形状记忆合金解读.ppt

基于形状记忆合金的航空航天 形状自适应结构技术 形状记忆合金的应用背景 形状记忆合金的记忆原理 形状记忆合金的功能特点 形状记忆合金在航空航天中的应用 形状记忆合金在医学中的应用 形状记忆合金在生活中的应用 形状记忆合金的发展前景 形状记忆合金的发现过程 1932年 瑞典人欧勒特在观察某种金镉合金的性能 时首次发现形状记忆效应。 1938年 哈佛大学的研究人员在一种铜锌合金中发 现了一种随温度的升高和降低而逐渐增大或缩小的形状变化。但当时并未引起人们的重视。 1962年 美国海军实验室在开发新型舰船材料时，在Ti-Ni合金中发现把直条形的材料加工成弯曲形状，经加热后它的形状又恢复到原来的直条形。从 此形状记忆合金引起了极大的关注。 形状记忆合金应用背景 形状记忆合金记忆原理 在有些材料中，即使是同一材料组成的晶体中，也可能存在不同的晶体结构，这种现象称为同素异构。金刚石和石墨就是炭的同素异构体。 铁也有两种不同的基本晶体结构，即体心立方铁和面心立方铁。 这种由相同的原子组成的不同的晶体结构，在材料学中又称为不同的“相”。 体心立方铁和面心立方铁属不同的“相”，前者称为α ~Fe ( 铁素体)，后者称为γ~Fe(奥氏体)。 人们利用同一种成分的材料可以有不同的“相”， 就能演出一幕幕“相”变戏，即改变外界条件如温度,使材料由一种晶体结构变成另一种晶体结构，材料的力学性能和物理或化学性能也就随之改变，当温度恢复时材料的晶体结构也恢复到原来的状态，性质也随之复原。 形状记忆合金就是利用一些材料的晶体结构的相互转变来使其具有形状记忆功能的。 形状记忆合金记忆原理 从微观来看，形状记忆效应是晶体结构的固有变化规律。通常金属合金在固态时，原子按照一定规律排列起来；而形状记忆合金的原子排列规律则是随着环境条件的改变而改变。比如，当温度下降到某个临界温度以下时，原子按某一种规律进行排列，此时的结构称为马氏体相；而当温度升高到某个临界温度以上，原子的排列规律就会发生改变，原子又按另一种规律进行排列，此时又称之为奥氏体相或母相。形状恢复的推动力是由在加热温度下母相和马氏体相的自由能之差产生的。 从宏观来看，材料在高温下被处理成一定形状，再急冷下来，在低温相状态下经塑性变形为另一种形状，然后加热到高温相成为稳定状态的温度时，通过马氏体逆相变恢复到低温塑性变形前的形状。具有这种效应的金属，通常是由两种以上的金属元素构成的合金，故称为形状记忆合金(Shape Memory Alloy ，简称SMA)。 形状记忆合金记忆原理 Af 形状记忆效应可分为三类 单程记忆效应：在马氏体状态下受力变形，加热时恢复高温相形状，冷却时不恢复低温相形状。 双程记忆效应：加热时恢复高温形状，冷却时恢复低温形状，即通过温度升降自发地可逆地反复恢复高低温的形状。 全程记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的高温相形状。这是一种特殊的双程记忆效应。 形状记忆合金记忆原理 左图是一个双程CuZnAl记忆合金弹簧，它是SMA用作驱动器的典型形式。该弹簧是随温度变化自行伸缩的感温驱动元件。采用CuZnAl记忆合金丝，表面镀锡，以热水或热风为热源，典型伸缩温度为65℃~85℃，自由状态为45mm，伸长状态为200mm。 可见其形变量较大，可以产生足够的驱动力。 利用记忆合金在加热时形状恢复的同时其回复力可对外作功的特性，能够制成各种驱动元件。这种驱动机构结构简单，灵敏度高，可靠性好。 形状记忆合金驱动器 左图是一种SMA用于温度传感的典型形式，这种控制器是把SMA丝作为电桥的一个电阻，当SMA丝感温后电阻率发生变化，从而引起电桥失去平衡，电流信号通过放大器被放大，从而激活继电器产生动作。 形状记忆合金传感器 (3)在一定条件下利用电阻特性将NiTi超弹丝用作智能材料与结构系统的传感元件来检测结构内部应力、应变时，应使其初始状态处于应力诱发马氏体相变完成后的马氏体弹性变形阶段，以减小温度变化对其传感性能的影响。 形状记忆合金本质上是金属，因此它具有金属的导电性，即表现为电阻特性。但SMA的电阻率受应力影响，其应力-电阻率特性曲线在弹性变形范围内呈线性，因而可以利用其电阻特性来监测结构系统的应力应变状态。 近年来，NiTi形状记忆合金丝作为智能材料与结构领域很有希望的驱动器材料而受到瞩目．在一个应用NiTi丝作为驱动器的智能材料与结构中，如果通过监测埋人高分子材料中的NiTi丝的电阻值，了解复合材料应力或应变的变化，从而白诊断材料的损伤I通过对NiTi丝通电加热的方法使NiTi丝发生马氏体一奥氏体转变，产生回复力，减少裂纹的应力集中，降低裂纹的扩展速率，最终使裂纹回缩得到自愈合。这样，NiTi丝既起到了驱动器的作用，也起到