形状记忆复合材料及其应用
形状记忆合金的应用现状与发展趋势

形状记忆合金的应用现状与发展趋势摘要:综述了形状记忆合金的发展概况,简要介绍了形状记忆合金在不同领域的应用现状,分析了当前形状记忆合金研究中存在的问题,指出了今后的发展前景与研究方向。
关键词:形状记忆合金、形状记忆合金效应、应用一、引言形状记忆合金(Shape Memory Alloy ,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。
形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应(Shape Memory Effect ,SME) 。
形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。
二、形状记忆合金的发展史与现状在金属中发现现状记忆效应最早追溯到20世纪30年代。
1938年。
当时美国的 Greningerh和Mooradian在Cu-Zn合金小发现了马氏体的热弹件转变。
随后,前苏联的Kurdiumov对这种行为进行了研究。
1951年美国的Chang相Read 在Au47·5Cd(%原子)合金中用光学显微镜观察到马氏体界面随温度的变化发生迁动。
这是最早观察到金属形状记忆效应的报道。
数年后,Burkhart 在In-Ti 合金中观察到同样的现象。
然而在当时,这些现象的发现只被看作是个别材料的特殊现象而未能引起人们足够的兴趣和重视。
直至1963年,美国海军武器实验室的Buehler等人发现了Ni-Ti合金中的的形状记忆效应,才开创了“形状记忆”的实用阶断[1]。
1969年,Rsychem公司首次将Ni-Ti合金制成管接头应用于美国F14 战斗机上;1970年,美国将Ti-Ni记忆合金丝制成宇宙飞船用天线。
这些应用大大激励了国际上对形状记忆合金的研究与开发。
20世纪7 年代,相继开发出了Ni-Ti 基、Cu-Al2-Ni 基和Cu-Zn-Al 基形状记忆合金;80 年代开发出了Fe-Mn-Si 基、不锈钢基等铁基形状记忆合金,由于其成本低廉、加工简便而引起材料工作者的极大兴趣。
智能材料和智能结构——形状记忆材料

磁( 电)致流变流 体和 某些功 能聚合物 。集成和 混合高等 材料是可获 得具有传 感 、控 制和 多值 响应本征 机理
的复合材料 。
I
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二 、形 状 记 忆 材 料
形状记忆材料 ( S MM)是智 能复合材 料的主要 组成部分之 一 。由于材料 内部的可逆相 变 ,S MM 具有 某些特殊 的性质 ,例 如形状记 忆效应 (S ME) 、准确性 或较大 的可恢复冲 击应变 、高阻尼 性和 自适应 性。
形状记忆 、超弹性等 ,可 用于各种智 能系统 。形状 记忆材料 中的激励 感应相变 导致了材 料的许多独 特的
性能 ,支配 着材 料性质 的显著变化 。讨论了改进 目前材料 系统和研发 新的形状 记忆材料 所面 临的 技术障
碍和挑 战。
关键词 :形状记忆材 料 ;合金 ;陶瓷 ;聚 合物 ;激 励感应相 变 ;智 能系统 中图分类 号 :T 3 1 文献标 识码 :A 文章编号 : 0 6 8 3 2 1)9 0 0 — 7 B8 1 0 — 8 X( 0 — 0 6 0 00
特性 、形状记忆特 性和其 它性质影 响很大,在2 元 合金中 , 2 由立方 晶系到单斜 晶系 [ 9]的一级相变 改变为 由立方 晶 B1
系 [ 2 到斜 方 晶 体 系 [ 9 以及 由 B1 B] B1 ] 9到 B1 ( u取 代 Ni 9 C
纤维 丝 、颗 粒和 多孔材 料 ,可与其 他材料 一起 形成 复合材
() 7 、阻尼 :S MM 的阻尼特 性来源 于其特征 微结构和 相变 ,大 部分 S MM 都具 有较高 的固有 阻尼 性 。
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到 目前 为 止 已发 现 各 种 合 金 ( S MA) 陶 瓷 (S ) 、 MC 、 聚合物 ( 状记忆 S ) 凝胶 (S 形 MP 和 MG) 胶 呈 现 出 S 凝 ME, 其 中 有 些 材 料 已 商 品 化 ,特 别 是 某 些 S M 易于 制 成 薄 膜 、 M
未来潜力材料之形状记忆合金

形状记忆合金(shape memory alloys,SMA)是一种由两种以上金属元素构成、能够在温度和应力作用下发生相变的新型功能材料,通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有独特的形状记忆效应、相变伪弹性等特性,广泛应用于航空航天、生物医疗、机械电子、汽车工业、建筑工程等领域。
形状记忆合金按合金种类主要分为镍钛基形状记忆合金(Ni-Ti SMA)、铜基形状记忆合金(Cu SMA)、铁基形状记忆合金(Fe SMA)3类。
其中,镍钛基形状记忆合金包括Ni-Ti-Cu、Ni-Ti-Co、Ni-Ti-Fe、Ni-Ti-Nb等具有较高实用价值的记忆合金;铜基形状记忆合金主要有Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Zn-Ga、Cu-Sn等种类;铁基形状记忆合金主要有Fe-Pt、Fe-Mn-Si、Fe-Ni-Co-Ti、Fe-Mn-Al-Ni、Fe-C-Mn-Si-Cr-Ni等种类。
1/形状记忆合金的研究现状形状记忆合金因其独特的形状记忆效应一直是各主要国家的研究热点。
近年来,美国、欧洲、日本等国家和地区针对形状记忆合金制备工艺、成分配比、与先进制造技术结合的研究已取得显著的进展,尤其以4D打印技术为代表的先进制造技术使用形状记忆合金作为原材料,扩展了其在软体机器人、医疗器械、航空航天等领域的应用范围。
(一)中美欧等国开发出多种形状记忆合金制备新工艺,扩大了材料应用范围形状记忆合金/聚合物的制备方法主要有熔炼法、粉末冶金法、喷射沉积工艺、4D打印技术等,再根据应用需求配置后续的锻造、热挤压、轧制、拉拔、冷加工等成型工艺。
其中,熔炼法是传统金属冶金工艺,在真空下将金属原材料通过电子束、电弧、等离子体、高频感应等方式加热后进行熔炼,易产生杂质污染、成分不均匀、能耗高等问题,且需要经过切割加工形成合金产品。
而粉末冶金法则是利用金属或合金粉末进行热等静压和烧结,制备出最终形状的合金产品。
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。
形状记忆聚合物制备

形状记忆聚合物制备形状记忆聚合物是一种具有特殊性能的材料,它具有记忆形状的能力,能够根据外界条件的变化改变自身的形状,并在恢复到原始形状时保持其记忆效果。
这种材料在许多领域都有广泛的应用,例如医疗、航空航天、汽车等。
形状记忆聚合物的制备过程是通过改变聚合物分子的结构和组成,使其具有记忆形状的能力。
一种常见的制备方法是通过聚合物的交联反应来实现。
交联反应可以将聚合物链条之间形成交联点,增加聚合物的稳定性和弹性,从而使其具有记忆形状的能力。
在制备过程中,首先需要选择合适的聚合物材料。
常用的聚合物材料有聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸(PAA)、聚乳酸(PLA)等。
这些聚合物材料具有良好的机械性能和化学稳定性,能够满足形状记忆聚合物的要求。
需要选择合适的交联剂。
交联剂可以使聚合物分子之间形成交联点,增加聚合物的稳定性和弹性。
常用的交联剂有甲醛、乙烯二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)等。
这些交联剂能够与聚合物分子发生反应,形成交联结构,从而使聚合物具有记忆形状的能力。
制备形状记忆聚合物的过程中,还需要考虑温度和时间的控制。
在交联反应中,温度和时间会对聚合物的交联程度和形状记忆效果产生影响。
通常情况下,需要在适当的温度下进行反应,控制反应时间,使聚合物能够充分交联,并具有良好的形状记忆效果。
制备完成后,形状记忆聚合物可以根据外界条件的变化改变自身的形状,例如温度的变化。
当温度升高时,形状记忆聚合物会发生形状改变,当温度降低时,形状记忆聚合物会恢复到原始形状。
这种特殊的性能使得形状记忆聚合物在许多领域都有广泛的应用。
在医疗领域,形状记忆聚合物可以用于制备医疗器械。
例如,可以制备具有记忆形状的支架,用于血管扩张和修复。
在植入人体后,支架可以根据体内温度的变化自动调整形状,从而提高手术的效果和安全性。
在航空航天领域,形状记忆聚合物可以用于制备航空器的结构材料。
例如,可以制备具有记忆形状的复合材料,用于制造机翼和舵面。
形状记忆合金国内外研究现状和应用

形状记忆合金国内外研究现状和应用形状记忆合金由于具有的“形状记忆”和“超弹性”两大特殊功能,如果能够很好的对这些性能进行利用,可以说能给很多的领域带来质的飞跃。
几十年来,世界很多组织对形状记忆合金进行了很多的研究,每年还召开发布会进行探讨,分享近期获得的新的研究成果。
不断完善马氏体相变理论的同时,形状记忆合金的应用研究也取得了长足进步,其应用范围涉及宇航、机械、电子、化工、能源和医疗等许多领域。
333491 航空航天中的应用形状记忆合金在很早的时候就在航空装置和飞行器中有着应用。
美国和欧洲国家,也在将形状记忆和今年应用于直升机的智能水平旋翼中,直升飞机由于高震动和高噪声而限制了其使用,直升机的叶片涡流干扰带来了主要的噪声和震动。
因此如果能找到一种材料,能够使叶片可以在一个水平面上进行旋转,就可以大大的减少由于叶片涡流而造成的振动和噪声,而目前开发出来的轨迹控制器,就是用的双管形状记忆合金,这使得直升机的稳定性得到了大大的提升。
论文网2 机械工程中的应用利用形状记忆合金在特定温度下就会复原的特性,形状记忆合金在机械工程的精密仪器制造方面有着很大的优势,比如机床或者车床,这些仪器对精度的要求很高。
因此很小的变形都会对零件的精度产生很大的影响,然而用形状记忆合金制造的仪器,只需在变形区域加热到特定的温度,就可以让仪器恢复到原样,很轻易就排出了故障源自$六L维W 论L文W网)加7位QQ3249'1143 生物医学中的应用由于TiNi SMA具有优良的抗腐蚀性、抗磨性和生物相容性,其在牙科、矫形科、骨科、脑科等医学工程领域有重要的应用价值[12-13]。
比如说与我们生活很贴近的牙科中,我曾经在医院坐过牙齿的矫正,随着国内对牙齿健康的越来越重视,很多国外的先进材料也被引入到了国内,除了最常见的陶瓷,形状记忆合金也被应用到了一些牙齿矫正中,而且这种材料的矫正器操作简单,而且专家说,这种材料也能大大减少患者的不适感。
电致型形状记忆聚合物应用领域

电致型形状记忆聚合物应用领域电致型形状记忆聚合物,作为一种具有特殊性能的材料,在各个应用领域中展现出了巨大的潜力和广泛的前景。
这种聚合物具有形状记忆效应,可以通过外界电场的作用改变形状,并在去除外界电场的情况下恢复到原来的形状。
这种特殊的性能使得电致型形状记忆聚合物在医疗、航空航天、智能材料等领域有着广泛的应用。
首先,在医疗领域,电致型形状记忆聚合物的应用前景广阔。
例如,在微创手术器械中,可以利用这种材料制成可以在体内自由变形的器械,通过外界电场的控制实现精准的操作,减少手术创伤,提高手术成功率。
此外,电致型形状记忆聚合物还可以应用于心血管支架等医疗器械中,使其能够在体内自由改变形状,更好地适应患者的生理结构,提高治疗效果。
其次,在航空航天领域,电致型形状记忆聚合物也有着重要的应用价值。
例如,可以利用这种材料制成可以在太空环境中自由变形的太阳能板,通过外界电场的作用实现太阳能板的展开和折叠,提高太空航天器的能源利用效率。
此外,电致型形状记忆聚合物还可以应用于航天器的表面材料中,使其能够根据外界温度变化自由改变形状,提高航天器的环境适应性和耐久性。
再次,在智能材料领域,电致型形状记忆聚合物也有着重要的应用前景。
例如,可以利用这种材料制成可以根据外界电场控制形状的智能结构件,实现智能材料的自适应形状变化,提高材料的功能性和智能化水平。
此外,电致型形状记忆聚合物还可以应用于智能纺织品中,使其能够根据外界电场的控制实现温度调节和形状变化,提高纺织品的舒适性和实用性。
总的来说,电致型形状记忆聚合物作为一种具有特殊性能的材料,在医疗、航空航天、智能材料等领域有着广泛的应用前景。
随着科技的不断进步和创新,相信这种具有形状记忆效应的聚合物将会在更多领域展现出其独特的价值和潜力,为人类社会的发展和进步作出更大的贡献。
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18TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON COMPOSITE MATERIALS 1 General Introduction Shape-memory polymers (SMPs) are able to recover their original shape upon exposure to an external stimulus. The shape-memory phenomenon in SMPs arises from a dual segment system, in which one segment is highly elastic and the other is able to remarkably reduce its stiffness in the presence of a particular stimulus [1]. SMPs have a far higher recoverable strain (up to 400%), much lower density, more convenient processing and fabrication techniques, and properties that are more easily tailored to better accommodate the requirements of a particular application than the shape-memory alloys (SMAs). In addition to these advantages, low cost-not only for the materials themselves but also in processing and fabrication-enables the use of SMPs for a wide range of applications [2]. In this article, synthesis of two novel thermosetting SMP, fiber reinforced SMP composites (SMPCs) and their electrical activation, as well as the applications of SMPCs are discussed.
2 SMP composites (SMPCs) The main limitation of thermoplastic SMPs for the application is irreversible deformation during memory programming due to the creep. The styrene-based and epoxy-based thermosetting SMPs that, unlike traditional thermoplastic SMP, are capable of high thermomechanical properties are reported. Therefore, we introduced chemical crosslinks to improve in creep, strain recovery rate and strain fixity rate, where they are important quantities for describing shape-memory effect. Additionally, experimental results reveal that these two novel thermosetting SMPs have wider transition temperature from 37 to 150oC, higher shape
recovery ratio ranged from 90 to 99%, higher elastic modulus of 2 to 3 GPa at room temperature, etc.
SMPs can be activated not only by heat/magnetism (similar to SMAs), but also by light/moisture and even a change of pH value. The utilization of electricity to induce the SMPs is desirable owing to controllable and effective. Extensive research have been done on conductive SMPCs by blending conductive fillers, including carbon black [3], conductive hybrid fibers, chained Ni powder [4] and continuous carbon fibers. We currently introduce carbon-based nanopaper to the SMP, and carbon nanofibers (CNFs) were blended to facilitate heat transfer and improve electro-active response of the SMP nanocomposite, as shown in Figure 1 [5]. Beyond this, light-induced SMPs has been realized through the incorporation of optic fiber and radiation absorporative particles that act as heat delivery system. Upon irradiation with light of a suitable wavelength, the light is sent through the heat delivery system to trigger the SMP [6]. Recently, indirect activation by means of lowering the transition temperature of SMP has been achieved. As immersed into a special chemical solvent, solvent molecules diffuse into the polymer network and act as plasticizers, resulting in shape recovery [7].
Fig. 1. Series of photographs demonstrating the macroscopic shape memory effect of the SMP composite. The permanent shape is a flat strip, and the temporary shape is a right-angle shape. Reprinted with permission from Reference 5. ©2010, American Institute of Physics.
SHAPE-MEMORY POLYMER BASED COMPOSITE MATERIALS AND THEIR APPLICATIONS
SY. Du1*, JS. Leng1 1 Centre for Composite Materials and Structures, Harbin Institute of Technology, Harbin, China
* Corresponding author(sydu@hit.edu.cn)
Keywords: shape-memory polymer, composites, smart materials, applications However, the pure SMPs in general exhibit lower strength and stiffness, which limits their use for many applications. The low stiffness produces a small recovery force in the process of temperature transition. Thus incorporation of reinforcing fillers have been investigated to improve the mechanical properties and diversify the applications of SMPs. It was reported increase in elastic modulus, due to the incorporation of SiC. The increase in failure stress and decrease in recovery rate had been demonstrated, as a result of addition of glass fiber. Similar observation was reported for SMPCs by using carbon fiber reinforcement [2].
3 Applications of SMPCs Continuous fiber reinforced SMPCs currently cover a broad range of application areas ranging from outer space to automobiles. Recently, they are being developed and qualified especially for deployable hinges, trusses, antennas and smart mandrels, as well as morphing skin. And a deployable SMPC hinge that consists of two curved shells is placed together in opposing directions [8]. Figure 2 shows the deploy process of the prototype of a solar array actuated by carbon fiber reinforced SMPC hinge. The solar arrays were suspended on a setup that simulated a zero-gravity environment. Applied by a 20 V, the hinge was bent to a storage angle of 90o by