材料-形狀記憶材料

1、形狀記憶材料shape memory materials形狀記憶合金北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程前沿之形狀記憶材料主 要 內(nèi) 容形狀記憶合金形狀記憶陶瓷形狀記憶聚合物形狀記憶合金形狀記憶效應(yīng)：合金在低溫馬氏體態(tài)即使變形超過彈性極限，在加熱后仍然能夠恢復(fù)到原來的形狀。形狀記憶效應(yīng)回復(fù)應(yīng)變可達8%。形狀記憶合金馬氏體奧氏體馬氏體一種具有形狀記憶效應(yīng)和超彈性的金屬智能材料1963年美國海軍武器實驗室W.J. Burhler等發(fā)現(xiàn)近等原子比的NiTi（Nitinol , Naval Ordnance Laboratory) 合金具有良好的形狀記憶效應(yīng)：形狀記憶合金超彈性：合金在奧氏

2、體態(tài)變形超過彈性極限，卸載后仍能回到原來形狀。超彈性回復(fù)應(yīng)變可達8%。一種具有形狀記憶效應(yīng)和超彈性的金屬智能材料形狀記憶合金的發(fā)展 1970年代初，發(fā)現(xiàn)Cu基合金也具有良好形狀記憶效應(yīng)。 80年代末，在鐵基合金，如FeMnSi合金中發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。后來，相續(xù)發(fā)現(xiàn)的形狀記憶合金達20多種 1996年美國MIT首先報道了NiMnGa單晶在磁場下誘發(fā)了0.2%的磁致應(yīng)變。隨后，這類磁場驅(qū)動形狀記憶合金在世界范圍內(nèi)獲得了廣泛的關(guān)注和研究。之后，各種磁驅(qū)動形狀記憶合金不斷出現(xiàn)：NiFeGa、CoNiGa、NiCoMnIn等. 2000年以后，以TiNb為代表的新型無鎳形狀記憶合金成為新的研究熱點 Ni

3、Ti基形狀記憶合金 Cu基形狀記憶合金 Fe基形狀記憶合金 NiAl基形狀記憶合金 AuCd貴金屬形狀記憶合金 Ti合金系列:Ti-X(X=Nb, Mo, Zr, Ta） NiMnGa磁驅(qū)動形狀記憶合金形狀記憶合金的種類形狀記憶合金之所以具有形狀記憶效應(yīng),是因為這些合金在溫度變化時發(fā)生了馬氏體相變！形狀記憶效應(yīng)與馬氏體相變馬氏體變體的光學(xué)顯微照片形狀記憶的機理馬氏體相變 形狀記憶效應(yīng)結(jié)構(gòu)變化圖解NiTi合金電阻溫度曲線馬氏體相變的非線性滯后特性超彈性效應(yīng)示意圖超彈性應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變力學(xué)行為偽彈性記憶效應(yīng)約束回復(fù)TiNi形狀記憶合金的回復(fù)力溫度曲線約束回復(fù)力回復(fù)力NiTi基:400MPaCu

4、基:200MPa形狀記憶合金的形狀記憶回復(fù)應(yīng)變溫度曲線回復(fù)應(yīng)變形狀記憶回復(fù)做功示意圖TiNi基記憶合金馬氏體結(jié)構(gòu)相變特點力學(xué)性能智能復(fù)合材料TiNi基記憶合金相圖具有形狀記憶效應(yīng)的TiNi合金只存在于很窄的成分區(qū)內(nèi)TiNi記憶合金馬氏體結(jié)構(gòu)TiNi記憶合金中B19馬氏體典型的三角組織形貌Madangopal K. Acta Mater 1997;45:5347.TiNi形狀記憶合金力學(xué)性能 Ti-50.6Ni合金在不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。Miyazaki S, et al. Scripta Metall 1981;15:287. 基體：結(jié)構(gòu)材料鋁，水泥，高分子 功能材料壓電陶瓷，磁致伸縮材料

5、 智能復(fù)合材料（Smart composites) 目標(biāo)：自增強（self strengthening）, 主動模態(tài)調(diào)制（active model modification） 纖維（1）、顆粒（0）和薄膜（2）形狀記憶合金智能復(fù)合材料形狀記憶合金顆粒增強金屬基復(fù)合材料 （0-3型）形狀記憶合金智能復(fù)合材料TiNi絲/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料示意圖（1-3型） 形狀記憶合金智能復(fù)合材料在提出了基體相變應(yīng)變與納米線彈性應(yīng)變匹配的設(shè)計概念基礎(chǔ)上，成功制備出了一種Nb納米線/偽彈性NiTi形狀記憶合金原位自生復(fù)合材料。該材料具有大準(zhǔn)線性彈性應(yīng)變、低彈性模量和高屈服強度。填補了傳統(tǒng)三大類材料（金屬、陶瓷及高分子

6、材料）力學(xué)性能的空白區(qū)，有望成為在生物醫(yī)用、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用的新型多功能材料。Science審稿人評價認為：這篇文章是諸多方面的卓越工作； 特別鼓舞人的是，在已被認為成熟、難以取得突破的領(lǐng)域，取得重大進展； 對材料科學(xué)具有重要、新穎的貢獻。同期Science 期刊給予專題評述：認為該工作預(yù)示著材料設(shè)計新時代的到來 。H001H001H=10KOeT=283K(A) +50ppm -120ppmT=265K(M) +600ppm -1300ppmK.Ullakko et al., Appl. Phys. Lett.(69) 1996: 1966Ni2MnGa單晶相變應(yīng)變及磁致應(yīng)變磁場驅(qū)動形狀記

7、憶合金R.C.OHandley, et al, J.Appl.Phys.,(83) 2000:4712磁驅(qū)動記憶合金磁場誘發(fā)應(yīng)變機制磁場驅(qū)動形狀記憶合金磁場誘發(fā)應(yīng)變機制1、磁場誘發(fā)馬氏體孿晶再取向（上圖）； Ni2MnGa 0.2%9%2、磁場誘發(fā)馬氏體相變:NiCoMnIn 3%,具有7M結(jié)構(gòu)馬氏體的Ni48.8Mn29.7Ga21.5合金單晶的應(yīng)力應(yīng)變曲線和高達9.5%的磁驅(qū)動應(yīng)變，源于馬氏體孿晶再取向。1746-17482002截止2016年5月3日SCI引用1058次pp：957-960采用大磁場誘發(fā)了Ni-Co-Mn-In合金中從反鐵磁（或者順磁）馬氏體到鐵磁母相之間的可逆相變，使經(jīng)

8、過預(yù)壓縮變形合金在磁場驅(qū)動下的回復(fù)應(yīng)變達到3%。航空管路連接-最早最成功的應(yīng)用范例傳統(tǒng)連接形式形狀記憶合金連接形式適用溫度范圍：-55至200；工作壓力范圍：21 MPa。形狀記憶合金的應(yīng)用航空領(lǐng)域的應(yīng)用降噪波音飛機機翼后緣安裝的可變外形“Chevron”，用來降低起飛和著陸時的噪音。VGC-Variable Geometry ChevronJames H et al. AIAA 2006-2142航空領(lǐng)域的應(yīng)用降噪James H et al. AIAA 2006-2142波音飛機機翼后緣安裝的可變外形“Chevron”，用來降低起飛和著陸時的噪音。航空領(lǐng)域的應(yīng)用減重吸能超彈形狀記憶合金作為輕

9、型飛行器的起落裝置：減重、吸能2007星箭分離SMA分離裝置代替原有火工分離裝置：降低沖擊、安全可靠、環(huán)保航天器用分離機構(gòu)航天領(lǐng)域應(yīng)用-異質(zhì)材料連接利用超彈性連接高分子和金屬構(gòu)件眼鏡框日用生活中的應(yīng)用水溫調(diào)節(jié)器(形狀記憶)日用生活中的應(yīng)用聚髕器 接骨騎縫釘 接骨器 生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用利用形狀記憶功能的接骨器口腔科用形狀記憶合金醫(yī)療器械牙齒矯形絲、根管器械、頜面修補器牙齒矯形絲根管銼生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用介入醫(yī)學(xué)用形狀記憶合金醫(yī)療器械管腔支架、先心封堵器、靜脈濾器、動脈瘤栓塞器管腔支架：食管、氣管、膽道、尿道等先心介入封堵器生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用形狀記憶陶瓷形狀記憶陶瓷1977年發(fā)現(xiàn)變形云母玻璃形狀回復(fù)現(xiàn)象：粘彈性機制1

10、975年發(fā)現(xiàn)ZrO2基陶瓷應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變；液相(L)立方相（c）四方相（t）單斜相（m）270623709501150ZrO2中的相變ZrO2陶瓷的超彈性和形狀記憶效應(yīng)源于單斜馬氏體相和四方母相之間的可逆相變形狀記憶陶瓷12mol%CeO2-ZrO2室溫單軸壓縮軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線；x軸下方為加熱時應(yīng)變回復(fù)曲線。應(yīng)力誘發(fā)t-m馬氏體相變12CeO2-ZrO2在不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線；形狀記憶陶瓷CeO2Y2O3穩(wěn)定的ZrO2陶瓷中具有形狀記憶效應(yīng)和超彈性；小尺度（直徑1微米）陶瓷棒可承受50次壓縮加卸載循環(huán)；其超彈性回復(fù)應(yīng)變可達7%。該材料具有高能量輸出、高阻尼和高服役溫度特性。形狀記憶聚合

11、物聚合物力學(xué)特征高聚物的形變溫度曲線形狀記憶聚合物（SMP）：熱致敏感型可逆相：物理交聯(lián)結(jié)構(gòu)結(jié)晶態(tài)、玻璃態(tài)；隨溫度變化能可逆固化和軟化。固定相：物理交聯(lián)結(jié)構(gòu)（熱塑性）或化學(xué)交聯(lián)結(jié)構(gòu)（熱固性）；防止樹脂流動并記憶起始態(tài)。形狀記憶聚合物熱塑性SMP形狀記憶過程示意圖形狀記憶聚合物苯乙烯/丁二烯共聚物形狀記憶聚合物熱固性SMP形狀記憶過程示意圖形狀記憶聚合物形狀記憶聚合物聚異戊二烯四種微結(jié)構(gòu)Trans-PI反式聚異戊二烯的記憶過程形狀記憶聚合物一種具有形狀記憶功能的聚己內(nèi)酯類高分子材料；在20到40oC之間發(fā)生形狀回復(fù)；動物實驗證明利用其形狀記憶效應(yīng)實現(xiàn)了縫合功能，同時具有降解功能。形狀記憶聚合物典型應(yīng)用SMP熱收縮管的應(yīng)用線材加工的被覆與絕緣保護焊點保護、電子元器件的包覆電阻、電容的絕緣保護金屬產(chǎn)品的防銹、防腐蝕處理電線標(biāo)示或標(biāo)色參考書目K. otsuka, CM Wayman, Shape