智能材料和智能結(jié)構(gòu)——形狀記憶材料

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1、萬方數(shù)據(jù)◆智能材料和智能結(jié)構(gòu)嘲魏回喝∞鸚摘要：研究了形狀記憶材料，如形狀記憶合金、陶瓷和聚合物的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方法、特性和應(yīng)用。形狀記憶材料具有許多優(yōu)秀的智能特性，例如傳感(熱、應(yīng)力和場)、大行程執(zhí)行器．高阻尼、自適應(yīng)響應(yīng)、形狀記憶、超彈性等，可用于各種智能系統(tǒng)。形狀記憶材料中的激勵感應(yīng)相變導致了材料的許多獨特的性能，支配著材料性質(zhì)的顯著變化。討論了改進目前材料系統(tǒng)和研發(fā)新的形狀記憶材料所面臨的技術(shù)障礙和挑戰(zhàn)。關(guān)鍵詞：形狀記憶材料；合金；陶瓷；聚合物；激勵感應(yīng)相變；智能系統(tǒng)中圖分類號：TB381文獻標識碼：A文章編號：1006

2、-883X(2010)09-0006-07史永基曹慧敏葉芳劉剛田一、引言智能材料、結(jié)構(gòu)和智能材料系統(tǒng)受到人們越來越多的關(guān)注【I】，雖然還沒有進行嚴格統(tǒng)一的定義，但是普遍接受的定義為：智能材料是指在其微觀結(jié)構(gòu)中具有固有的傳感、執(zhí)行、控制和信息處理功能的材料；智能結(jié)構(gòu)是指內(nèi)部有傳感器和執(zhí)行器，F(xiàn)h#l,部計算機或微處理器監(jiān)測和控制；智能材料和結(jié)構(gòu)可以一定的預定力方式和范圍在適當時間響應(yīng)環(huán)境刺激，并在刺激消除后恢復到原來狀態(tài)【2】。在商用高等材料中，有些材料具有多功能或在其結(jié)構(gòu)中包含著固有的智能性，例如，形狀記憶合金、壓電陶瓷、

3、光纖、磁(電)致伸縮材料、磁(電)致流變流體和某些功能聚合物。集成和混合高等材料是可獲得具有傳感、控制和多值響應(yīng)本征機理的復合材料。二、形狀記憶材料形狀記憶材料(SMM)是智能復合材料的主要組成部分之一。由于材料內(nèi)部的可逆相變，SMM具有某些特殊的性質(zhì)，例如形狀記憶效應(yīng)(SME)、準確性或較大的可恢復沖擊應(yīng)變、高阻尼性和自適應(yīng)性。SMM中的相變伴隨著材料性質(zhì)的顯著變化，例如，應(yīng)力、彈性模量、阻尼、形狀恢復能力、熱導率、熱脹系數(shù)、電阻率、磁導率、柔韌率、蒸汽滲透性、介電常數(shù)等，因此，SMM可以自適應(yīng)外部環(huán)境的變化，例如，溫度

4、、應(yīng)力、磁場和電場。一般說來，SMM的應(yīng)用范圍可概括如下：(1)、傳感：SMM對外部環(huán)境(如熱、應(yīng)力、磁場和電場)的變化非常敏感，因此可用于傳感應(yīng)用。(2)、自適應(yīng)應(yīng)用：由于SMM的相變引起其各種性質(zhì)的顯著變化，可廣泛應(yīng)用于智能自適應(yīng)系統(tǒng)。(3)、開關(guān)和控制應(yīng)用：環(huán)境對SMM的刺激必須達到臨界值才使其動作，故可用于開關(guān)和控制應(yīng)用。(4)、執(zhí)行器：SMM的超彈性或準彈性可提供極大位移并為執(zhí)行器提供巨大動作力，適于執(zhí)行器應(yīng)用。(5)、記憶和恢復應(yīng)用：SMM的形狀或其它變化是可逆的，因此可應(yīng)用于需要記憶和恢復的各種領(lǐng)域。(6)、

5、能量儲存和轉(zhuǎn)換：SMM可存儲很多能量，因此可應(yīng)用于下列能量轉(zhuǎn)換：熱能，機械能、化學能．機械能、磁能．機械能和電能．機械能。(7)、阻尼：SMM的阻尼特性來源于其特征微結(jié)構(gòu)和相變，大部分SMM都具有較高的固有阻尼性。傳感器世界2010．09M．SQrISOtlt,tOnd．∞m．cnWR墨)述甜皇爾T厶‘-萬方數(shù)據(jù)到目前為止已發(fā)現(xiàn)各種合金(SMA)、陶瓷(SMC)、’聚合物(形狀記憶SMP)和凝膠(SMG)凝膠呈現(xiàn)出SME，其中有些材料已商品化，特別是某些SMM易于制成薄膜、纖維絲、顆粒和多孔材料，可與其他材料一起形成復合材

6、料。三、形狀記憶合金SMA到目前為止，已發(fā)現(xiàn)的SMA有5000多種，在不同應(yīng)用領(lǐng)域已申請專利達4500件以上。l、Ti．Ni系統(tǒng)合金SME發(fā)現(xiàn)于19世紀50年代，而SMA的工程重要性直到在Ti．Ni合金中發(fā)現(xiàn)了SME才受到重視。過去30年對二元Ti．Ni系統(tǒng)合金做了廣泛的研究，由于其獨特的形狀記憶特性、良好的加工性能和優(yōu)秀的機械性質(zhì)已成為目前最重要的商用SMA[3巧】。此外，SMA具有非常好的抗腐蝕性和生物相容性，在生物醫(yī)學領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用【6-8】。Ti．Ni合金易于制成各種形狀和大小，可以復合材料的形式制成各種有源元件

7、，尤其是Ti．Ni薄膜、纖維、顆粒和孔體對于MEMS、醫(yī)用植入器、智能材料和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景【9】。為了滿足某些特殊需要又在Ti．Ni合金基礎(chǔ)上研發(fā)了三元合金。表1二元合金Ti．Ni的典型特征參數(shù)熔點～1573K密度6．4-6．5／cm相變溫度173～390K相變焓1．46～1．88lcJ／mol相變磁滯20～50恢復應(yīng)變率<8％(單路效應(yīng))；<5％(雙路效應(yīng))恢復應(yīng)力<500MPaBil)d系數(shù)(Q。1)～10。2拉伸強度800～1100MPa彎曲強度200-800MPa(原始相)：70-200MPa(馬丁相)

8、楊氏模量50-90GPa(原始相)：10-35GPa(馬丁相)場變模量15-20GPa(原始相)；3．5—5GPa(馬丁相)熱脹系數(shù)10．0～11．0x10。6／K(原始相)：5．8—8．6x10。／K(馬丁相)熱導率O．18W／cm·K(原始相)；O．086W／cm．K(馬丁相)電阻率70~l10岬c