形状记忆材料
材料的形状记忆效应研究与应用
材料的形状记忆效应研究与应用材料的形状记忆效应是指某些特殊材料在受到外界力引起形变后，通过加热或者去除外界力，并保持在一定温度范围内，就能恢复到其原本的形状。
这种形状记忆的材料具有广泛的应用潜力，在工程技术和生物医学等领域都有重要的研究价值和应用前景。
一、形状记忆合金材料形状记忆合金是一种具有形状记忆效应的智能材料，其最典型的代表是镍钛合金（Ni-Ti合金），又被称为“记忆合金”。
形状记忆合金材料可以根据温度、应力或磁场等外界条件发生普氏体与马氏体相变，从而实现形状记忆效应。
这种材料在航空航天、汽车工业、电子设备等多个领域有广泛的应用，如飞机机翼的变形控制、自动调节阀门的控制等。
二、形状记忆聚合物材料形状记忆聚合物是指通过交联聚合改性的聚合物材料，具有形状记忆效应。
相比于形状记忆合金，形状记忆聚合物具有更高的拉伸性和可塑性，更适用于柔性器件和生物医学领域的应用。
形状记忆聚合物可以根据温度、湿度、pH值等外界刺激发生形变和恢复，可以用于制造智能温度传感器、人工肌肉、缓释药物输送系统等。
三、形状记忆液晶材料形状记忆液晶材料是指基于液晶原理、具有形状记忆效应的材料。
这种材料可以根据温度、光照等外界条件实现晶相的改变，从而实现形状的变化与恢复。
形状记忆液晶材料在显示技术、光学器件等领域有重要的应用，如切换窗帘、光学透镜等。
四、形状记忆仿生材料形状记忆仿生材料是指通过仿生学原理，设计和制造具有形状记忆效应的材料。
这种材料可以模拟生物体内的运动和形变过程，实现形状记忆效应。
形状记忆仿生材料在仿真机器人、医疗器械等领域有广泛的应用，如可变形手术器械、自适应机械臂等。
五、形状记忆材料的应用前景形状记忆材料具有广阔的应用前景，可以在机械、电子、医疗等多个领域发挥重要作用。
形状记忆合金可以用于智能结构、微机械系统等领域；形状记忆聚合物可以用于柔性传感器、人工肌肉等领域；形状记忆液晶材料可以用于光学、显示等领域；形状记忆仿生材料可以用于仿真机器人、生物医学等领域。
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。
形状记忆的特性及应用
形状记忆的特性及应用形状记忆是指某些材料在经历变形后，或者是受到外界刺激后，可以恢复原状的能力。
它具有以下几个特性。
首先，形状记忆材料具有记忆性。
当形状记忆材料在原始状态下被加热到一定温度时，其分子结构发生改变，形成新的形状。
当材料被冷却至较低温度后，其分子又会回到原来的形状。
这种形状的转变与恢复是可以重复进行的，也就是说这种材料具有记忆形状的特性。
其次，形状记忆材料具有应变记忆性。
这是指当形状记忆材料经历一定的应变后，一旦受到外界刺激，就会重新恢复到原始形状。
这种应变记忆性允许材料适应各种形状的变化，并能回到原始形状，具有较好的弹性和可塑性。
此外，形状记忆材料还具有温度记忆效应。
这是指当温度发生变化时，形状记忆材料会改变形状。
当温度超过设定的相变温度时，材料会发生相应的形状改变。
这种温度记忆效应可以通过调控材料的相变温度来实现不同温度下的形状变化。
形状记忆材料的特性使其在各个领域有着广泛的应用。
首先，在医学领域，形状记忆材料被广泛应用于体内植入物的制造。
例如，形状记忆合金可以用于制造心脏支架，当支架放置到体内后，通过体温变化即可恢复到原始形状，提供最佳的支持和治疗效果。
其次，在航空航天领域，形状记忆材料也有着重要的应用。
例如，形状记忆聚合物可以用于制造飞机的舷窗密封条，即使在极端温度条件下也能保持良好的密封性能。
形状记忆合金也可以用于制造航天器的天线结构，通过改变形状来实现天线的展开和折叠。
此外，在车辆工程领域，形状记忆材料可以用于制造汽车的形状记忆合金弹簧。
这种弹簧可以根据道路情况和负载自动调整其刚度，并且可以在不同温度下保持较稳定的性能。
另外，形状记忆材料还有着广泛的应用于纺织品、电子设备和智能结构等领域。
在纺织品方面，它可以用于制造智能纺织品，通过温度变化实现衣物的自动修复和形状调整。
在电子设备方面，形状记忆材料可以用于制造柔性电池和柔性电路板，提供更加可靠和稳定的电子设备性能。
在智能结构方面，形状记忆材料可以用于制造智能建筑材料和智能桥梁等，提供更加安全和可持续的建筑和桥梁结构。
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
高分子材料的形状记忆性能研究
高分子材料的形状记忆性能研究形状记忆材料是一类具有特殊性能的材料，在受到外界刺激时能够回复其原有形状。
这一特性在许多领域都有潜在应用，例如医疗、电子、航空航天等。
而高分子材料是一类常见的形状记忆材料，其研究一直备受关注。
本文将探讨高分子材料的形状记忆性能，以及相关研究进展和应用前景。
1. 形状记忆材料的原理形状记忆材料具有两个基本状态：一是其正常状态，也称为高温状态，该状态下材料保持着其所具有的原始形状；二是其特殊状态，也称为低温状态，该状态下材料会发生一定程度的形状变化。
形状记忆材料的形状记忆性能主要依赖于两种基本原理：热致形状记忆效应和应力驱动形状记忆效应。
2. 高分子材料的形状记忆性能高分子材料是一类具有长链结构的聚合物材料，其形状记忆性能主要通过调控其结构和组成来实现。
高分子材料的形状记忆性能可以通过改变温度、应力或其他外界刺激来实现形状的转变和恢复。
具体而言，高分子材料的形状记忆性能可以通过以下几个方面来评价和研究：转变温度、形状记忆率、形状恢复速度和循环稳定性。
3. 影响高分子材料形状记忆性能的因素在研究高分子材料的形状记忆性能时，有许多因素会对其性能产生影响。
其中，材料的结构和组成是最为重要的因素之一。
高分子材料的结构可以通过控制聚合物的交联度、分子量以及交联点的类型和密度来实现对形状记忆性能的调控。
此外，材料的加工方法、处理过程、外界刺激等也会对形状记忆性能产生影响，因此需要对这些因素进行精确控制和研究。
4. 高分子材料形状记忆性能的研究进展高分子材料的形状记忆性能一直备受研究者的关注。
近年来，许多新型材料和制备方法被提出和应用于高分子材料的形状记忆性能研究中。
例如，利用纳米颗粒增强材料的形状记忆性能，通过界面改性增加材料的形状恢复速度等。
这些研究为高分子材料的形状记忆性能提供了新的途径和思路。
5. 高分子材料形状记忆性能的应用前景高分子材料的形状记忆性能在众多领域具有广阔的应用前景。
形状记忆材料
形状记忆材料形状记忆材料是一种具有形状记忆效应的智能材料，它可以在外界刺激作用下发生可逆性相变，并恢复到原始形状。
这种材料在医疗、航空航天、汽车、电子、纺织等领域都有着广泛的应用前景。
首先，形状记忆材料在医疗领域有着重要的应用。
比如在心脏手术中，可以利用形状记忆材料制成的支架，通过体内导丝的方式将支架送达到病变血管处，然后支架会在体温的作用下恢复到原始形状，起到支撑和固定血管的作用。
此外，形状记忆材料还可以用于制作人工关节和矫形器等医疗器械，为患者提供更好的治疗和康复条件。
其次，形状记忆材料在航空航天领域也有着重要的应用。
航天器在进入大气层再次返回地面的过程中，需要经受高温和高压的影响，这就需要航天器表面的材料能够承受这些极端环境的影响。
形状记忆材料可以在外界温度和压力的作用下发生形状变化，因此可以用于制作航天器的外层材料，提高航天器的耐高温和耐高压能力。
另外，形状记忆材料还可以应用于汽车制造领域。
比如利用形状记忆合金制成的车身零部件，可以在碰撞时发生形状变化，吸收碰撞能量，提高汽车的安全性能。
此外，形状记忆材料还可以用于汽车发动机的阀门和传感器等部件，提高汽车的性能和稳定性。
此外，形状记忆材料还可以应用于电子和纺织领域。
在电子领域，形状记忆材料可以制成电子元件的外壳，提高电子元件的耐高温和耐腐蚀能力。
在纺织领域，形状记忆材料可以制成具有自修复功能的纺织品，延长纺织品的使用寿命。
总的来说，形状记忆材料作为一种智能材料，具有广泛的应用前景。
它在医疗、航空航天、汽车、电子、纺织等领域都有着重要的应用，为各行各业的发展和进步提供了有力的支持。
随着科学技术的不断进步，相信形状记忆材料会在未来发展出更多更广泛的应用。
智能材料的形状记忆研究
智能材料的形状记忆研究智能材料是指那些具有一定程度的仿生智能、可进行自我感知和响应的新材料。
智能材料的研究和应用领域十分广泛，其中形状记忆材料是其中一个研究重点。
形状记忆材料，顾名思义，是一种可以记忆自身形状并根据外界刺激进行形状恢复的材料。
下面就介绍一下智能材料的形状记忆研究。
一、形状记忆材料的概述形状记忆材料是一种可以“记忆”自身形状并根据外界刺激进行形状反转的材料，其独特性能引起了人们的广泛关注。
形状记忆材料在广泛的应用领域中表现出了很高的价值，比如航空、航天、军事、汽车、机器人、医疗、建筑、电子等领域。
形状记忆材料的应用前景非常广阔，被誉为21世纪最具潜力的高科技产品之一。
目前，世界上的形状记忆材料主要分为两类：一类是合金类材料，另一类是聚合物类材料。
二、形状记忆材料的工作原理形状记忆材料的工作原理非常神奇。
当形状记忆材料处于一定温度下时，其原始形态是被固定的，我们称之为A相。
当形状记忆材料受到外界的温度刺激或力的刺激时，其原始形态会发生改变，并进入到另一个固定的形态，我们称之为B相。
例如，一根形状记忆钢丝一开始是直的，我们称之为A相。
当将该钢丝加热到一定温度时，它会自动弯曲成一个形状，我们称之为B相。
当形状记忆钢丝受到力的刺激或冷却到一定温度时，它又会自动恢复为A相。
三、形状记忆材料的分类形状记忆材料按照其材料性质可以分为两类：金属合金类和高分子类。
在金属合金类中，主要有铜锌铝形状记忆合金、镍钛形状记忆合金等；而在高分子类中，主要有聚合物形状记忆材料。
四、形状记忆材料的优点和局限性1. 优点形状记忆材料具有很多独特的性质和优点，比如：记忆功能强、形状可控、反应速度快、重复使用次数多、无需额外能源等。
2. 局限性形状记忆材料虽然有很多独特的优点，但是也存在很多局限性，如高价格、强度、耐腐蚀性、温度对功能的影响等。
五、形状记忆材料的应用形状记忆材料的应用十分广泛，现已被应用于诸多领域。
以下是形状记忆材料在一些领域的具体应用：1. 航天领域航天领域对形状记忆材料的需求量非常大。
智能材料有哪些及应用
智能材料有哪些及应用智能材料是一类具有自响应、自感知和自调节能力的材料。
它们能够根据外界环境的变化，改变自身的性质和形态，实现某种特定的功能。
智能材料的应用非常广泛，涵盖了多个领域。
一、形状记忆材料（Shape Memory Materials）：形状记忆材料是一种能够在外部刺激作用下改变自身形状，并且能够恢复到初始形状的材料。
该类材料主要包括两种类型：一种是单向形状记忆材料，它只能在一个特定的温度范围内发生形状改变；另一种是双向（多向）形状记忆材料，它可以在不同的温度范围内发生形状改变。
形状记忆材料的应用包括潜艇舵翼、医疗器械、飞机机翼表面和建筑结构等。
二、智能涂料（Smart Coatings）：智能涂料指的是具有自我修复、防污、防腐蚀和环保等功能的涂料。
智能涂料能够根据外界环境的变化，改变其表面特性以达到一种特定的功能。
智能涂料的应用广泛，例如自我修复涂料可以应用在汽车漆面修复、船体表面防腐等领域。
三、压电材料（Piezoelectric Materials）：压电材料是一种具有压电效应的材料，即当外力作用于该材料时，会在其内部产生电荷，从而产生电势差。
压电材料广泛应用于声、光、电、热转换和传感器等领域。
例如应用在医学领域的超声波传感器、压电陶瓷维修剂等。
四、磁致伸缩材料（Magnetostrictive Materials）：磁致伸缩材料是在外磁场作用下，能够发生形变的材料。
通过改变外磁场的强度和方向，可以控制材料的形变。
磁致伸缩材料的应用领域包括电磁换能器、声学器件、传感器、振动控制和精密仪器等。
五、光敏材料（Photosensitive Materials）：光敏材料是指能够对光信号进行感应和响应的材料。
光敏材料的特点是在光照射下，其电、磁、光、热等性质会发生变化。
光敏材料广泛应用于成像、激光技术、显示器件、光敏电导等领域。
六、电致变色材料（Electrochromic Materials）：电致变色材料是一种可以通过外加电压改变其颜色的材料。
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形状记忆效应简易演示实验
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。
形状记忆效应，如左 图，材料加载过程中，应 变随应力增加，OA段为弹 性变形的线性段，AB为非 线性段，由B点卸载时，残 余应变为OC，将此材料在 一定温度加热，则残余应 变降为零，材料全部恢复 原状。
又称可逆形状记忆效应。材料加热时恢复高 温相形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度 升降自发可逆地反复地恢复恢复高温相形状，冷却时变为形 状相同而取向相反的高温相形状。 它是一种特殊的双程形状记忆效应，只能在 富镍的Ti-Ni合金中出现。
1.2
马氏体相变
有序点阵结构的母相与马氏体相变的孪生结构具有共格性， 在母相——马氏体——母相的转变循环中，母相完全可以恢复 原状，这就是单程记忆效应的原因。其晶体结构变化模型如图 11-5。 （a）将母相冷却到发生马氏体相变，形成24种马氏体变体， 由于相邻变体可协调生成，微观上相变应变相互抵消，无宏观 变形； （b）马氏体受外力作用时，变体界面移动，相互吞食，形成 马氏体单晶，出现宏观变形； （c）由于变形前后马氏体结构没有变化，当去除外力时，无 形状改变； （d）当加热发生逆相变，马氏体通过逆转变恢复到母相形状。 双程和全程记忆效应机理比较复杂，有许多问题尚未搞清。
一、
形状记忆效应
• 形状记忆效应
• 马氏体相变
• 形状记忆机理
1.1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。
(a) 原始形状
(b) 拉 直
(c) 加热后恢复
当温度下降到Ms点时，合金的电阻随温度的变化呈偏离线性 下降的直线，表明马氏体开始形成；温度降低到Mf点以下时， 合金的电阻随温度的变化又呈线性下降的直线，表明母相完 全转变为马氏体。 类似地，将合金从低于Mf点以下的温度加热到As点时，开始 逆转变为母相，加热到Af点时马氏体完全转变为母相。
1.3 形状记忆机理
用这种“记忆金属”造出汽车，万一 被撞瘪，只要浇上一桶热水就可恢复到原 来的形状。
虽然这些都还没有实现或者普及，但也能从 中反应出形状记忆材料存在的巨大的发展潜力
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1 2
概念 原理 分类 应用
3
4
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形状记忆材料(shape memory materials，简称SMM)：
是指具有一定初始形状的材料经形变并固定成
形状记忆效应示意图 SMA4.avi
按形状恢复情况可分为：
单程形状记忆效应 双程形状记忆效应 全程形状记忆效应
形状记忆效应
• 单程形状记忆效应
材料在高温（奥氏体状态）下制成某种形状， 在低温（马氏体状态）时将其任意变形，再加热 时恢复高温相形状，而重新冷却时不能恢复低温 相的形状。
• 双程形状记忆效应
远在战国和西汉，我国已将钢剑加热（呈面心立
方结构的奥氏体状态），然后淬火（在一定介质中快
冷），使剑可以“削铁如泥”。
这个淬火过程是由高温面心立方相奥氏体转变为低
温体心立方或体心正方相马氏体的相变过程。
这个相变属于结构改变型形变，即材料由一种晶体结构改 变为另一种晶体结构。
在无机物里常见的立方晶格有三种，一种是简单立 方，另一种是在简单立方的中心插入一个粒子，这 是体心立方;再一种是在简单立方的每个面的中心各 插入一个粒子，这是面心立方。
形状记忆过程中晶体结构的变化
• 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是随着环境 条件的改变而改变的。
• 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。
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形状记忆材料的种类
SME 质轻、易成型、耐腐蚀、电绝缘。
电阻率
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化学1201 陈鸿睿 41266011 化学1201 林晓海 41266014
在日常生活中，我们身边就有形状记忆 材料的身影。比如，我们所戴眼镜的框架就 是用形状记忆合金制成的。
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人们盖上用记忆合金丝混合羊毛织成的毛毯 后，如毛毯温度过热，它就会自动掀开一部分， 适当降低温度，使人睡得更安稳。
淬(cuì)火：将材料快速冷却至一定介质使其发生 相变的过程。 马氏体：是高温奥氏体快速冷却形成的体心立方 或体心四角(正方)相。
马氏体相变：由高温奥氏体(面心立方相) 转变为
低温马氏体(体心立方或体心四角相) 的无扩散性相变。 逆相变：重新加热时马氏体无扩散的转变为奥氏
体的相变。
右图为随温度变化发生马氏体相 变时电阻的变化： Ms是马氏体相变开始的温度 Mf是马氏体相变终止温度 As是逆相变开始温度 Af是逆相变终止温度（在此温度 以上，马氏体变得完全不稳定）
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形状记忆合金 形状记忆陶瓷 形状记忆聚合物
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二、材料的类别与性能 形状记忆材料目前有20 是Ni-Ti基、Cu-Zn-Al、Fe-Mn-Si和Cu-Al-Ni合金等。 他们的主要性能 1、Ni-Ti基 具有优异的SME、高耐热性、耐蚀性、高强度以及其 他材料无 可比拟的耐热疲劳性与良好生物相容性。但存在原材料价 2、Fe基合金 3、Cu基合金 4、形状记忆聚合材料
另一种形状后，通过热、光、电等物理刺激或化学刺 激的处理又可恢复成初始形状的材料。
形状记忆材料的历史
LOGO 形状记忆效应是1951年美国Read等人在AUCD合 1953年在R8-合金中也发现了同 1964 年美国Buehler等人在Ti-Ni合金中发现形状记忆效 应后，该新型材料才受到世界瞩目，科学家们才逐 步开展起对它的研发和利用。20世纪60年代中期出 现了Ti-Ni合金制造的人造卫星天线和能量转换热机。 1970年在形状记忆合金历史上有两项重大突破:一 是Ti-Ni合金管接头在F14飞机油压管路连接上大量 应用, 本大阪大学清水和大塚对所发现的形状记忆合金进 性马氏体相变。