功能材料論文形狀記憶合金

1、Ti-Ni形狀記憶合金的制備、性能及應(yīng)用摘要：Ti-Ni形狀記憶合金是現(xiàn)代一種性能優(yōu)良的新型功能材料，本文主要介紹了其簡(jiǎn)介、制備方法、主要性能和主要的應(yīng)用及發(fā)展前景。 形狀記憶合金的發(fā)展背景：在研究Ti-Ni合金時(shí)發(fā)現(xiàn)：原來彎曲的合金絲被拉直后，當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)，它有恢復(fù)到原來彎曲的形狀。人們把這種現(xiàn)象稱為形狀記憶效應(yīng)（Shape Memory Effect）簡(jiǎn)稱SME,具有形狀記憶效應(yīng)的金屬稱為形狀記憶合金（SMA）。 形狀記憶現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)可以追溯到1932年，美國(guó)在研究Al-Cd合金時(shí)觀察到馬氏體隨溫度變化而消長(zhǎng)；1938年美國(guó)哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院發(fā)現(xiàn)Cu-Sn，Cu-Zn，合金在馬氏

2、體相變中的形狀記憶效應(yīng)；同年前蘇聯(lián)對(duì)Cu-Al-Ni，Cu-Sn合金的形狀記憶機(jī)理進(jìn)行了研究；1951-1953年，美國(guó)分別在Au-Cd，In-Ti，合金中觀察到形狀記憶效應(yīng)。知道60年代初，形狀記憶效應(yīng)制備看作是一種現(xiàn)象，Ti-Ni合金形狀記憶效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后，美國(guó)研制了最初實(shí)用的形狀記憶合金“Nitinol”。 形狀記憶合金SMA(Shape Memory Alloy)是指具有一定的初始形狀，經(jīng)形變并固定成另一種形狀后，通過熱、光、電等物理刺激或者化學(xué)刺激處理又可以恢復(fù)其初始形狀的一種新型金屬功能材料。由于這種合金具有獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)，可以制作小巧玲瓏、高自動(dòng)化、性能可靠的元器件，

3、目前已被廣泛應(yīng)用于電子儀器、汽車工業(yè)、醫(yī)療器械空間技術(shù)、能源開發(fā)等領(lǐng)域。 形狀記憶效應(yīng)：形狀記憶效應(yīng)有三種形式。第一種稱為單向狀，再重新加熱到As以上，馬氏體發(fā)生逆轉(zhuǎn)變，溫度升高至Af點(diǎn)，馬氏體完全消失，材料完全恢復(fù)母相形狀。一般形狀記憶效應(yīng)，即將母相冷卻或加應(yīng)力，使之發(fā)生馬氏體相變，然后是馬氏體發(fā)生塑性變形，改變其形沒有特殊說明，形狀記憶效應(yīng)都是指這種單向形狀記憶效應(yīng)。有些形狀記憶合金在加熱發(fā)生馬氏體逆轉(zhuǎn)變時(shí)，對(duì)母相有記憶效應(yīng)；當(dāng)從母相再次冷卻為馬氏體時(shí)，還回復(fù)馬氏體形狀，這種現(xiàn)象稱為雙向形狀記憶效應(yīng)。第三種情況是在Ti-Ni合金系發(fā)現(xiàn)的，在冷熱循環(huán)過程中，形狀回復(fù)到與母相完全相反的形狀，稱

4、為全方位形狀記憶效應(yīng)。目前已發(fā)現(xiàn)的形狀記憶合金種類很多，可分為鎳鈦系、銅系、鐵系合金三大類。另外，近年發(fā)現(xiàn)一些聚合物和陶瓷材料也具有形狀記憶功能，其形狀記憶原理與合金不同，還有待于進(jìn)一步研究。目前已實(shí)用的形狀記憶材料只有TiNi合金和銅系形狀記憶合金。Ti-Ni合金的制備 1鑄造 Ti-Ni合金是高溫延展性良好的材料。當(dāng)溫度超過400后拉伸強(qiáng)度下降，與此相反，延伸率迅速增加?？梢娙绻麥囟确秶ǖ煤侠鞹i-Ni合金無論錘鍛、壓力機(jī)上鍛造或徑向鍛造都是比較容易進(jìn)行的。實(shí)踐表明鍛造溫度不宜高于900否則合金表面將劇烈氧化而產(chǎn)生Ti-NiTi4Nb2低熔點(diǎn)混合物相。過是間隙氧污染物質(zhì)，具有脆化合金的作

5、用。另一方面溫度分布不宜低于750，否則材料的變形抗力增大缺口敏感性突出，常易造成撕裂性質(zhì)的破壞使廢品率增加。因此，鍛造溫度范圍為750900。鑄錠鍛造前需經(jīng)850、l2h均勻退火然后機(jī)加工去表面氧化皮和冒口，再鍛成棒料。2熱擠壓 從Ti-Ni的高溫拉伸性能來看Ti-Ni合金適宜擠壓。但不能進(jìn)行冷擠壓。Rozner在0.7Tm(Tm為金屬的熔點(diǎn))溫度成功的進(jìn)行了Ti-Ni的熱擠壓。鑄錠經(jīng)機(jī)加工后用碳鋼包套然后在900擠壓擠壓比為4：116：1擠壓后坯料在600退火1h然后爐冷3軋制和拉拔 棒料軋制一般可在普通多機(jī)座連續(xù)軋機(jī)上進(jìn)行一孔型設(shè)計(jì)按常規(guī)由平橢圓、橢圓和圓組成。起軋溫度820士20。根據(jù)

6、成品的尺寸要求應(yīng)旨理地將整個(gè)軋制過程分解為一定數(shù)量的道次。軋制道次如下：43mm一25ram 7道次25mm一15ram 5道次25mm一85ram 9道次。軋制板材的設(shè)備最好帶有預(yù)應(yīng)力裝置。板材軋制溫度應(yīng)略高于棒材，但不高于900，否則氧化皮增加影響材質(zhì)。坯料厚度從30mm軋至2832mm采用9道次。軋制帶材的方法不同于棒材和板材最好溫軋。軋制時(shí)前后應(yīng)有一定的張力。用通電的方法使材料保持溫度(500600)以免出現(xiàn)加工硬化每一遭次壓下量應(yīng)控制在0.203mm左右。Ti-Ni合金在70以上存在異常大的速度加工硬化。冷加工必須正確掌握變形率和中間退火。冷軋的道次變形率應(yīng)小于2，冷拔為10%，每道

7、的中間退火溫度宜采用650700。經(jīng)研究表明：清除Ti-Ni合金加工硬化以650士20為佳。Ti-Ni合金絲的冷拔工藝為：中間退火溫度為750，退火時(shí)間15min，潤(rùn)滑劑用肥皂拔絲速度小于6m/min第一道次冷拔量1520%其后的道次冷拔量為10%左右。2次退火間總冷拔量為4045。4冷加工 Ti-Ni合金的布氏硬度雖然只有90上下，但切削性能很差特別是鉆孔時(shí)，如用高速鋼刀具劇壽命更短，所以一般使用硬質(zhì)合金(如碳化鎢)刀具。切削速度應(yīng)適中過快或過慢都不好。磨削加工以采用碳化硅系列的砂輪為佳，5粉末成形 Ti-Ni記憶合金的機(jī)加工性能較差，近年來人們開始研究采用免除或減步加工工序的粉末情金方法和

8、精鑄方法來制造記憶合金零件。目前大致有2種粉末成形的方法：(1)用預(yù)制的Ni一Ti合金粉末經(jīng)過2次熱等靜壓擴(kuò)散燒結(jié)主要用于制備拉絲的優(yōu)質(zhì)毛坯。(2) 直接用Ni和Ti粉作原料經(jīng)過一次燒結(jié)和熱等靜壓處理。試樣制備工藝是：將350目Ti粉和還原的羰基Ni粉50(原子數(shù)分?jǐn)?shù))的比例混合，置于石墨模中在熱壓機(jī)上燒結(jié)。再經(jīng)過包套軋制和高壓等靜壓處理后進(jìn)行均勻化處理。試樣密度是理想材料的9597但回復(fù)率只有熔煉材料的70%左右。目前，Ti-Ni合金的粉末成形還存在一些問題。由于粉末中有雜質(zhì)和氧含量加上制備過程中由于石墨模引起的碳和其它元素侵入等問題，都使粉末成形值得更深入研究。 Ti-Ni記憶合金的性質(zhì)及

9、特點(diǎn)近等原子比的Ti-Ni基記憶合金是最早得到應(yīng)用的一種記憶合金。由于其具有優(yōu)異的形狀憶效應(yīng)、高的耐熱性、耐蝕性、高的強(qiáng)度以及其他合金無法比擬的熱疲勞性與良好的生物相容性以及高阻尼特性等，因而得到廣泛的應(yīng)用。 Ti-Ni基記憶合金的相變溫度對(duì)成分最敏感，含Ni量每增加0.1%，就會(huì)引起相變溫度降低10，添加的第三元素對(duì)Ti-Ni 合金相變溫度的影響也很大。具有豐富的相變現(xiàn)象、優(yōu)異的形狀記憶和超彈性性能、良好的力學(xué)性能、耐腐蝕性、生物相容性以及高阻尼特性；研究最全面、記憶性好、實(shí)用性強(qiáng)的形狀記憶合金材料，是目前應(yīng)用最為廣泛的形狀記憶材料。Ti-Ni基記憶合金的特點(diǎn)：1機(jī)械性質(zhì)十分優(yōu)良，能恢復(fù)的形

10、變可高達(dá)10（一般金屬材料0.1）；2加熱時(shí)產(chǎn)生的回復(fù)應(yīng)力非常大，可達(dá)500MPa；3無通常金屬呈現(xiàn)的“疲勞斷裂”現(xiàn)象；可感受溫度、外力變化并通過調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)來適應(yīng)外界條件 對(duì)環(huán)境刺激的自適應(yīng)性。 與典型的耐磨材料相比, Ti-Ni合金的硬度較低,但其耐磨性非常優(yōu)良,甚至超過普通耐磨材料 。研究發(fā)現(xiàn), Ti-Ni合金優(yōu)異的摩擦性能主要來源于合金的相變超彈性,另外其良好的應(yīng)變硬化效應(yīng)、熱硬性、耐腐蝕等特性也有助于合金的耐磨性。 對(duì)不同 Ni含量的 Ti-Ni SMA的抗磨損性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明: Ti-Ni SMA的抗磨損性能主要取決于合金的硬度和相組成。對(duì)于相組成為B+ M的 Ti-Ni合

11、金來說, 其硬度的大小取決于 B相含量, B相含量越高,合金的硬度越高,而對(duì)于含馬氏體相的合金來說其硬度變化又受到 Ni含量的強(qiáng)烈影響。在干摩擦條件下, 含單一 B相合金的抗磨損量是單相馬氏體合金的5倍左右。研究表明: 經(jīng)此工藝及退火處理后的 Ti-Ni合金由于發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形,導(dǎo)致晶粒細(xì)化,從而提高了合金抗塑性變形的能力,改善了合金的耐磨性。Ti-Ni記憶合金的應(yīng)用Ti-Ni基記憶合金的應(yīng)用已遍及航空、航天、機(jī)械、電子、能源、醫(yī)學(xué)以及日常生活中。下面主要講述其在工程應(yīng)用、醫(yī)學(xué)應(yīng)用及智能應(yīng)用。工程應(yīng)用 形狀記憶材料在工程上的應(yīng)用很多，最早的應(yīng)用就是作各種結(jié)構(gòu)件，如緊固件、連接件、密封墊等。

12、另外，也可用于一些控制元件，如一些與溫度有關(guān)的傳感及自動(dòng)控制。 60年代初Ti-Ni合金首次被用于海軍飛機(jī)液壓系統(tǒng)的接頭，并取得了成功。 形狀記憶合金做緊固件、連接件較其他材料有許多優(yōu)勢(shì)。（1）夾緊力大，接觸密封卡了、可靠，避免了由于焊接而產(chǎn)生的冶金缺陷；（2）適于不焊接的接頭;(3）金屬與塑料等不同材料可以通過這種連接件連成一體；（4）安裝時(shí)不需要熟練的技術(shù)。 把形狀記憶合金制成的彈簧與普通安裝在一起可以制成自控元件。1973年美國(guó)試制成第一臺(tái)Ti-Ni熱機(jī)，利用形狀記憶合金在高溫，低溫時(shí)發(fā)生的相變，產(chǎn)生形狀的改變，并伴隨極大的應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和熱能的相互轉(zhuǎn)換。醫(yī)學(xué)應(yīng)用醫(yī)學(xué)上使用形狀記憶合金

13、主要是Ti-Ni合金，這種材料對(duì)生物體有較好的相容性，可以埋入人體作為移植材料。在生物體內(nèi)部作固定折斷骨架的銷、進(jìn)行內(nèi)固定接骨的接骨板，由于體內(nèi)溫度是Ti-Ni合金發(fā)生相變，形狀改變，不但沒能將兩段骨固定住，而且能在相變過程中產(chǎn)生壓力，迫使斷骨很快愈合。另外，假肢的連接、矯正脊柱彎曲的矯正板，都是利用形狀記憶合金治療的實(shí)例。在內(nèi)科方面，可將細(xì)的Ti-Ni絲插入血管，由于體溫使其恢復(fù)到母相的網(wǎng)狀，阻止95%的凝血塊不流向心臟。用記憶合金制造的肌纖維與彈性體薄膜心室相配合，可以模仿心室收縮運(yùn)動(dòng)，制造人工心臟。智能應(yīng)用形狀記憶合金是一種集感知和驅(qū)動(dòng)雙重功能為一體的新形材料，因而可以廣泛應(yīng)用于各種自調(diào)

14、節(jié)和控制裝置，如各種智能、仿生機(jī)械。形狀記憶薄膜和細(xì)絲可能成為未來機(jī)械手和機(jī)器人的理想材料，它們除溫度外不受任何其他環(huán)境條件的影響，可望在核反應(yīng)堆、加速器、太空實(shí)驗(yàn)室等高科技領(lǐng)域大顯身手。Ti-Ni合金前景近年來在Ti-Ni合金基礎(chǔ)上，加入Nb、Cu、Fe、Al、Si、Mo、V、Cr、Mn、Co、Zr、Pb等元素，開發(fā)了Ti-Ni-Cu、Ti-Ni-Pb、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Cr等新型Ti-Ni合金。上述合金元素對(duì)Ti-Ni合金的Ms點(diǎn)有明顯影響，也使As溫度降低，即使偽彈性向低溫發(fā)展。Ti-Ni系合金是最具有前景的形狀記憶材料，性能優(yōu)良，可靠性好，并且與人體有生物相容性；為適應(yīng)在微機(jī)械及各種復(fù)雜環(huán)境中的使用要求，Ti-Ni形狀記憶合金級(jí)后的發(fā)展方向是尺寸的超小化、超細(xì)化、超薄化；相變的高溫化；熱滯的寬化與窄化；功能的復(fù)合