機械裝置定位于指定的位姿。微型機器人、昆蟲型生物機械、

11、 機器人手抓及微型調(diào)節(jié)器、筆尖記錄器及醫(yī)用內(nèi)窺鏡都屬于這一類。 形狀記憶合金用作機器智能人的執(zhí)行器 , 集傳感、控制、換能、制動于一身 , 具有仿真性好、控制靈活、動作柔順、無振動噪聲、易于結(jié)構(gòu)微型集成化等優(yōu)點。日本的日立公司已研制出具有 13 個自由度的能揀取雞蛋的機器人。俄羅斯St1Petersburg 機器人及控制技術(shù)學(xué)院在 Cu-Al-Ni 基合金材料的研究基礎(chǔ)上 , 研制出了擬人機械手 (115m 長) , 其手爪能移動 200kg 的物體。該研究小組還給出了手爪的精確控制系統(tǒng)。 醫(yī)學(xué)上用到的具有多自由度能彎曲轉(zhuǎn)入腸道內(nèi)診斷疾病 , 進行手術(shù)的機器人也屬于這一類型?，F(xiàn)有的大腸鏡的直徑

12、為 1020mm , 這種內(nèi)窺鏡的直徑為 13mm , 因此它特別適用于作大腸鏡。 診斷過程中 , 醫(yī)生一邊看纖維鏡中的圖象 , 一邊移動操縱桿給出前端的第 1 ,2 節(jié)彎曲角指令和內(nèi)窺鏡前進、后退指令 , 通過計算機進行柔性控制 , 使內(nèi)窺鏡能夠平滑地沿著通路前進或后退 , 大大減小了患者的痛苦 , 也增加了診斷的準確性。隨著目前超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展 , 可進一步制成微米級甚至更小的超微仿生物。(5) 超彈性應(yīng)用。SMA 的偽彈性在醫(yī)學(xué)上和日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用 , 市場上的很多產(chǎn)品都應(yīng)用了 SMA 的偽彈性 ( 超彈性 ) 性質(zhì)。-7精選文庫主要有牙齒嬌形絲、 人工關(guān)節(jié)用自固

13、定桿、 接骨用超彈性Ni2Ti絲、玩具及塑料眼鏡鏡框等。Ni2Ti絲用于嬌形上, 即使應(yīng)變量高達10 %也不會產(chǎn)生塑性變形 , 而且應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的過程中 , 應(yīng)變增大較多時矯正力卻增加很少。故能保持適宜的矯正力 , 既可保證療效, 也可減輕患者的不適感。四、存在的問題和研究方向在 SMA 的研究和應(yīng)用中 , 目前存在許多有待解決的問題, 例如:(1) 由于 SMA 的各種功能均依賴于馬氏體相變 , 需要不斷對其加熱、冷卻及加載、卸載 , 且材料變化具有遲滯性 , 因此 SMA 只適用于低頻 (10Hz 以下 ) 窄帶振動中 , 這就大大限制了材料的應(yīng)用。(2) SMA 自身存在損傷和裂紋

14、等缺陷 , 如何克服這些缺陷 , 改善材料性能是當(dāng)前迫切需要解決的問題。(3) 現(xiàn)有的 SMA 機構(gòu)模型在實際工程應(yīng)用中都還存在一些缺陷, 如何克服這些缺點 , 從而精確地模擬出 SMA 的材料行為也是一個需要研究的重要課題 ;(4) 在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面 , 需繼續(xù)研究 SMA 的生物相容性和細胞毒性。(5) SMA 作為一種新型功能材料 , 其加工和制備工藝較難控制 ,目前還沒有形成一條SMA 自動生產(chǎn)線 , 此外材料成本也相當(dāng)昂貴。-8精選文庫(6) 為了提高應(yīng)用水平 ,SMA 元器件還需要進一步微型化 , 提高反應(yīng)速度和控制精度 , 在這方面仍有許多工作要做。SMA 研究今后的發(fā)展方向和趨勢可歸納為以下幾方面:(1) 充分發(fā)掘、改進和完善現(xiàn)有 SMA 的性能 ;(2) 研究開發(fā)新的具有形狀記憶效應(yīng)的合金材料 ;(3) SMA 薄膜的研究與應(yīng)用 ;(4) SMA 智能復(fù)合材料的研究與開發(fā) ;(5) 高溫 SMA 的開