智能材料與形狀記憶材料綜述

第7章

智能材料與形狀記憶材料

智能材料與形狀記憶材料綜述第1頁(yè)智能材料是近年來(lái)在世界上興起并快速發(fā)展材料技術(shù)一個(gè)新領(lǐng)域。7.1

智能材料智能材料與形狀記憶材料綜述第2頁(yè)7.1.1基本概念

構(gòu)想：混凝土能自己發(fā)覺(jué)混凝土大壩里裂縫；玻璃能依據(jù)環(huán)境光強(qiáng)改變而自行改變透光率，使進(jìn)入室內(nèi)陽(yáng)光變暗或變亮；墻紙能夠改變顏色以適應(yīng)不一樣環(huán)境；空中飛行飛機(jī)能自行診療其損傷狀態(tài)并自行修復(fù)。

仿生“活”材料智能材料與形狀記憶材料綜述第3頁(yè)美國(guó)和日本科學(xué)家首先提出。1989年日本高木俊宜教授將信息科學(xué)融于材料特征和功效，提出智能材料(Intelligentmaterials)概念，它是指對(duì)環(huán)境含有可感知可響應(yīng)等功效新材料。美國(guó)R．E．Newnhain教授提出了靈巧(Smart)材料概念，這種材料含有傳感和執(zhí)行功效，他將靈巧材料分為被動(dòng)靈巧材料、主動(dòng)靈巧材料和很靈巧材料三類(lèi)。

智能材料與形狀記憶材料綜述第4頁(yè)智能材料是高技術(shù)新材料領(lǐng)域中正在形成一門(mén)新分支學(xué)科，是2l世紀(jì)先進(jìn)材料，是當(dāng)前工程學(xué)科發(fā)展國(guó)際前沿。智能材料是一門(mén)交叉學(xué)科，它發(fā)展不但是材料學(xué)科本身需要，而且能夠帶動(dòng)許多相關(guān)學(xué)科發(fā)展，如物理、化學(xué)、計(jì)算機(jī)、土木工程和航空航天發(fā)展。智能材料與形狀記憶材料綜述第5頁(yè)智能材料：是指能模仿生物體，同時(shí)含有感知和控制等功效材料或結(jié)構(gòu)。它既能感知環(huán)境情況又能傳輸、分析相關(guān)信息，同時(shí)作出類(lèi)似有生命物體智能反應(yīng)，如自診療、自適應(yīng)或自修復(fù)等。

這種材料普通含有四種主要功效：①對(duì)環(huán)境參數(shù)敏感；②對(duì)敏感信息傳輸；③對(duì)敏感信息分析、判斷；④智能反應(yīng)。智能材料與形狀記憶材料綜述第6頁(yè)智能材料與形狀記憶材料綜述第7頁(yè)早期智能材料往往是一個(gè)材料集上述四種功效于一身，所以種類(lèi)極少，而且適應(yīng)面很狹窄，功效單一?，F(xiàn)在對(duì)智能材料四種功效分別進(jìn)行處理，分別按需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，制造各種性能優(yōu)越智能材料。所以，智能材料往往不是研制一個(gè)材料使之具備各種智能特征，而是依據(jù)需要在所使用基體材料中融入某種新材料和器件，這種融入材料或器件普通含有某種或各種智能特征，這么使智能材料性能和應(yīng)用得到了很大擴(kuò)展。

智能材料與形狀記憶材料綜述第8頁(yè)（1）敏感特征融入材料使新復(fù)合材料能感知環(huán)境各種參數(shù)及其改變。智能材料與形狀記憶材料綜述第9頁(yè)日本東京大學(xué)工學(xué)系開(kāi)發(fā)出了世界第一個(gè)用來(lái)檢驗(yàn)核電站、高速公路、隧道等是否存在裂紋光纖傳感器，靈敏度是過(guò)去檢測(cè)裝置千倍以上，價(jià)格也很廉價(jià)。這種傳感器使用簡(jiǎn)便，靈敏度高。只需將光纖制成線(xiàn)圈貼在大樓、橋梁等物體表面，假如這些被檢測(cè)物體存在裂紋，傳感器就會(huì)感知到由此產(chǎn)生微小聲音和振動(dòng)，光纖內(nèi)傳導(dǎo)光信號(hào)波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生改變，分析這些改變就能發(fā)覺(jué)裂紋位置及開(kāi)裂程度。試驗(yàn)證實(shí)，不論裂紋位于建筑物表面、墻壁內(nèi)部還是地下深處，傳感器都能準(zhǔn)確地探測(cè)到。增加線(xiàn)圈數(shù)量還能深入提升傳感器靈敏度。假如用玻璃纖維制成光纖繞成線(xiàn)圈，傳感器感知效果在600攝氏度情況下依然能夠保持不變，適合在核電站和高溫化工廠(chǎng)使用。日本創(chuàng)造光纖傳感器新華網(wǎng)（-02-1116:48:57）智能材料與形狀記憶材料綜述第10頁(yè)機(jī)械手柔性三維運(yùn)動(dòng)形狀記憶合金智能材料與形狀記憶材料綜述第11頁(yè)通常使用壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成，這么傳感器也稱(chēng)為壓電傳感器。壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等測(cè)量中。壓電傳感器智能材料與形狀記憶材料綜述第12頁(yè)（2）傳輸特征智能材料不但需要敏感環(huán)境各種參數(shù)，而且需要在材料與結(jié)構(gòu)中傳遞各種信息，其信息傳遞類(lèi)似人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，不但體積微小，而且傳遞信息量特大。當(dāng)前用于智能材料中信息傳遞方法很多，最慣用是用光導(dǎo)纖維來(lái)傳遞信息。智能材料與形狀記憶材料綜述第13頁(yè)（3）智能特征智能特征是智能材料關(guān)鍵，也是智能材料與普通功效材料主要區(qū)分。要求能分析、判斷其參數(shù)性質(zhì)與改變，含有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)等功效。因?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)高度發(fā)展，智能材料與結(jié)構(gòu)智能特征已經(jīng)或正在逐步實(shí)現(xiàn)，問(wèn)題關(guān)鍵是怎樣將材料敏感各種信息經(jīng)過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)。

兩種方法：一個(gè)是在大型智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，將智能材料敏感到各種參數(shù)傳感到結(jié)構(gòu)體系普通計(jì)算機(jī)內(nèi)；另一個(gè)是在智能材料中埋入超小型電腦芯片。智能材料與形狀記憶材料綜述第14頁(yè)（4）自適應(yīng)特征是由智能材料中各種微型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)是由超小型芯片控制并可作出各種動(dòng)作，使智能材料自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境中應(yīng)力、振動(dòng)、溫度等改變或自行修復(fù)各種構(gòu)件損傷。當(dāng)前慣用微型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有形狀記憶合金，磁致伸縮材料，電流變體等，尤其是電流變體材料在自適應(yīng)材料中應(yīng)用尤其引人注目。

智能材料與形狀記憶材料綜述第15頁(yè)電流變體通常情況下，我們看到液體變成固體或固體變成液體，只與溫度和壓力相關(guān)。然而，你能想像出電流也有這么作用嗎？1947年，一個(gè)叫溫斯洛美國(guó)人發(fā)覺(jué)了一個(gè)奇怪現(xiàn)象。他把石膏、石灰和炭粉加在橄欖油中，然后加水?dāng)嚦梢粋€(gè)懸浮液，想看看這種懸浮液能不能導(dǎo)電。在試驗(yàn)中，他意外地發(fā)覺(jué)，這種懸浮液沒(méi)有加上電場(chǎng)時(shí)，能夠像水或油一樣自由地流動(dòng)；可是一加上電場(chǎng)，就能馬上由自由流動(dòng)液體變成固體，而且伴隨電場(chǎng)強(qiáng)度增加，固體強(qiáng)度也在增加。當(dāng)撤消電場(chǎng)時(shí)，它又能馬上由固體變回液體。因?yàn)檫@種懸浮液能夠用電場(chǎng)來(lái)控制，所以科學(xué)家們就把它叫做“電流變體”，并把這種現(xiàn)象稱(chēng)為“溫斯洛現(xiàn)象”。溫斯洛還為此申請(qǐng)了專(zhuān)利。智能材料與形狀記憶材料綜述第16頁(yè)電流變體（續(xù)1）那么，電流變體終究有什么用處呢？人們最先想到是用它來(lái)制造汽車(chē)離合器和剎車(chē)裝置。汽車(chē)司機(jī)都知道，改變行車(chē)速度要換擋，而換擋最少也需要幾秒鐘時(shí)間。碰到緊急情況剎車(chē)時(shí)，司機(jī)猛踩剎車(chē)讓剎車(chē)片緊緊“抱住”旋轉(zhuǎn)輪子，也要用1秒鐘左右時(shí)間?？稍谶@1秒鐘之內(nèi)，就有可能造成車(chē)毀人亡慘劇。假如用電流變體做成離合器或剎車(chē)裝置，那么只需千分之幾秒時(shí)間，就能夠到達(dá)換擋或剎車(chē)目標(biāo)。因?yàn)椴患与妶?chǎng)時(shí)，電流變體為液體，黏度很小，等于汽車(chē)掛不上擋；加上電場(chǎng)后，電流變體黏度隨電場(chǎng)強(qiáng)度增加而增大。當(dāng)電流變體變成固體時(shí)，主動(dòng)軸就和滑動(dòng)輪結(jié)合成一個(gè)整體，就相當(dāng)于換上了擋，而這個(gè)過(guò)程只需要千分之幾秒時(shí)間。用電流變體剎車(chē)秘密就在于此。智能材料與形狀記憶材料綜述第17頁(yè)近幾年，科學(xué)界正在研究有“感覺(jué)”和有“知覺(jué)”仿生智能材料，它能隨外界環(huán)境改變而自動(dòng)調(diào)整其功效，而電流變體恰好在此能夠發(fā)揮作用。因?yàn)殡娏髯凅w能隨電壓不一樣而改變本身強(qiáng)度，所以能充當(dāng)智能材料“肌肉”。因?yàn)橐皇箘牛由想妷海┘∪饩蜁?huì)變硬，肌肉一放松（撤掉電壓）身子就變軟了。在美國(guó)，有科學(xué)家還用電流變體，研制出一個(gè)能自動(dòng)加固直升機(jī)水平旋翼葉片。在飛行中，當(dāng)葉片突然碰到疾風(fēng)而猛烈振動(dòng)有可能斷裂時(shí)，葉片中事先加入電流變體就會(huì)使直升機(jī)葉片變成固體，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加固目標(biāo)?？傊?，電流變體應(yīng)用非常廣泛，它有可能開(kāi)辟出一個(gè)新材料世界。電流變體（續(xù)2）智能材料與形狀記憶材料綜述第18頁(yè)（5）相容性埋置材料性質(zhì)與原構(gòu)件材料基質(zhì)性質(zhì)越相近越好。（?。?qiáng)度相容：埋置材料不能影響原材料強(qiáng)度或者說(shuō)影響很小。（ⅱ）界面相容：埋入材料表面和原材料有相容性。（ⅲ）尺寸相容：埋入材料或器件和原材料構(gòu)件相比，體積應(yīng)很小，不影響原構(gòu)件特征。（ⅳ）場(chǎng)分布相容：埋入材料與器件不影響原材料構(gòu)件各種場(chǎng)分布特征，如應(yīng)力場(chǎng)、振動(dòng)模態(tài)等。

智能材料與形狀記憶材料綜述第19頁(yè)7.1.2智能材料研究?jī)?nèi)容

智能材料是一門(mén)綜合性邊緣科學(xué)，它包含材料科學(xué)、物理、化學(xué)、計(jì)算機(jī)仿生學(xué)、機(jī)電工程等多學(xué)科領(lǐng)域，包括內(nèi)容很多，主要有下面幾方面內(nèi)容：

（1）

基礎(chǔ)智能材料研究

（2）

自診療智能材料研究

（3）自適應(yīng)智能材料研究

下面就分別展開(kāi)敘述。智能材料與形狀記憶材料綜述第20頁(yè)（1）基礎(chǔ)智能材料研究

基礎(chǔ)智能材料是智能器件基礎(chǔ)，許多材料本身就含有一些“智能”特征。比如：材料性能（顏色、形狀、尺寸、機(jī)械特征等）隨環(huán)境或使用條件改變而改變，含有學(xué)習(xí)、診療和預(yù)見(jiàn)能力，以及對(duì)信號(hào)識(shí)別和區(qū)分能力。材料結(jié)構(gòu)或成份可隨工作條件改變，從而含有一個(gè)對(duì)環(huán)境自適應(yīng)、自調(diào)整功效。一些材料電、光以及其它物理或化學(xué)性能隨外部條件不一樣而改變，因而除了含有識(shí)別和區(qū)分信號(hào)、診療、學(xué)習(xí)和刺激能力外，還可發(fā)展成含有動(dòng)態(tài)自動(dòng)平衡及自維修功效。智能材料與形狀記憶材料綜述第21頁(yè)當(dāng)前可用于智能器件智能材料主要有：形狀記憶智能材料壓電智能材料磁致伸縮智能材料自組裝智能材料光纖智能材料電／磁流變液智能材料智能材料與形狀記憶材料綜述第22頁(yè)（?。┬螤钣洃浕A(chǔ)智能材料是一類(lèi)含有形狀記憶功效材料。因?yàn)樾螤钣洃浐辖鸩牧霞愿兄?、自診療和自適應(yīng)功效于一體，故含有傳感器、處理器和驅(qū)動(dòng)器功效，是一類(lèi)含有特殊功效智能材料。人們不但能夠利用形狀記憶合金來(lái)制備各種智能器件，而且還能夠用形狀記憶合金來(lái)進(jìn)行智能材料設(shè)計(jì)，并對(duì)智能材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)控制。這就深入拓寬了形狀記憶合金智能材料應(yīng)用領(lǐng)域。

智能材料與形狀記憶材料綜述第23頁(yè)記憶型鎳鈦牙弓絲智能材料與形狀記憶材料綜述第24頁(yè)（ⅱ）壓電基礎(chǔ)智能材料

壓電智能材料是一類(lèi)含有壓電效應(yīng)材料?？蓪?shí)現(xiàn)傳感元件與動(dòng)作元件統(tǒng)一，從而能夠有效地用于材料損傷自診療自適應(yīng)，減振與噪聲控制等方面。慣用壓電材料主要是壓電陶瓷，而最近發(fā)展壓電復(fù)合材料是將壓電陶瓷、聚合物按一定百分比、連通方式和空間幾何分布復(fù)合而成，含有比慣用壓電陶瓷更優(yōu)異性能。

智能材料與形狀記憶材料綜述第25頁(yè)壓電陶瓷主動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，在控制坦克炮塔振動(dòng)方面應(yīng)用，減輕了顫振。智能材料與形狀記憶材料綜述第26頁(yè)（ⅳ）磁致伸縮基礎(chǔ)智能材料

磁致伸縮效應(yīng)是指磁性物質(zhì)在磁化過(guò)程中因外磁場(chǎng)條件改變而發(fā)生幾何尺寸可逆改變效應(yīng)。也就是說(shuō)，它是一類(lèi)含有電磁能／機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換功效材料。磁致伸縮材料通常分為金屬磁致伸縮材料和稀土-鐵(RFe2)超磁致伸縮材料兩大類(lèi)。因?yàn)橄⊥?鐵(RFe2)超磁致伸縮材料含有磁致伸縮值大、機(jī)械響應(yīng)快、功率密度大、耦合系數(shù)高優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前這類(lèi)材料已廣泛用于聲納系統(tǒng)，大功率超聲器件、精密定位控制、機(jī)械制動(dòng)器，各種閥門(mén)和驅(qū)動(dòng)器件等方面。

智能材料與形狀記憶材料綜述第27頁(yè)（ⅴ）自組裝基礎(chǔ)智能材料自組裝智能材料是在特定基片上，經(jīng)過(guò)化學(xué)鍵、氫鍵或靜電引力將聚合物分子或聚合物與無(wú)機(jī)納米粒子復(fù)合物逐層組裝上去，以形成單層、雙層或多層自組裝薄膜材料。近幾年來(lái)，靜電自組裝薄膜材料發(fā)展很快。這種材料含有薄膜厚度可準(zhǔn)確控制到分子水平，薄膜與基體以及薄膜與薄膜之間結(jié)協(xié)力強(qiáng)、薄膜厚度與成份均勻等特點(diǎn)，在非線(xiàn)性光學(xué)材料、光學(xué)器件等方面有著主要潛在應(yīng)用。

智能材料與形狀記憶材料綜述第28頁(yè)（ⅵ）光纖基礎(chǔ)智能材料

光導(dǎo)纖維是一個(gè)圓柱介質(zhì)光波導(dǎo)，它能夠約束并引導(dǎo)光波在其內(nèi)部或表面附近沿軸線(xiàn)方向向前傳輸。因?yàn)楣饫w含有感測(cè)和傳輸雙重功效，而且有直徑小、柔韌易彎曲、質(zhì)量輕、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，所以，光纖已成為一個(gè)非常主要智能材料，光纖傳感技術(shù)則已成為智能材料主要技術(shù)基礎(chǔ)之一。光纖傳感技術(shù)在智能材料與結(jié)構(gòu)中主要用于檢測(cè)材料受力、損傷情況，結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及振動(dòng)主動(dòng)控制等。用光纖組成各種傳感器可測(cè)量溫度、壓力、位移、應(yīng)力、應(yīng)變等各種物理量，并含有極高靈敏度。

智能材料與形狀記憶材料綜述第29頁(yè)單纖雙向光纖收發(fā)器

用途

■城域光纖寬帶網(wǎng)，適合用于電信、網(wǎng)通、廣電等數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行商

■

多媒體傳輸：圖像、話(huà)音、數(shù)據(jù)綜合傳輸、適合用于遠(yuǎn)程教學(xué)、會(huì)議電視、可視電話(huà)等應(yīng)用

■

實(shí)時(shí)監(jiān)控：實(shí)時(shí)控制信號(hào)、圖像及數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸

■

抗惡劣環(huán)境：適合用于強(qiáng)電磁干擾、遠(yuǎn)距離惡劣環(huán)境下組網(wǎng)

智能材料與形狀記憶材料綜述第30頁(yè)（2）自診療智能材料研究自診療智能材料是智能材料中最簡(jiǎn)單最基礎(chǔ)一個(gè)形式。它往往只具備智能特征四個(gè)主要特征中二種或三種，這一類(lèi)智能材料能接收和響應(yīng)外部環(huán)境參數(shù)改變，能夠自診療內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)，如缺點(diǎn)或損傷等，并能依據(jù)預(yù)先約定給予報(bào)警或傳輸相關(guān)信息，但不具備驅(qū)動(dòng)和自適應(yīng)功效。比如對(duì)于結(jié)構(gòu)材料，人們期望材料內(nèi)部劣化和損傷以及表面微細(xì)裂紋形成時(shí)，能自行監(jiān)測(cè)，在形成重大事故或內(nèi)部變異之前能夠有效地預(yù)知或報(bào)警。智能材料與形狀記憶材料綜述第31頁(yè)（3）自適應(yīng)智能材料研究自適應(yīng)智能材料是一個(gè)完備智能體系，它具備智能材料四個(gè)基礎(chǔ)屬性。它不但能接收和響應(yīng)外部信息，而且能自動(dòng)改變本身狀態(tài)，以適應(yīng)外部環(huán)境改變。自適應(yīng)包含含義如：

自我回復(fù)性(形狀和物理、化學(xué)性能能夠自動(dòng)復(fù)原)；

自動(dòng)調(diào)整性(能夠隨外部環(huán)境需要而改變本身狀態(tài))；

自我修復(fù)性(能依據(jù)本身?yè)p傷狀態(tài)自我修復(fù))等。

智能材料與形狀記憶材料綜述第32頁(yè)（?。┳曰貜?fù)

形狀記憶智能材料就是一個(gè)含有形狀自回復(fù)功效智能材料。不論將該材料拉伸或彎曲成何種復(fù)雜形狀，只要一加熱，又回復(fù)到原來(lái)初始形狀。其原理是利用了馬氏體相變，受力后材料內(nèi)晶格發(fā)生扭曲變形而顯示出塑性形變，受熱取得能量后晶格自動(dòng)回復(fù)原狀。這種形狀記憶材料，已經(jīng)應(yīng)用于大型鋼管使其結(jié)合精密和牢靠。智能材料與形狀記憶材料綜述第33頁(yè)自潔凈功效溫度和氣體傳感器：日本人研制一個(gè)能夠在所測(cè)試環(huán)境氣體受污染后隨時(shí)自動(dòng)恢復(fù)其新鮮潔凈表層和界面。其原理是利用CuO／ZnO兩種陶瓷片緊密接觸制成氣體傳感器，碳?xì)浠衔镌谝粋?cè)被吸附和分解，在另一側(cè)被還原而離開(kāi)元件材料表層，使材料表面總能接觸到最新進(jìn)入被檢氣體，縮短了傳感器響應(yīng)時(shí)間，處理了以往氣體傳感器中毒劣化問(wèn)題，提升了檢測(cè)準(zhǔn)確性，增加了使用壽命。

智能材料與形狀記憶材料綜述第34頁(yè)（ⅱ）自調(diào)整

普通材料電阻是恒定。電流與電壓關(guān)系服從歐姆定律。不過(guò)，有些陶瓷材料電阻伴隨電壓而改變，比如ZnO等，稱(chēng)為可變電阻。它含有依據(jù)外部電壓大小而改變本身電阻能力，故被列入智能材料范圍。它能用作智能性電路開(kāi)關(guān)；用這種可變電阻制作成加熱元件時(shí)，能夠自動(dòng)控制自己加熱溫度。這種本身含有控溫能力材料已成為高級(jí)轎車(chē)空調(diào)關(guān)鍵元件。

智能材料與形狀記憶材料綜述第35頁(yè)

光致變色玻璃（光色玻璃）也是一個(gè)能自行調(diào)整透光性能智能材料。利用Ag0－Ag+化學(xué)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，能夠自動(dòng)屏蔽強(qiáng)光線(xiàn)。最近所謂智能窗，就是利用光能-電能之間轉(zhuǎn)換，形成能屏蔽光線(xiàn)大型透明窗口或者能夠顯示亮度和色彩顯示器幕。智能材料與形狀記憶材料綜述第36頁(yè)

（一）彩色裝飾玻璃：國(guó)內(nèi)首創(chuàng)新產(chǎn)品，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，主要用于各種樓、堂、館、所及廣告裝飾，含有色澤鮮艷，光彩照人，反射性能強(qiáng)，能拼湊成各種圖案，永不褪色等特點(diǎn)。當(dāng)前，該產(chǎn)品全部出口東南亞地域，深受外商青睞。（二）工業(yè)用濾色玻璃、光學(xué)儀器玻璃：主要用于各種儀器儀表盤(pán)濾色防護(hù)，有幾十種顏色規(guī)格。

智能材料與形狀記憶材料綜述第37頁(yè)自調(diào)整智能材料另一有趣實(shí)例，就是能夠使藥品定位投放。日本科學(xué)家已經(jīng)研制一個(gè)微細(xì)膠囊物質(zhì)材料，能夠?qū)⑺幤钒髱У缴眢w病變部位。在病變部位膠囊物質(zhì)表皮自行破裂而釋放出藥品，醫(yī)治病變細(xì)胞。這種定向投藥原理，用于農(nóng)藥和化肥在酸堿土壤中定位投放，能提升效率，降低成本，降低污染，是農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展方向。智能材料與形狀記憶材料綜述第38頁(yè)（ⅲ

）自適應(yīng)性和自修復(fù)性研究得比較多是使材料表層形狀和厚度能依據(jù)需要隨時(shí)自動(dòng)形成。人體皮膚自適應(yīng)性。如：鈦鋁合金是用于高溫發(fā)動(dòng)機(jī)主要高溫材料，高溫使用時(shí)，氧化皮層輕易裂開(kāi)和脫落，人們經(jīng)過(guò)加入一些物質(zhì)到材料中，在表皮發(fā)生裂紋時(shí)，能及時(shí)擴(kuò)散進(jìn)表皮裂紋傷口內(nèi)，充填裂紋，并逐步隆起形成致密抗氧化層而保護(hù)材料肌體部件。智能材料與形狀記憶材料綜述第39頁(yè)又如：在高溫真空器件不銹鋼中，加入B和N元素，在進(jìn)入使用狀態(tài)后，B和N會(huì)向表層擴(kuò)散并相互結(jié)合形成一層致密BN高溫陶瓷保護(hù)層，保護(hù)層是材料中“自生”出來(lái)，在成份和結(jié)構(gòu)上與基底之間逐步過(guò)渡，所以結(jié)合非常牢靠。這一舉處理了以往陶瓷涂層輕易剝落問(wèn)題。

智能材料與形狀記憶材料綜述第40頁(yè)7.2形狀記憶材料形狀記憶效應(yīng)

形狀記憶合金

形狀記憶陶瓷

形狀記憶聚合物

智能材料與形狀記憶材料綜述第41頁(yè)7.2.1形狀記憶效應(yīng)

含有一定形狀（初始形狀）固體材料，在某一低溫狀態(tài)下經(jīng)過(guò)塑性變形后（另一形狀），經(jīng)過(guò)加熱到這種材料固有某一臨界溫度以上時(shí)，材料又恢復(fù)到初始形狀，這種效應(yīng)稱(chēng)為形狀記憶效應(yīng)。

智能材料與形狀記憶材料綜述第42頁(yè)圖7-2-1形狀記憶效應(yīng)示意圖對(duì)于普通金屬材料，受到外力作用時(shí)，當(dāng)應(yīng)力超出屈服強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力去除后，塑性變形永久保留下來(lái)，不能恢復(fù)原狀。形狀記憶效應(yīng)，如左圖，材料加載過(guò)程中，應(yīng)變隨應(yīng)力增加，OA段為彈性變形線(xiàn)性段，AB為非線(xiàn)性段，由B點(diǎn)卸載時(shí)，殘余應(yīng)變?yōu)镺C，將此材料在一定溫度加熱，則殘余應(yīng)變降為零，材料全部恢復(fù)原狀。智能材料與形狀記憶材料綜述第43頁(yè)形狀記憶材料(shapememorymaterials，簡(jiǎn)稱(chēng)SMM)：

是指含有一定初始形狀材料經(jīng)形變并固定成另一個(gè)形狀后，經(jīng)過(guò)熱、光、電等物理刺激或化學(xué)刺激處理又可恢復(fù)成初始形狀材料。智能材料與形狀記憶材料綜述第44頁(yè)形狀記憶效應(yīng)發(fā)覺(jué)和發(fā)展：

1951年，應(yīng)用光學(xué)顯微鏡觀(guān)察到：Au47.5at％Cd合金中，低溫馬氏體相和高溫母相之間界面，隨溫度下降向母相推移（母相->馬氏體），隨溫度上升又向馬氏體推移（逆相變：馬氏體->母相），這是最早觀(guān)察到形狀記憶效應(yīng)極端例子。但沒(méi)有命名，也沒(méi)有引發(fā)功效應(yīng)用重視。

1964年布赫列等人發(fā)覺(jué)Ni－Ti合金含有優(yōu)良形狀記憶性能，并研制出實(shí)用形狀記憶合金Nitinol。命名并發(fā)展。

20世紀(jì)70年代以來(lái)已開(kāi)發(fā)出Ni－Ti基形狀記憶合金、Cu－Al－Ni基和Cu－Zn－Al基形狀記憶合金；80年代開(kāi)發(fā)了Fe－Ni－Co－Ti基和Fe－Mn－Si基形狀記憶合金。迄今為止，已經(jīng)有10多個(gè)系列50多個(gè)品種。這些形狀記憶合金廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)、能源、電子、家電、機(jī)械、醫(yī)療和建筑等行業(yè)。除合金外，也發(fā)覺(jué)在一些非金屬材料如高聚物和陶瓷中也有形狀記憶現(xiàn)象。智能材料與形狀記憶材料綜述第45頁(yè)形狀記憶合金(shapememoryalloys簡(jiǎn)稱(chēng)SMA)：

是經(jīng)過(guò)熱彈性與馬氏體相變及其逆變而含有形狀記憶效應(yīng)由兩種以上金屬元素所組成材料。形狀記憶合金是當(dāng)前形狀記憶材料中記憶性能最好材料。已發(fā)覺(jué)10系列50各種。按照合金組成和相變特征，含有較完全形狀記憶效應(yīng)合金可分為3大系列：鈦-鎳系銅基系鐵基系7.2.2形狀記憶合金智能材料與形狀記憶材料綜述第46頁(yè)形狀記憶合金應(yīng)用

SMA可做成單向形狀恢復(fù)元件和雙向形狀恢復(fù)動(dòng)作元件和擬彈性元件，在很多領(lǐng)域含有廣泛應(yīng)用前景。（1）連接緊固件

如管接頭、緊固圈、連接套管和緊固鉚釘?shù)?/p>

SMA連接件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、所占空間小，而且安全性高、拆卸方便、性能穩(wěn)定可靠。其中管接頭是SMA最成功應(yīng)用之一，如圖7-2-2：智能材料與形狀記憶材料綜述第47頁(yè)圖7-2-2形狀記憶合金管接頭使用示意圖Ti－Nialloya待接管

b記憶處理管接頭

c擴(kuò)徑后

d套管

e加熱完成接管

待接管外徑為Φ，內(nèi)徑為Φ(1-4％)TiNi合金經(jīng)過(guò)單向記憶處理后，在低溫下(<Mf)

擴(kuò)孔為Φ(1+4％)，擴(kuò)孔潤(rùn)滑劑聚乙烯薄膜。保持低溫，插入被接管，去掉保溫材料，室溫時(shí)，內(nèi)徑恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)管路緊固連接。

智能材料與形狀記憶材料綜述第48頁(yè)圖7-2-3Ni-Ti-Nb寬滯記憶合金管接頭與傳統(tǒng)連接比較

最初管接頭所采取合金為Ni-Ti和Ni-Ti-Fe合金，安裝前必須保留在液氮中，實(shí)際應(yīng)用很不方便。以后開(kāi)發(fā)了Ni-Ti-Nb寬滯后形狀記憶合金，經(jīng)適當(dāng)變形處理相變滯后，制成管接頭能夠在常溫下儲(chǔ)存和運(yùn)輸，十分方便。智能材料與形狀記憶材料綜述第49頁(yè)圖7-2-4記憶合金同軸電纜緊固圈

美國(guó)Rachem企業(yè)研制生產(chǎn)了Ni-Ti-Nb寬滯后記憶合金同軸電纜緊固圈。由絲材焊接而成，表面涂有一層可隨溫度改變顏色化學(xué)涂料，安裝前可在常溫下保留，安裝時(shí)用小型加熱器加熱到涂料改變顏色即可。這種緊固圈在美國(guó)通信工程和信號(hào)裝置中已廣泛應(yīng)用。與其它機(jī)械緊固法相比：體積小、重量輕、安裝方便、連接無(wú)漏絲、安全可靠。智能材料與形狀記憶材料綜述第50頁(yè)圖7-2-5形狀記憶合金緊固鉚釘

工程中慣用鉚釘和螺栓進(jìn)行緊固，但有時(shí)候操作困難，比如在密閉真空中極難進(jìn)行操作，能夠用SMA緊固鉚釘方便實(shí)現(xiàn)緊固。尾部處理成記憶開(kāi)口狀，緊固前，把鉚釘在干冰中冷卻后把尾部拉直，插入被緊固件孔中，溫度上升產(chǎn)生形狀恢復(fù)，鉚釘尾部叉開(kāi)實(shí)現(xiàn)緊固。

智能材料與形狀記憶材料綜述第51頁(yè)（2）飛行器用天線(xiàn)

圖7-2-6人造衛(wèi)星天線(xiàn)示意圖

由Ti-Ni合金板制成天線(xiàn)能卷入衛(wèi)星體內(nèi)，當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入軌道后，利用太陽(yáng)能或其它熱源加熱就能在太空中展開(kāi)。智能材料與形狀記憶材料綜述第52頁(yè)圖7-2-7形狀記憶合金月面天線(xiàn)自動(dòng)展開(kāi)示意圖

美國(guó)字航局(NASA)

利用Ti-Ni合金加工制成半球狀月面天線(xiàn)，先加以形狀記憶熱處理，壓成一團(tuán)，阿波羅運(yùn)載火箭送上月球表面，小團(tuán)天線(xiàn)受太陽(yáng)照射加熱恢復(fù)原狀，即組成正常運(yùn)行半球狀天線(xiàn)，用于通訊。智能材料與形狀記憶材料綜述第53頁(yè)（3）驅(qū)動(dòng)元件

利用記憶合金在加熱時(shí)形狀恢復(fù)同時(shí)其恢復(fù)力可對(duì)外作功特征，制成各種驅(qū)動(dòng)元件。這種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，可靠性好。

智能材料與形狀記憶材料綜述第54頁(yè)圖7-2-8記憶合金空間有用載荷釋放機(jī)構(gòu)

安裝前，記憶合金驅(qū)動(dòng)器被軸向壓縮；釋放時(shí)，加熱記憶合金驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器恢復(fù)原長(zhǎng)而產(chǎn)生足夠軸向拉力拉斷缺口螺栓，使有用載荷釋放。1994年2月3日，美國(guó)在Clementine航天器上，用該機(jī)構(gòu)在15s內(nèi)成功釋放了4只太陽(yáng)能板。

智能材料與形狀記憶材料綜述第55頁(yè)圖7-2-9形狀記憶溫控閥

記憶合金絲能夠制成圓柱形螺旋彈簧作為熱敏驅(qū)動(dòng)元件。其特點(diǎn)是利用形狀記憶特征，在一定溫度范圍內(nèi)，產(chǎn)生顯著位移或力改變。

SMA溫控閥原理：當(dāng)溫度升到一定溫度時(shí)，形狀記憶彈簧克服偏壓彈簧壓力，產(chǎn)生位移打開(kāi)閥門(mén)，當(dāng)溫度降低時(shí)，偏壓彈簧壓縮形狀記憶彈簧，使閥門(mén)關(guān)閉。當(dāng)前，我國(guó)已在熱水器等設(shè)備上裝有Cu-Zn-Al記憶元件。

智能材料與形狀記憶材料綜述第56頁(yè)機(jī)械手柔性三維運(yùn)動(dòng)智能材料與形狀記憶材料綜述第57頁(yè)（4）醫(yī)學(xué)應(yīng)用

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域記憶合金除了具備所需要形狀記憶或超彈性外，還必須滿(mǎn)足化學(xué)和生物學(xué)等方面可靠性，只有那種與生物體接觸后會(huì)形成穩(wěn)定性很強(qiáng)鈍化膜合金才能夠進(jìn)入生物體內(nèi)。

在現(xiàn)有SMA中，僅有TiNi合金滿(mǎn)足條件，是當(dāng)前醫(yī)學(xué)上使用惟一記憶合金。我國(guó)率先于20世紀(jì)80年代初，成功將TiNi合金應(yīng)用于臨床，最早在口腔和骨科得到應(yīng)用，其后推廣到醫(yī)學(xué)各領(lǐng)域。我國(guó)在臨床應(yīng)用上處于國(guó)際領(lǐng)先水平。智能材料與形狀記憶材料綜述第58頁(yè)圖7-2-10Ti-Ni合金做成薄板型牙根結(jié)構(gòu)

在牙齒矯形手術(shù)中，傳統(tǒng)使用不銹鋼和Co－Cr合金絲，后用Ti-Ni加工硬化后合金（超彈性）取代不銹鋼絲（1978年）。

1984年日本采取Ti-NiSMA成功研制出薄板結(jié)構(gòu)型牙根，下列圖。低溫下使牙根端部合并，埋入顎骨后，用高頻感應(yīng)熱或在口腔內(nèi)灌入熱生理鹽水，使Ti-NiSMA上升到42度，這時(shí)牙根端部向兩側(cè)張開(kāi)30°，其結(jié)協(xié)力比原來(lái)方法提升了40％。智能材料與形狀記憶材料綜述第59頁(yè)圖7-2-11Ti-Ni形狀記憶合金鋸齒臂環(huán)抱內(nèi)固定器(a)環(huán)抱器由體部、臂部和鋸齒部組成

(b)環(huán)抱器橫截面

c)圓柱形環(huán)抱器(上)、圓錐形環(huán)抱器(下)1994年，有些人研制出上圖內(nèi)固定器用于治療長(zhǎng)管骨折。這種環(huán)抱器含有良好抗彎和抗扭作用，對(duì)壓縮應(yīng)力反抗作用顯著低于接骨板，有利于促進(jìn)骨折愈合和減小固定后骨質(zhì)疏松，為長(zhǎng)骨干骨折提供了一個(gè)新有效治療伎倆。智能材料與形狀記憶材料綜述第60頁(yè)智能材料與形狀記憶材料綜述第61頁(yè)7.2.3形狀記憶陶瓷最先報(bào)道含有形狀記憶效應(yīng)陶瓷（澳大利亞Swain，1986年）：氧化鎂部分穩(wěn)定氧化鋯（Mg-PSZ）彎曲試驗(yàn)。智能材料與形狀記憶材料綜述第62頁(yè)

圖7-2-129.4％molMgO-PSZ形狀記憶效應(yīng)(示意圖)200MPa拉應(yīng)力載荷，100℃/h加熱至800℃保溫2h，