形状记忆材料-形状记忆效应
形状记忆材料及其应用
❖ 美国宇航局根据达一想法研制了安放在月球表面上 的抛物面天线组件。
❖ 形状记忆合金管接头具有高度的可靠性，不需熔焊 的高温高热，不会损害周围材料，在低温下易拆卸， 便于检修检查。
❖ 这种管接头在F-14战斗机上使用了10万个以上，从 未出现过漏油等事故。
❖ 可以用形状记忆合金制造人工心脏用人造肌肉，用 以充当人造心脏的驱动源。
人造心脏
❖ 去掉保温材料，管接头温度上升 到室温，内径恢复到扩径前状态， 牢牢箍紧被接管。
形状记忆管接头
智能机器人
❖ 形状记忆合金可制成驱动器、 控制器等应用在智能机器人中。
❖ 形状记忆驱动器通过适当加热 和控制，可完成往返或旋转运 动，兼之具有感温功能。
❖ 形状记忆控制机构同传统伺服 控制机构相比，一个形状记忆 元件就可起到传统机构中传感、 驱动和传递三系统功能的作用。
医疗应用
❖ 治疗粉碎性髌骨骨折比较困难，我国设计了一种用 于治疗髌骨骨折的形状记忆NiTi聚髌器，现已成功 用于临床治疗之中。
❖ 聚髌器由功能爪和连接腰组成，能从多个方向产生 恢复力并作用于髌骨，持续地以纵向聚合加压，将 粉碎的髌骨聚合于解剖位置直至骨折愈合。
ห้องสมุดไป่ตู้聚髌器
❖ 当心脏出现毛病，不可能用手术治疗时，不得不依 赖于心脏移植或人工心脏。
智能控制器
下图为具有相当于肩、肘、腕、指等的5维自由度的 微型机器人试制品，形状记忆合金可应用于其中。
靠形状记忆合金动作的微型机器人结构图
电子仪器仪表
❖ 用形状记忆合金制造的温度保险器不同于熔断保险 丝，可产生很强的力拉断接点，消弧效应明显，适 合于作大功率、高电压用保险器。
浅谈形状记忆合金材料
浅谈形状记忆合金材料引言：时代的发展与材料的发展是相辅相成的。
随着科学技术的进步,材料研究变得尤为重要。
现如今材料的研究越来越专业化，并且逐渐倾向于功能化、多样性。
例如形状记忆材料就是一种典型的新型功能材料。
形状记忆材料是指具有形状记忆效应的金属、陶瓷和高分子等材料,在高温下材料形成一种形状,在冷却到低温时会塑性变形成为另外一种形状,如果对材料进行加热,通过马氏体的逆相变,又可以恢复到高温时的形状,这就是形状记忆效应。
一、形状记忆合金及形状记忆效应形状记忆材料是集感知和驱动于一体的特殊功能材料,其中形状记忆合金是形状记忆材料中较为重要的材料之一。
形状记忆合金(Shape Memory Alloy简称SMA)是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。
1、形状记忆合金分类到目前为止，被开发出来的形状记忆合金主要是Ti-Ni基、Cu基与Fe基三种。
在这三大类中，根据不同的要求和工作环境，分别在基体中加入和调整一些合金元素的量，使得每一个大类中都有一系列合金被开发出来，应用在各行各业，以满足各种不同的特殊需求。
（a）Ti-Ni形状记忆合金开发的最早，形状记忆效应最稳定，相对比较成熟，已在航天工业、汽车工业、电子工业、医学及人类生活领域获得应用。
但由于其原材料Ni 、Ti价格昂贵，且加工成本高等因素，其应用受到限制。
（b）Cu基形状记忆合金因价格便宜、原材料来源广泛、易于加工和制造等原因而得到迅速发展。
铜基形状记忆合金是这三类合金中种类最多的一类，但有实际应用价值的目前只有Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni两种。
（c）Fe基形状记忆合金发展较晚，成本较Ti-Ni系和铜系合金低得多，易于加工，在应用方面具有明显的竞争优势，被认为是一种具有广泛应用前景的功能材料，受到广泛的关注。
2、呈现形状记忆效应的合金的必备条件（a）马氏体相变只限于驱动力极小的热弹性型，即马氏体与母相之间的界面的移动是完全可逆的（b）合金中的异类原子在母相与马氏体中必须为有序结构（c）马氏体相变在晶体学上是完全可逆的3、状记忆效应的分类（a）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。
形状记忆材料
形状记忆材料形状记忆材料（Shape Memory Materials，SMMs）是一类具有形状记忆效应的智能材料，其在外界作用下可以实现形状的可逆变化。
形状记忆材料广泛应用于医疗器械、航空航天、汽车、电子、纺织等领域，具有巨大的应用前景。
形状记忆材料的工作原理是基于其特殊的微观结构和相变特性。
在低温状态下，形状记忆材料处于一种固定的形状，一旦受到外界温度、应力或磁场等作用，就会发生相变，从而恢复到其原始形状。
这种形状记忆效应使得形状记忆材料具有自修复、自组装、自适应等智能特性。
形状记忆材料的应用领域非常广泛。
在医疗器械领域，形状记忆材料可以用于制作支架、缝合线、植入物等，具有良好的生物相容性和可调节的形状，可以更好地适应人体器官的形状和运动。
在航空航天领域，形状记忆材料可以用于制作飞机零部件、卫星结构等，具有轻质、高强度、耐高温等优点，可以大大减轻航空器的重量，提高飞行性能。
在汽车领域，形状记忆材料可以用于制作车身零部件、发动机零部件等，具有抗冲击、耐磨损、自修复等特性，可以提高汽车的安全性和可靠性。
在电子和纺织领域，形状记忆材料可以用于制作智能传感器、智能纺织品等，具有快速响应、多功能性、耐用性等特点，可以实现智能化、可穿戴化。
形状记忆材料的研究和应用仍面临一些挑战。
首先，形状记忆材料的制备工艺和性能优化仍需进一步提升，以满足不同领域的需求。
其次，形状记忆材料的成本较高，需要降低生产成本，提高市场竞争力。
最后，形状记忆材料的环境适应性和可持续性也需要加强，以减少对环境的影响。
总的来说，形状记忆材料作为一种新型智能材料，具有巨大的应用潜力和发展前景。
随着科技的不断进步和创新，形状记忆材料必将在各个领域发挥重要作用，为人类社会的进步和发展做出更大的贡献。
记忆合金特点
记忆合金特点
记忆合金特点
记忆合金是一种具有形状记忆效应和超弹性的材料。
它的特点包括以下几个方面：
一、形状记忆效应
形状记忆效应是指材料在经历过程变形后，可以恢复到原来的形态。
这种效应可以用于制造各种自动控制系统和机械装置，如自动开关、自动调节阀门等。
二、超弹性
超弹性是指材料在受到外力作用后能够产生大量变形，但当外力消失时，材料能够迅速恢复到原来的状态。
这种特性使得记忆合金在医学领域有着广泛的应用，如支架、牙套等。
三、高耐腐蚀性
记忆合金具有高耐腐蚀性，因此可以在恶劣环境中使用。
它们可以抵
抗氧化、酸碱等化学物质的侵蚀，在海水或其他盐溶液中也不易生锈。
四、低温稳定性
记忆合金具有低温稳定性，可以在极低温度下使用。
这使得它们成为
航空航天领域中的重要材料，如用于制造卫星、火箭等。
五、易加工性
记忆合金易于加工，可以通过压力、热处理等方式进行形状调整。
这
种特性使得它们在制造各种复杂形状的零件时具有优势。
六、高强度
记忆合金具有高强度，可以承受较大的载荷。
这种特性使得它们在制
造高强度零件时具有优势。
七、可重复使用
记忆合金可以多次使用，不会因为变形而失去作用。
这使得它们成为
一种环保材料。
总结：
记忆合金具有形状记忆效应、超弹性、高耐腐蚀性、低温稳定性、易加工性、高强度和可重复使用等特点。
这些特点使得它们在医学、航空航天等领域得到广泛应用，并且将来还有更多的应用前景。
形状记忆合金材料
3.铁系形状记忆合金
•
与Ni-Ti基及Cu基合金相比，铁基合金价格低、
加工性好、机械强度高、使用方便。目前已发现
的铁基形状记忆合金的成分、结构和性能，其中
应用前景最好的合金是FeMnSiCrNi和FeMnCoTi
系。
铁基形状记忆合金的成分和性能
四、形状记忆合金的应用
却到Ms点以下，马氏体晶核随温度下降逐渐长大，弯度回升
是马氏体片又反过来同步地随温度上升而缩小，这种马氏体 叫热弹性马氏体。
•
•
在Ms以上某一温度对合金施加外力也可引起马氏体转变，
形成的马氏体叫应力诱发马氏体。 有些应力诱发马氏体也属弹性马氏体，应力增加时马氏 体长大，反之马氏体缩小，应力消除后马氏体消失，这种马 氏体叫应力弹性马氏体。
•
如在NiTi合金中,加入W,会产生明显的固溶 强化,提高NiTiW合金的强度和力学性能。但是W
的加入不会改变整个NiTi合金的相变温度。
2.Cu系形状记忆合金
•
Cu基记忆合金分为Cu-Al系和Cu-Zn系,比NiTi
合金生产成本低(10%),而且加工性能好,应用日益
广泛,但是相变温度稳定性差,韧性不好;但是价格
四、形状记忆合金的应用
五、形状记忆合金的发展
六、形状记忆合金的制备
一、形状记忆效应
原来弯曲的合金丝被拉直后，当温度升高到 一定值时，它又恢复到原来弯曲的形状。人们把 这种现象称为形状记忆效应（SMF），具有形状
记忆效应的金属称为形状记忆合金（SMA）。
形状记忆效应有三种形式:单程形状记忆效应，
双程形状记忆效应，全程形状记忆效应。
4.马氏体相变
•
形状记忆材料
形状记忆效应的机理
大部分合金和陶瓷等记忆材料的形状记忆效应 是通过马氏体相变而完成的。也就是热弹性马氏 体相变产生的低温相在加热时向高温相进行可逆 转变的结果。
这种可逆转换是具有一定条件的： 1.马氏体相变是热弹性的。 2.母体与马氏体相呈现有序点阵结构。 3.马氏体内部是孪晶变形的。 4.相变时在晶体学上具有完全可逆性。
形状记忆聚合物
形状记忆聚合物（Shape Memory Polymers，简称 SMP）又称为形状记忆高分子，是指具有初始形状并 固定后，通过外界条件（如热，光，电，化学感应） 等的刺激，又可恢复其初始形状的高分子材料。 引发形状记忆效应的外部环境因素： 物理因素：热能，光能，电能，声能等。 化学因素：酸碱度，螯合反应和相转变反应等。
形状记忆效应，如左图： OA段：弹性变形线性段 AB段：非线性段 B点处卸载，C点处的残余应变为 OC段，将此材料在一定温度下加热， 经CO段变形，残余应变为零，材料 恢复原来的形状。
三种形状记忆效应
形状记忆效应按照形状恢复情况可以分为三种：
1.单程形状记忆效应 2.双程形状记忆效应 3.全程形状记忆效应
形状记忆陶瓷
在陶瓷中现已发现两种机制的形状记忆效应： 1）和形状记忆合金类似的马氏体相变及逆相变有关 的形状记忆。其中，马氏体相变可以是热诱发的，应 力诱发的，也可以是外电场（磁场）诱发的。 2）粘弹性机制导致的形状恢复。
形状记忆陶瓷 形状记忆陶瓷
按照机理
按照形状记忆机理
马氏体形状 记忆陶瓷
形状记忆合金
形状记忆合金（SMA）特性
集传感，驱动，控制，换能于一身 机械性质优良，能恢复的形变可高达10%，而一般金属材料只 有0.1%以下 有确定的转变温度 在加热时能产生的回复应力非常大，可以达到500Mpa 对环境适应能力强，不受温度以外的其他因素的影响 无振动噪声，无污染 抗疲劳，回忆变形500万次不会产生疲劳变形
4.形状记忆合金
单斜晶体 马氏体
一定的热 处理或成 分条件 菱面体点阵 R相
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2.1 Ti-Ni基形状记忆合金
(2) 合金元素对Ti-Ni合金相变的影响 添加少量的第三元素，会引起合金中马氏体内部的显 微组织发生显著变化，同时可能导致马氏体的晶体结
构发生改变，宏观上表现为相变温度点的升高或降低。
Cu的影响(Ti-Ni-Cu合金)
形状记忆材料
制造科学与工程学院材料成型系
目录 形状记忆相关知识 形状记忆材料种类 形状记忆材料应用 形状记忆材料发展 结束语
2
1 形状记忆相关知识
形状记忆效应（特点及分类） 马氏体相变 形状记忆原理
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1.1 形状记忆效应
形状记忆效应：
具有一定形状（初始形状）的固体材料，在某
一低温状态下经过塑性变形后（另一形状），通过
形状记忆特性比Ti-Ni合金差。
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2.4 ZrO2形状记忆陶瓷
（1）氧化锆陶瓷的基本结构与相变 随温度的变化纯ZrO2有三种晶型，按温度由高到 低，其结构分别为 立方晶系、四方晶系(t相)、单斜晶系(m相)
加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，材料
又恢复到初始形状，这种效应称为形状记忆效应
（SME）。 (Shape Memory Effect)
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1.1 形状记忆效应
对于普通金属材料，受到外力作用时，当 应力超过屈服强度时，产生塑性变形，应力去
除后，塑性变形永久保留下来，不能恢复原状。
塑性变形——物质在一定的条件下，在外力的作用下产 生形变，当施加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原
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1.2 马氏体相变
在Ms 温度以上变形，因应力使Ms升高，发生M转 变，应力解除，产生逆相变，回到母相状态，在应
马氏体相变与形状记忆效应
5
二．形状记忆效应的晶体学机制
• 形状记忆合金有三个特征： – 合金能够发生热弹性马氏体相变； – 母相和马氏体的晶体结构通常均为有序的(所谓有序结构, 即溶质原子在 晶格点阵中有固定位置)； – 母相的晶体结构具有较高的对称性，而马氏体的晶体结构具有较低的对 称性．
• 当母相是B2型有序结构时，马氏体的晶体结构可看成是以图4-5 a) 第一行所 示（下页）的密排面为底面沿z方向按一定方式的堆垛. – 为保证密排堆垛结构，堆垛时必须按照以下的规则：若第一层的原点在A， 则第二层的原点可放在B或C . 若第二层的原点在B，则第三层的原点可 放在A或C，以此类推. • 当堆垛的顺序是ABABAB…时是2H结构 . • 当堆垛的顺序是ABCABC…时是3R结构. • 当堆垛的顺序是ABCBCACABABCBCACAB…时是9R结构，如图45b)所示 .
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因此，记忆合金能够回复的最大变形不能超出马氏体完全再取向后所能贡 献出的相变应变．
• 如果马氏体完全再取向后继续施加外力，马氏体将以滑移和孪生的形式继续 变形，这时发生的变形是不可回复的塑性变形．组织中出现位错、形变孪晶 等晶体缺陷，破坏合金的热弹性马氏体相变，损害形状记忆效应．
三．应力诱发马氏体相变与记忆合金的超弹性
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• 双程记忆训练：通过各种工艺处理方法在合金内部产生特定的内应力场，使 合金具有双程记忆效应．
• 双程记忆训练方法主要有： (1)SIM法：在母相态对记忆合金元件施加变形． (2)SME法：在马氏体态对记忆合金元件施加变形． (3)SIM+SME法：在母相状态下进行变形，约束其应变，冷却到Mf点以 下；或在马氏体状态下进行变形，约束其应变，加热 到Af点以上．也可将这二者结合起来． (4)约束ห้องสมุดไป่ตู้热法：将试样变形，约束其变形并在合金析出第二相的温度进 的行适当的加热．
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第七章形状记忆材料
形状记亿材料是一种特殊功能材料，这种集感知和驱动于一体的新型材料可以成为智能材料结构，而备受世界瞩目。
1951年美国Read等人在Au—Cd合金中首先发现形状记忆效应(Shape Memory Effect，简称SME)。
1953年在In—T1合金中也发现了同样的现象，但当时未能引起人们的注意！直到1964年布赫列等人发现Ti—Ni合金具有优良的形状记忆性能，并研制成功实用的形状记忆合金“Nitinol”,引起了人们的极大关注，世界各国科学工作者和工程技术人员进行了广泛的理论研究和应用开发。
形状记忆合金已广泛用于人造卫星天线、机器人和自动控制系统、仪器仪表、医疗设备和能量转换材料。
近年来，又在高分子聚合物、陶瓷材料、超导材料中发现形状记忆效应，而且在性能上各具特色，更加促进了形状记忆材料的发展相应用。
第一节形状记忆效应
一、形状记忆效应
具有一定形状的固体材料，在某一低温状态下经过塑性变形后，通过加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，材料又恢复到初始形状的现象，称为形状记忆效应。
具有形状记忆效应的材料称为形状记忆材料。
例如，在高温时将处理成一定形状的金属急冷下来，在低温相状态下经塑性变形成另一种形状，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会恢复到低温塑性变形前的形状。
具有这种形状记忆效应的金属，通常是由2种以上的金属元素构成的合金，故称为形状记忆合金(Shape Memory Alloys ，简称SMA)。
形状记忆效应可分为3种类型：单程形状记忆效应、双程形状记忆效应和全程形状记忆效应。
图4—l表示3种不同类型形状记忆效应的对照。
所谓单程形状记忆效应就是材料在高温下制成某种形状，在低温时将其任意变形，再加热时恢复为高温相形状，而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状。
若加热时恢复高温相时的形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降自发可逆的反复恢复高低温相形状的现象称为双程形状记忆效应。
当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的现象称为全程形状记忆效应。
它是一种特殊的双程形状记忆效应，只能在富Ti-Ni合金中出现。
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