第4章形状记忆合金及其在智能材料中的应用.
形状记忆合金的机理及其应用
形状记忆合金的机理及其应用【摘要】形状记忆合金是一种能够记忆其原始形状并在适当条件下恢复的智能材料。
本文首先介绍了形状记忆合金的基本原理，包括其特殊的晶体结构和相变特性。
接着探讨了形状记忆合金在医疗器械和航空航天领域的广泛应用，如支架和航天器构件。
也介绍了形状记忆合金在智能材料中的应用，如自修复材料和智能纺织品。
文章总结了形状记忆合金的前景及发展趋势，指出其在未来有望在更多领域发挥重要作用，并可能带来更多创新和应用。
形状记忆合金的机理及其应用具有广阔的发展前景，将为科技领域带来更多新的可能性和机遇。
【关键词】形状记忆合金，机理，应用领域，医疗器械，航空航天，智能材料，前景，发展趋势1. 引言1.1 形状记忆合金的机理及其应用形状记忆合金是一种具有特殊性能的金属材料，其最显著的特点就是可以记忆其固有的形状并在外界条件发生变化时恢复到原来的形状。
这种特殊性能的机理主要是由于形状记忆合金内部的晶体结构和相变特性所决定的。
当形状记忆合金处于低温状态时，其晶体结构呈现出一种特定的形状；而当受热或外力作用时，形状记忆合金会发生相变，晶体结构重新排列，从而使材料发生形状变化。
形状记忆合金的应用领域非常广泛，包括医疗器械、航空航天、智能材料等。
在医疗器械领域，形状记忆合金可以被用于制作支架、植入物等医疗器械，因其具有良好的生物相容性和机械性能，可以有效帮助医生进行手术或治疗。
在航空航天领域，形状记忆合金可以被用于制作航空器件、航天器件等，因其轻便、耐高温等特点，可以大大提高航空航天设备的性能。
在智能材料领域，形状记忆合金可以被用于制作智能材料，可以根据外界条件变化自动改变形状，具有广阔的应用前景。
形状记忆合金的发展趋势是不断完善其性能，拓展其应用领域，推动其在工业生产和科研领域的广泛应用。
形状记忆合金将会在未来发挥越来越重要的作用，为人类社会的发展做出更大的贡献。
2. 正文2.1 形状记忆合金的基本原理形状记忆合金是一种具有特殊结构和性能的智能材料，其基本原理是在外界作用下能够发生可逆形变，并且恢复到其原始形状。
智能材料响应外界刺激并改变性能的材料
智能材料响应外界刺激并改变性能的材料智能材料是一类具有自诊断、自感知和自适应等特点的材料，通过对外界刺激的感应和响应，能够改变自身的性能。
智能材料在航空航天、医疗器械、机器人、汽车等领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍几种智能材料的响应机制和其在实际应用中的潜力。
一、形状记忆合金形状记忆合金是一种具有记忆性能的智能材料。
在受到热力作用或其他外界刺激时，形状记忆合金能够发生相变，从而改变自身的形状。
这种材料可以实现自动控制和调节，如自动关闭和开启的阀门、自动调节流量的传感器等。
其在航空航天、机器人领域的应用已经取得了显著的成果。
二、光敏材料光敏材料是一种能够对光信号作出响应的智能材料。
通过对光的吸收、散射或透射等过程，光敏材料能够改变自身的结构和性能。
例如，光敏材料可以用于可变光学元件，实现自动调节的光透射和反射，广泛应用于自适应光学和光通信领域。
此外，光敏材料还可以在太阳能电池、光催化和光敏感器等领域中发挥重要作用。
三、压电材料压电材料是一种能够产生电荷极化和变形的智能材料。
当外界施加力或压力时，压电材料能够产生电荷偏移和电压输出。
这种特性使得压电材料在传感器、振动减震、电声换能等方面有着广泛的应用。
此外，压电材料还可以用于电子设备的能量收集和电力转换，具有重要的能源利用潜力。
四、热敏材料热敏材料是一种能够对温度变化作出响应的智能材料。
当温度发生变化时，热敏材料能够改变自身的电导率、电容率和形状等性能。
热敏材料广泛应用于温度传感、温度控制和热力调节等领域。
例如，热敏材料可以用于温度传感器，实现自动调节的恒温系统，在医疗器械和电子设备等方面发挥重要作用。
五、湿敏材料湿敏材料是一种能够感知和响应湿度变化的智能材料。
当湿度发生变化时，湿敏材料能够改变自身的形状、体积和色彩等性能。
这种材料可以应用于湿度传感器、湿度调节和湿度控制等方面。
湿敏材料的应用领域包括农业、环境监测和生命科学等。
综上所述，智能材料是一类通过感应和响应外界刺激来改变自身性能的材料。
形状记忆合金的机理及其应用
形状记忆合金的机理及其应用形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA）是指在外力驱动下可以产生形状记忆效应的金属合金，其最重要的特性是在一定范围内可以自恢复原始形状，同时具备优异的力学性能、良好的耐腐蚀性能及高温稳定性等优点。
SMA最早是在1962年由William Buehler 提出的，自此以后，SMA就被广泛研究并应用于不同领域。
SMA的特性是由其所具备的晶体结构和相变特性所决定的，SMA常见的结构类型有Cu-Zn-Al、Ni-Ti、Cu-Al-Ni、Fe-Mn-Si等。
其中，最为常用的是Ni-Ti SMA，这种合金具有良好的形状记忆效应和超弹性特性，是目前最为常用的SMA之一。
当SMA处于高温相（austenite相）时，晶体结构稳定，SMA可以被加工成任意形状。
当外界作用力使SMA在相变温度下降到低温相（martensite相），晶体结构失稳，原本具有的形状记忆效应就会被激发出来。
这种相变是可逆的，可以产生与消失形状记忆效应，从而使SMA表现出自修复、自调整和自适应等功能，被广泛应用于机械、微机电、汽车、医疗等领域。
SMA在机械系统中有广泛应用，例如：在阀门、制动系统、传感器和运动控制系统中使用的SMA弹簧、阀杆、马达和块体，以及金属粉末成型制造的SMA零件，可以安装在汽车和航空航天系统上，在温度和振动变化等条件下，能保障系统的性能稳定和安全可靠。
SMA在医疗系统中的应用也非常广泛，例如利用SMA刀具控制机械手的运动，可以在手术中进行精确的切割和缝合。
同时，利用SMA在不同温度下的形状变化，可以制造热敏支架、热敏钩子和热敏衬垫等医疗器械，可以在体内完成自动放置和释放、自由展开和收缩等操作，很好地解决了手术中的一些难题。
SMA还广泛应用于微纳机电系统（MEMS）中，例如利用SMA薄片可控制悬臂梁的挠度和弯曲，从而实现无线通信、火灾预警、生物传感和关节外科等微型器件。
此外，利用SMA 的变形能力和自恢复特性，也可以制造可变形的电缆、活塞和电子插头等调节设备，实现快速、准确、稳定和可靠的微调控制。
形状记忆合金的机理及其应用
形状记忆合金的机理及其应用形状记忆合金是一种智能材料，具有在受到外界刺激后恢复原本形状的特性。
它的机理及应用在材料科学领域引起了广泛的关注和研究。
本文将详细介绍形状记忆合金的机理以及其在各个领域的应用。
形状记忆合金的机理是由于其在相变时具有记忆性能。
通常形状记忆合金是一种金属合金，最常见的是钛镍合金。
当形状记忆合金处于高温相时，它可以被塑性变形，而当温度下降时它会回复原来的形状。
这种特性是由于形状记忆合金中存在马氏体相和奥氏体相两种组织结构。
由于形状记忆合金具有记忆形状的特性，它在各个领域都有着广泛的应用。
在医疗领域，形状记忆合金常用于医疗器械的制造。
例如在心脏手术中，可以使用形状记忆合金制成的支架，当支架导入到体内后可以根据体温发生形状变化，从而将支架固定在需要的位置。
形状记忆合金还可以应用于航空航天领域。
例如在航天器的发动机中，形状记忆合金可以用于制造喷嘴部件。
当喷嘴受到高温气流的冲击时，可以通过形状记忆合金的相变来保持喷嘴结构的稳定性，确保发动机的正常工作。
在建筑领域，形状记忆合金也有着广泛的应用前景。
例如可以用于地震防护结构中，当建筑物受到地震力作用时，形状记忆合金可以通过相变来调整结构的形状，减小地震对建筑物的影响。
形状记忆合金还可以用于高端制造领域。
例如在精密仪器的制造中，可以使用形状记忆合金制成的零部件，通过温度的变化来调整零部件的形状，从而实现精密的控制。
形状记忆合金是一种具有智能材料特性的材料，其机理是由于相变具有记忆形状的能力。
形状记忆合金具有着广泛的应用前景，在医疗、航空航天、建筑和高端制造等领域都有着重要的应用价值。
相信随着技术的不断进步，形状记忆合金的应用领域将会更加广泛，为人类社会的发展带来更多的便利和进步。
形状记忆合金的应用
形状记忆合金的应用形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）是一种具有记忆能力的特殊金属材料，具有很广泛的应用前景。
形状记忆合金在各个领域都有不同的应用，包括机械工程、医疗器械、航空航天等。
本文将介绍形状记忆合金的原理和几个主要应用领域，并对其应用前景进行展望。
我们来了解一下形状记忆合金的原理。
形状记忆合金是一种能够在外界刺激下发生可逆性形状变化的材料。
其形状记忆效应是由于合金中存在的固态相变引起的。
当形状记忆合金处于高温状态时，其具有良好的塑性，可以被加工成各种形状；而当温度降低到固定温度（也称为相变温度）以下时，形状记忆合金会发生固态相变，恢复到其记忆的形状。
这种特性使得形状记忆合金在许多应用领域有着独特的价值。
形状记忆合金在机械工程领域的应用非常广泛。
例如，在汽车制造过程中，形状记忆合金可以用于制造车身零部件、发动机阀门等。
当发生碰撞时，形状记忆合金可以通过自身的形状恢复能力，使车身零部件恢复到原始形状，从而减少碰撞对车辆的损害。
此外，形状记忆合金还可以用于制造机械臂、舵机等机械装置，通过控制温度来实现精确的运动控制。
医疗器械领域也是形状记忆合金的重要应用领域之一。
例如，在牙科医疗中，形状记忆合金可以用于制作牙套和矫正器等器械，通过控制温度来调整其形状，从而实现对牙齿的矫正。
此外，形状记忆合金还可以用于制造支架和血管材料等，通过温度变化来适应人体血管的形状，从而实现更好的医疗效果。
航空航天领域也是形状记忆合金的重要应用领域之一。
在航空航天器的制造中，形状记忆合金可以用于制造舵面、襟翼等部件，通过控制温度来实现对航空器的姿态控制。
此外，形状记忆合金还可以用于制造航天器的太阳能板，通过温度变化来调整太阳能板的展开和收起，实现对太阳能的更好利用。
除了上述几个领域，形状记忆合金还有许多其他的应用。
例如，它可以用于制造眼镜架、手表带等日常用品，通过温度变化来调整其形状，提高使用的舒适度。
第4章形状记忆合金及其在智能材料中的应用剖析
图4-8是NiTi记忆合金丝样品在393K温度下的应力-应变循环曲线，拉伸 应变为8％。 由图可见，随循环次数增加，加、卸载应力水平下降，残余应变值升高。
2018/2/3
NiTi 合金材料基本参数如表4-1所示，循环参数如表4-2所示。
2018/2/3
形状记忆合金的阻尼特性
阻尼是材料对振动能吸收的量度。材料对振动能的吸收可用内耗来表征。 工程上常用阻尼比(ζ)表示材料的阻尼能力，定义为
图4-4预应变为3％NiTi合金丝在升降温过程 中的回复力
2018/2/3
图4-5给出不同预应变量下NiTi合金丝的回复力与温度关系曲线。 由图可见，随着预应变增加回复力也加大。
图4-5不同预应变NiTi合金丝回复力与温度关系
2018/2/3
NiTi记忆合金储能、耗能、输出功与温度和预应变关系
NiTi记忆合金由于能够对外界作功(输出功)而作为智能材料系统的驱动 组元。
2018/2/3
这类相变具有热滞效应，如图4-1所示。图中四个相变特征温度分别为马 氏体转变开始温度Ms、终了温度Mf、母相转变(也称逆转变)开始温度As和终了 温度Af。相应的晶体结构变化在图中标出。热滞回线问的热滞大小一般为20 K～40 K。
2018/2/3
图4-1形状记忆合金在冷一热循环过程中呈现的热滞现 象
2018/2/3
马氏体相变
当母相奥氏体快速冷却时，奥氏体转变成片状或针状新相，新相为体心
四方结构，与母相的结构不同，但新相与母相的成分却相同。为了纪念德国 冶金专家马丁(A. Martens)在金相研究方面的贡献，人们把钢经高温淬火后 形成的相叫做马氏体相。从奥氏体到马氏体的转变叫做马氏体相变，马氏体 相变是无扩散型相变。 形状记忆效应是由于合金中发生了热弹性或应力诱发马氏体相变。在许 多形状记忆合金系中存在两种不同结构状态，高温时称之为奥氏体相，是一 种体心立方晶体结构的CsCl(又称B2)；而低温时称之为马氏体相(M)，是一种 低对称性的单斜晶体结构。合金成分的改变可以使马氏体形成和消失的温度 在173 K～373 K范围内变化。对于Ti-Ni系来说，B2到马氏体相之间还存在一 个很重要的R相，它具有菱形晶体结构。
形状记忆合金的机理及其应用
形状记忆合金的机理及其应用
形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA）是一种具有形状记忆效应的特殊金属材料，它可以在受力后发生可逆性的形状变化。
SMA主要由镍钛合金或铜铝合金构成，这些合金能够在经历塑性变形后，通过加热或受力去除负荷来回复原始形状。
形状记忆合金的形状记忆机理主要涉及两个相互作用的阶段：亚稳相和稳定相。
在低温下，形状记忆合金处于亚稳相，其晶格结构呈现出低对称性。
当合金受力或加热时，合金中的相转变发生，形状记忆合金进入稳定相。
在稳定相中，合金的晶格结构发生变化，具有高对称性，导致原子重新排列并引发形状记忆效应。
形状记忆合金的应用非常广泛。
在机械工程领域，形状记忆合金常用于制作形状可变的机械元件，如夹具、阀门和泵等。
通过控制合金的加热和冷却过程，可以实现对机械元件形状的精确控制和调节。
在医疗领域，形状记忆合金用于制作血管支架，即支持心脏和其他血管的金属网状结构。
这种支架在体内植入时具有一定的弹性，可以适应血管的形状和大小。
当支架进入到体温下时，形状记忆合金会发生相变，并恢复到原始形状，固定在血管内，起到支撑和保持血管通畅的作用。
形状记忆合金还应用于航空航天领域。
它可以用于制作航天器和卫星中的天线、支撑结构和导向装置等。
由于航空航天器常处于极端环境下，形状记忆合金的耐腐蚀性和高温性能使其成为理想的材料选择。
形状记忆合金的机理主要是基于其相转变的特点，通过控制温度和应力来实现形状的可逆变化。
它的应用范围涵盖了机械工程、医疗和航空航天等多个领域，具有重要的科学研究和工程实践价值。
形状记忆材料
第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
马氏体相变的特征温度 （形状记忆效应的特征 温度） Ms:马氏体相变开始点 Mf:马氏体相变结束点 As :逆马氏体相变开始点 Af :逆马氏体相变结束点
Au-47.5wt%Cd和Fe-30wt%Ni 合金的马氏体相变热滞
华南理工大学 朱敏
华南理工大学 朱敏
设：环境温度为约330 K
第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
应力诱发马氏体相变发生的限度 但是，若合金的Ms远远低于环境温度，需要施 加很大的应力Ms才能升高到环境温度。由于应 力太大，材料在马氏体形成之前已发生严重的 塑性变形，甚至使材料被破坏，导致马氏体相 变不能发生。习惯上应力诱发马氏体相变能够 发生的最高温度用Md表示。
不 变 平 面 应 变
（1）点阵对应 （2）畸变 （3）转动
华南理工大学 朱敏
第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
马氏体相变的基本特征 •无扩散切变型相变 •点阵不变平面应变 •固定取向关系 •马氏体片内具有亚结构
•相变具有可逆性
华南理工大学 朱敏
第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
华南理工大学 朱敏
第四章 形状记忆与智能材料 ——形状记忆效应与马氏体相变
（五）双程形状记忆效应 (Two way shape memory effect) 大多数记忆合金经过适当的工艺处理（又称为双程记 忆训练），会呈现双程形状记忆效应双程记忆效应是 指记忆合金样品由高温冷却由母相转变为马氏体时， 样品自动发生形状变化，达到预先赋予的形状，加热 使马氏体逆转变回母相时，它又自动回复到原先母相 状态的形状。与单程记忆效应相比，双程记忆效应中 样品完全转变回母相后，它的形状不能完全回复到母 相未经变形前的形状。即有一定的残余变形。这个残 余变形是在双程记忆训练过程中引入的，双程记忆效 应的产生与之有密切的关系。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2017/10/11
形状记忆效应实验
原始形状
拉直
加热后恢复变形前形 状
2017/10/11
这类合金可恢复的应变量达到7％～8％，比一般材料要高得多。 对一般材料来说，这样的大变形量早就发生永久变形了。因为，形状记 忆合金的变形可以通过孪晶界面的移动实现，马氏体的屈服强度又比母 相奥氏体要低得多，合金在马氏体状态比较软。这点与一般的材料很不 同
现在已发现具有形状记忆效应的合金至少有：
(1)Ti-Ni，Ti-Nb，Ti-Ni-X(Fe，Cu，Au，Pt，Pd)；
(2)Au-Cd，Au-Cu-Zn； (3)Cu-Zn，Cu-Zn-Al，Cu-Zn-Sn，Cu-Zn-Ni，Cu-Zn-Si，Cu-Zn-Ga，Cu-Al，Cu-Al-Ni， Cu-Al-Mn，Cu-Al-Si； (4)Ag-Cd，Ag-Zn-Cd，Ag-Zn； (5)Ni-Al，Ni-Al-Co，Ni-Al-Ga，Ni-Al-Ti；
（2）双程记忆效应
某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双 程记忆效应。
（3）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低温相形状， 称为全程记忆效应。
这三种效应的产生与材料的成分、处理工艺等因素有关。
2017/10/11
形状记忆合金伪弹性：
冷却时，在无应力条件下马氏体在Ms开始形成。若施加应力，马氏体可以在Ms 以上温度形成，这种马氏体称为应力诱发马氏体(StressInducedMartensite ，简称SIM)。它的相变驱动力不是热能而是机械能。当 材料处于Ms～Md温度范围时发生变形，就会产生伪弹性，类似橡胶。Md是应力 诱发马氏体相变的终了温度。
伪弹性有三个应用特点： ①其可恢复应变量能达到10％以上，几乎高出通常材料弹性 应变二个数量级； ②合金显示恒弹性，在应力恒定时会产生较大的应变； ③在未发生应力诱发相变前，合金就具有2％的弹性应变，这样做成的弹 簧也比一般弹簧性能好得多。
2017/10/11
4.2 形状记忆合金的特性及本构关系模型
2017/10/11
这类相变具有热滞效应，如图4-1所示。图中四个相变特征温度分别为马 氏体转变开始温度Ms、终了温度Mf、母相转变(也称逆转变)开始温度As和终了 温度Af。相应的晶体结构变化在图中标出。热滞回线问的热滞大小一般为20 K～40 K。
2017/10/11
图4-1形状记忆合金在冷一热循环过程中呈现的热滞现 象
在不同温度下，形状记忆合金(SMAs)的应力(σ)与应变(ε) 之间存在着不同的热滞回线特征。
2017/10/11
图4-3 NiTi合金在不同温度下的应力-应变关系曲线
2017/10/11
SMAs热弹性马氏体相变的一维本构关系可表示为 （ （4-1）
为SMAs丝的应力、应变对时间的导数； 为温 度对时间的导数； 为马氏体含量(0≤ζ≤1)对时间的 导数；E为弹性模量;θ为热弹性系数；Ω为相变系数。E 和θ是温度T和马氏体含量ζ的函数。文献中将E和θ作 常数处理。 将式(4-1)对时间积分可得到形状记忆合金的应力、应 变、温度和马氏体构成的本构关系式： （4-2）
2017/10/11
4.3 NiTi形状记忆合金的驱动特性研究
预应变NiTi合金丝在加热、冷却过程的回复力一温度曲线
图4-4是预应变为3％的NiTi合金丝在升降温过程中的回复力。可见，母 相回复力随温度升高而增大，马氏体相变回复力随温度降低而减少。在 同一温度下，马氏体相变的回复力大于母相相变回复力。
第4章
形状记忆合金
4.1 形状记忆合NiTi形状记忆合金的驱动特性研究
4.1 形状记忆合金的概念 形状记忆效应（SME）：某些具有热弹性 或应力诱发马氏体相变的材料处于马氏体状 态，并进行一定限度的变形后，在随后的加 热并超过马氏体相消失温度时，材料能完全 恢复到变形前的形状和体积。
(6)Co，Co-Ni；
(7)Fe-Ni，Fe-Ni-Co-Ti，Fe-Mn，Fe-Mn-C，Fe-Mn-Si，Fe-Mn-Si-Ni(Cr)，304不锈钢 和Fe-Pt等。
目前，仅Ti-Ni、Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni合金具有实用价值，它们已被誉为一种热驱动 的功能材料，又由于兼具感知和驱动功能，亦称机敏材料，受到广泛重视
图4-2形状记忆效应的微结构变化过程 (a)母相奥氏体(b)冷却时的微孪晶马氏体(c)变形后的单一趋向马氏体
2017/10/11
(d)加热时马氏体可逆转变为奥氏体，形状恢复
形状记忆合金可以分为三种： （1）单程记忆效应
形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种 只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。
2017/10/11
马氏体相变
当母相奥氏体快速冷却时，奥氏体转变成片状或针状新相，新相为体心
四方结构，与母相的结构不同，但新相与母相的成分却相同。为了纪念德国 冶金专家马丁(A. Martens)在金相研究方面的贡献，人们把钢经高温淬火后 形成的相叫做马氏体相。从奥氏体到马氏体的转变叫做马氏体相变，马氏体 相变是无扩散型相变。 形状记忆效应是由于合金中发生了热弹性或应力诱发马氏体相变。在许 多形状记忆合金系中存在两种不同结构状态，高温时称之为奥氏体相，是一 种体心立方晶体结构的CsCl(又称B2)；而低温时称之为马氏体相(M)，是一种 低对称性的单斜晶体结构。合金成分的改变可以使马氏体形成和消失的温度 在173 K～373 K范围内变化。对于Ti-Ni系来说，B2到马氏体相之间还存在一 个很重要的R相，它具有菱形晶体结构。
2017/10/11
分三种情况
1）自由回复
对不受约束、应力为零可以自由回复的SMAs，可得自由 回复时的 关系式
为回复应变 2）受限回复 对于受限回复，应变没有变化，得受约束回复的本构关 系
2017/10/11
表示回复应力
3)控制回复 将预应变SMAs复合于其他材料中，对SMAs激励使 其收缩，则SMAs使基体材料产生弹性变形，得控制 回复的本构关系