智能材料形狀記憶合金

高分子形狀記憶合金的發(fā)展及趨勢于人類。關(guān)鍵詞：一、引言：形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloy,SMA)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形狀記憶效應(yīng)(ShapeMemoryEffect,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)二、形狀記憶合金的發(fā)展史1932二、形狀記憶合金的發(fā)展史1932狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金。1938Cu-Zn1951ChangRead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)In-Ti合金中觀察到同樣的現(xiàn)象。然而在當時，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1962rNi-Ti創(chuàng)了“形狀記憶”的實用階斷。1969Ni-TiF14戰(zhàn)斗Ti-Ni20世紀7年代，相繼開發(fā)出了Ni-TiCu-Al2-NiCu-Zn-Al80Fe-Mn-Si20世紀90年代至今，高溫形狀記憶合金、寬滯后記憶合金以及記憶合金薄膜等已成為研究熱點。SMASMA應(yīng)用開發(fā)已較為成熟，同時也較早地實現(xiàn)了SMA70代末才開始對SMA的研究工作，起步較晚，但起點較高。在材料冶金學(xué)方面，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。記憶合金主要分為以下幾種單程記憶效應(yīng)：加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。雙程記憶效應(yīng)：憶效應(yīng)。全程記憶效應(yīng)：為全程記憶效應(yīng)。SMA項自由能之差作為相變驅(qū)動力。兩項自由能相等的溫度T0稱為平衡溫度。只有當溫度低于平衡溫度T0時才會產(chǎn)生馬氏體相變，反之，只有當溫度高于平衡溫度T0時才會發(fā)生逆相變。項自由能之差作為相變驅(qū)動力。兩項自由能相等的溫度T0稱為平衡溫度。只有當溫度低于平衡溫度T0時才會產(chǎn)生馬氏體相變，反之，只有當溫度高于平衡溫度T0時才會發(fā)生逆相變。SMA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-CdAg-CdCu-ZnCu-Zn-AlCu-Zn-SnCu-Zn-SiCu-SnCu-Zn-GaIn-Ti、Au-Cu-Zn、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-NbFe-Mn-Si三、形狀記憶效應(yīng)的應(yīng)用7020廣泛，其應(yīng)用范圍涉及機械、電子、化工、宇航、能源和醫(yī)療等許多領(lǐng)域。三、形狀記憶效應(yīng)的應(yīng)用性的不同,可歸納為下面幾類: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(NASA)將合金板或棒卷成竹筍狀或旋渦狀發(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)構(gòu),即以小體積發(fā)射,于空間展開成所需的形狀,這是很有吸引力的機構(gòu)。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SMA015mm的Ti2Ni板制作的Ag2TiNi復(fù)合夾滿足小而輕、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。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、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,擋板的有效開合可起到防塵的目的。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(115m200kg,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輕患者的不適感。應(yīng)用領(lǐng)域：航天航空領(lǐng)域：憶”功能而自然展開，恢復(fù)拋物面行狀。還有在軍用飛機的液壓系統(tǒng)中的低溫配合連接件，歐洲和美國正在研制用于直升飛機的智能水平旋翼中的形狀記憶合金材料。由于直升飛機高震動和高噪聲使用受到限制，其噪聲和震動的來源主要是葉片渦流干擾，以及葉片型線的微小偏差。這就需要一種平衡葉片螺距的裝置，使各葉片能精確地在同一平面旋轉(zhuǎn)。目前已開發(fā)出一種葉片的軌跡控制器，它是用一個小的雙管形狀記憶合金驅(qū)動器控制葉片邊緣軌跡上的小翼片的位置，使其震動降到最低。用于制造探索宇宙奧秘的月球天線，人們利用形狀記憶合金在高溫環(huán)境下制做好天線，再在低溫下把它壓縮成一個小鐵球，使它的體積縮小到原來的千分之一，這樣很容易運上月球，太陽的強烈的輻射使它恢復(fù)原來的形狀，按照需求向地球發(fā)回寶貴的宇宙信息。另外，在衛(wèi)星中使用一種可打開容器的形狀記憶釋放裝置，該容器用于保護靈敏的鍺探測器免受裝配和發(fā)射期間的污染。生物醫(yī)療方面：用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的TiNi形狀記憶合金，除了利用其形狀記憶效應(yīng)或超彈性外，還應(yīng)滿足化學(xué)和生物學(xué)等方面的要求，即良好的生物相容性。TiNi可與生物體形成穩(wěn)定的鈍化膜。目前，在醫(yī)學(xué)上 TiNi合金主要應(yīng)用有：牙齒矯形絲用超彈性TiNi合金絲和不銹鋼絲做的牙齒矯正絲，其中用超彈性TiNi合金絲是最適宜的。通常牙齒矯形用不銹鋼絲 合金絲，但這些材料有彈性模量高，彈性應(yīng)變小的缺點。為了給出適宜的矯正力，在矯正前就要加工成弓形，而且結(jié)扎固定要求熟練。如果用 合金作牙齒矯形絲，即使應(yīng)變高達10%也不會產(chǎn)生塑性變形，而且應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變(stress-inducedmartensite)使彈性模量呈現(xiàn)非線型特性，即應(yīng)變增大時矯正力波動很少。這種材料不僅操作簡單，療效好，也可減輕患者不適感。在手術(shù)中安放矯形棒時，要求固定后脊柱受到的矯正力保持在 30~40kg下，一但受力過大，矯形棒就會破壞，結(jié)果不僅是脊柱，而且連神經(jīng)也有受損傷的危險。同時存在矯形棒安放后矯正力會隨時間變化，大約矯正力降到初始時的30%時，就需要再進行手術(shù)調(diào)整矯正力，這樣給患者在精神肉體上都造成極大痛苦。采用形狀記憶合金制作的哈倫頓棒，只需要進行一次安放矯形棒固定。如果矯形棒的矯正力有變化，以通過體外加熱形狀記憶合金，把溫度升高到比體溫約高 5℃，就能恢復(fù)足夠的矯正力。另外，外科中用TiNi形狀記憶合金制做各種骨連接器、血管夾、凝血濾器以及血管擴張元件等。同時還廣泛應(yīng)用于口腔科、骨科、心血管科、胸外科、肝膽科、泌尿科、婦科等，隨著形狀記憶的發(fā)展，醫(yī)學(xué)應(yīng)用將會更加廣泛。日常生活方面：中、浴盆和浴室的熱水意外燙傷；這些閥門也可用于旅館和其他適宜的地方。如果水龍頭流出的水溫達到可能燙傷人的溫度 (大約48℃)時，形狀憶合金驅(qū)動閥門關(guān)閉，直到水溫降到安全溫度，閥門才重新打開。眼鏡框架在眼鏡框架的鼻梁和耳部裝配 TiNi合金可使人感到舒適并抗磨損，由于TiNi合金所具有的柔韌性已使它們廣泛用于改變眼鏡時尚界。用超彈性TiNi合金絲做眼鏡框架，即使鏡片熱膨脹，該形狀記憶合金絲也能靠超彈性的恒定力夾牢鏡片。這些超彈性合金制造的眼鏡框架的變形能力很大，而普通的眼鏡框則不能做到。移動電話天線和火災(zāi)檢查閥門 使用超彈性TiNi金屬絲做蜂窩電話天線是形狀記憶合金的另一個應(yīng)用。過去使用不銹鋼天線，由于彎曲常常出現(xiàn)損壞問題。使用TiNi壞性受到人們普遍歡迎。因此常用來制作蜂窩狀電話天線和火災(zāi)檢查閥門?；馂?zāi)中，當局部地方升溫時閥門會自動關(guān)閉，防止了危險氣體進入。這種特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點是，它具有檢查閥門的操作，然后又能復(fù)位到安全狀態(tài)；這種火災(zāi)檢查閥門在半導(dǎo)體制造業(yè)中得到使用，在半導(dǎo)體制造的擴散過程中使用了有毒的氣體；這種火災(zāi)檢查閥也可在化學(xué)和石油工廠應(yīng)用。機械電子產(chǎn)品方面：1970年美國用形狀記憶合金制作 F-14戰(zhàn)斗上的低溫配合連接器，后有數(shù)以百萬以上的連件的應(yīng)用。形狀記憶合金作為低溫配合連接在飛機的液壓系統(tǒng)中及體積較小的石油、石化、電工業(yè)產(chǎn)品中應(yīng)用。另一種連接這種接件已經(jīng)用于密封裝置、電氣連接裝置、電子工程機械裝置，并能在-65~300件連接。將形狀記憶合金制作成一個可打開和關(guān)閉快門的彈簧，用于保護霧燈免于飛行碎片的擊壞。用于制造精密儀器或精密車床，一旦由于震動、碰撞等原因變形，只需加熱即可排除故障。在機械制造過程中，各種沖壓和機械操作常需將零件從一臺機器轉(zhuǎn)移到另一臺機器上，現(xiàn)在利用形狀記憶合金開發(fā)了一種取代手動或液壓夾具，這種裝置叫驅(qū)動汽缸，它具有效率高靈活，裝夾力大等特點。任何一種好的材料，其利用價值是相當大的任何一種好的材料，其利用價值是相當大的,發(fā)展前景也是很樂觀的。比如智能熱敏聚合物是一種能夠?qū)ν饨鐪囟鹊淖兓l(fā)生預(yù)定響應(yīng),從而使聚合物特定的宏觀性能隨之發(fā)生相應(yīng)的變化的高分子材料,形狀記憶聚合物為智能熱敏1,4-聚異戊二烯等均具有現(xiàn)狀記憶特工等領(lǐng)域的應(yīng)用前景,并對該類材料的發(fā)展前景進行了展望.對于這一種高科技材料我認為應(yīng)該更加廣泛的去開發(fā)、去利用，21拋物線形或平面天線，折疊成一團，用飛船帶到太空，溫度轉(zhuǎn)變，自展成原來的大面積和形狀。四、存在的問題和研究方向存在的問題在SMA的研究和應(yīng)用中,目前尚存在許多有待解決的問題,例如:由于SMA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。SMA迫切需要解決的問題。現(xiàn)有的SMA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;在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面,還需繼續(xù)研究SMA的生物相容性和細胞毒性。SMA一條SMA自動生產(chǎn)線,此外材料成本也相當昂貴。為了提高應(yīng)用水平,SMA精度,在這方面仍有許多工作要做。研究方向SMA研究今后的發(fā)展方向和趨勢可歸納為以下幾方面:充分發(fā)掘、改進和完善現(xiàn)有SMA的性能;研究開發(fā)新的具有形狀記憶效應(yīng)的合金材料;SMASMA高溫SMA五、前景展望研究的六、結(jié)語七、參考文獻崔海寧.形狀記憶合金在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].ft西建筑,2006高志剛.形狀記憶合金的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,20073.吳根華.形狀記憶合金及其應(yīng)用[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2004[J].機電設(shè)備,2002王永前，趙連城.高溫形狀記憶合金研