形狀記憶材料

形狀記憶材料摘要：自從20世紀(jì)發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)后，形狀記憶材料就逐漸被科學(xué)界所認(rèn)識(shí)和研究。無生命物體所擁有的記憶也已不再充滿神秘感。在21世紀(jì)的今天，形狀記憶材料已應(yīng)用到科學(xué)研究及我們的生活當(dāng)中，范圍涉及機(jī)械、電子、化工、宇航、能源和醫(yī)療等許多領(lǐng)域，帶給我們極大的方便。關(guān)鍵詞：形狀記憶材料的由來形狀記憶材料的機(jī)理與實(shí)質(zhì)形狀記憶合金形狀記憶材料的應(yīng)用與開發(fā)前景最早關(guān)于形狀記憶效應(yīng)的報(bào)道是由Chang及Read等人在1952年作出的。他們觀察到Au-Cd合金中相變的可逆性。后來在Cu-Zn合金中也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。直到1962年，Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中觀察到具有宏觀形狀變化的記憶效應(yīng)。到70年代初，CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也發(fā)現(xiàn)了與馬氏體相變有關(guān)的形狀記憶效應(yīng)。形狀記憶材料是指具有一定初始形狀的材料經(jīng)形變并固定成另一種形狀后，通過熱、光、電等物理刺激或化學(xué)刺激的處理又可以恢復(fù)成初始形狀的材料。具有一定形狀的固體材料，在某一低溫狀態(tài)下經(jīng)過塑性變形后，通過加熱到這種材料固有的某一臨界溫度以上時(shí)，材料又恢復(fù)到初始形狀的現(xiàn)象，稱為形狀記憶效應(yīng)。形狀記憶效應(yīng)分為單程形狀記憶效應(yīng)，雙程形狀記憶效應(yīng)和全程形狀記憶效應(yīng)。形狀記憶效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是：合金內(nèi)部熱彈性馬氏體形成、轉(zhuǎn)變和消失的相變過程的宏觀變形。大部分合金和陶瓷記憶材料是通過馬氏體相變而呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。馬氏體相變具有可逆性，將馬氏體向高溫相(奧氏體)的轉(zhuǎn)變稱為逆轉(zhuǎn)變。形狀記憶效應(yīng)是熱彈性體馬氏體相變產(chǎn)生的低溫相在加熱時(shí)向高溫相進(jìn)行可逆轉(zhuǎn)變的結(jié)果。形狀記憶材料常見的大致可以分為三類：形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷和形狀記憶聚合物。其中，形狀記憶合金的應(yīng)用最為廣泛。迄今為止，人們發(fā)現(xiàn)具有形狀記憶的合金有50多種。按照合金組成和相變特征，具有較完全形狀記憶效應(yīng)的合金可分為3大系列：鈦-鎳系形狀記憶合金，銅基系形狀記憶合金和鐵系形狀記憶合金。研究表明，合金呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)必須具備如下條件：馬氏體相交是熱彈性的；母相與馬氏體相呈現(xiàn)有序點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；馬氏體內(nèi)部是李晶變形的；相變時(shí)在晶體學(xué)上具有完全可逆性。形狀記憶材料作為新型功能材料在航天航空、自動(dòng)控制系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)、能源等領(lǐng)域具有重要的作用。特別是形狀記憶合金已廣泛運(yùn)用于人造衛(wèi)星天線、機(jī)器人和自動(dòng)控制系統(tǒng)、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備和能量轉(zhuǎn)換材料。在高技術(shù)中的應(yīng)用：形狀記憶合金應(yīng)用最典型的例子是制造人造衛(wèi)星天線。由Ti—Ni合金板制成的天線能卷入衛(wèi)星體內(nèi)，當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入軌道后，利用太陽能或其他熱源加熱就能在太空中展開。美國宇航局(NASA)曾利用Ti—Ni合金加工制成半球狀的月面天線，并加以形狀記憶熱處理，然后壓成一團(tuán)，用阿波羅運(yùn)載火箭送上月球表面，小團(tuán)天線受太陽照射加熱引起形狀記憶而恢復(fù)原狀，即構(gòu)成正常運(yùn)行的半球狀天線。在智能方面的應(yīng)用：形狀記憶合金作為一種兼有感知和驅(qū)動(dòng)功能為新型材料，若復(fù)合在工作機(jī)構(gòu)中并配上微處理器，便成為智能材料結(jié)構(gòu)，可廣泛用于各種自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制裝置。如農(nóng)藝溫室窗戶的自動(dòng)開閉裝置，自動(dòng)電子干燥箱，自動(dòng)啟閉的電源開關(guān)，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警器，消防自動(dòng)噴水龍頭。尤其是形狀記憶合金薄膜可能成為未來機(jī)械手和機(jī)器人的理想材料，它們除了溫度外不受任何外界環(huán)境條件的影響．可望在太空實(shí)驗(yàn)室、核反應(yīng)堆、加速器等尖端科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮重要作用。在能量轉(zhuǎn)換材料的應(yīng)用：形狀記憶臺(tái)金可作為能量轉(zhuǎn)換材料一熱發(fā)動(dòng)機(jī)。它是利用狀記憶合金在高溫和低溫時(shí)發(fā)生相變，伴隨形狀的改變，產(chǎn)生極大的應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)熱能=機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用：作為醫(yī)用生物材料使用的形狀記憶合金主要是Ti—Ni合金。Ti—Ni合金強(qiáng)度高，耐腐蝕，抗疲勞，無毒副作用，生物相容性好，可以埋入人體作生物硬組織的修復(fù)材料。例如，Ti—Ni合金絲插入血管，由于體溫使其恢復(fù)到母相的網(wǎng)狀，作為消除凝固血栓用的過濾器。用Ti—Ni合金制成的肌纖維與彈性體薄膜心室相配合，可模仿心室收縮運(yùn)動(dòng)、制造人工心臟。用Ti--Ni合合制成的人造腎臟微型泵、人造關(guān)節(jié)、骨骼、牙床、脊椎矯形棒、骨折固定連接用的加壓騎縫釘、顱骨修補(bǔ)蓋板、以及假肢的連接等，療效較好。近年來，又在高分子聚合物、陶瓷材料、超導(dǎo)材料中發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)，而且在性能上各具特色。如形狀記憶聚合物可以應(yīng)用于在醫(yī)療、包裝材料、建筑、運(yùn)動(dòng)用品、玩具及傳感元件等方面。不可否認(rèn)，記憶材料的未來是不可限量的。不仿來大膽想像一下，在遙遠(yuǎn)的未來，我們可以將記憶材料運(yùn)用于吃穿住行的各個(gè)方面。衣物可以像壓縮餅干似的壓縮，隨身攜帶幾件不成問題，解決了不同場合的不同需要。在交通工具上，由形狀記憶材料制成自行車、汽車等交通工具，可以使它們在某個(gè)溫度下記憶不同的大小外型，如此一來，現(xiàn)在的停車難問題便可以解決了。運(yùn)用形狀記憶材料制成的住房可以方便的移動(dòng)……設(shè)想是美好的，超現(xiàn)實(shí)的，但并不是完全不可能的。目前，對(duì)于形狀記憶材料的開發(fā)與研究已日趨完善。但并未大規(guī)模地深入普通人的生活當(dāng)中，它還有很多可利用開發(fā)的空間，未來的形狀記憶材料必