形狀記憶材料

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1、第七章形狀記憶材料形狀記億材料是一種特殊功能材料，這種集感知和驅(qū)動(dòng)于一體的新型材料可以成為智能材料結(jié)構(gòu)，而備受世界矚目。1951年美國(guó)Read等人在Au—Cd合金中首先發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)(ShapeMemoryEffect，簡(jiǎn)稱SME)。1953年在In—T1合金中也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象，但當(dāng)時(shí)未能引起人們的注意！直到1964年布赫列等人發(fā)現(xiàn)Ti—Ni合金具有優(yōu)良的形狀記憶性能，并研制成功實(shí)用的形狀記憶合金“Nitinol”,引起了人們的極大關(guān)注，世界各國(guó)科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員進(jìn)行了廣泛的理論研究和應(yīng)用開發(fā)。形狀記憶合金已廣泛用于人造衛(wèi)星天線、機(jī)器人和自動(dòng)控

2、制系統(tǒng)、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備和能量轉(zhuǎn)換材料。近年來(lái)，又在高分子聚合物、陶瓷材料、超導(dǎo)材料中發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)，而且在性能上各具特色，更加促進(jìn)了形狀記憶材料的發(fā)展相應(yīng)用。第一節(jié)形狀記憶效應(yīng)一、形狀記憶效應(yīng)具有一定形狀的固體材料，在某一低溫狀態(tài)下經(jīng)過(guò)塑性變形后，通過(guò)加熱到這種材料固有的某一臨界溫度以上時(shí)，材料又恢復(fù)到初始形狀的現(xiàn)象，稱為形狀記憶效應(yīng)。具有形狀記憶效應(yīng)的材料稱為形狀記憶材料。例如，在高溫時(shí)將處理成一定形狀的金屬急冷下來(lái)，在低溫相狀態(tài)下經(jīng)塑性變形成另一種形狀，然后加熱到高溫相成為穩(wěn)定狀態(tài)的溫度時(shí)通過(guò)馬氏體逆相變會(huì)恢復(fù)到低溫塑性變形前的形狀。具有這種形

3、狀記憶效應(yīng)的金屬，通常是由2種以上的金屬元素構(gòu)成的合金，故稱為形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloys，簡(jiǎn)稱SMA)。形狀記憶效應(yīng)可分為3種類型：?jiǎn)纬绦螤钣洃浶?yīng)、雙程形狀記憶效應(yīng)和全程形狀記憶效應(yīng)。圖4—l表示3種不同類型形狀記憶效應(yīng)的對(duì)照。所謂單程形狀記憶效應(yīng)就是材料在高溫下制成某種形狀，在低溫時(shí)將其任意變形，再加熱時(shí)恢復(fù)為高溫相形狀，而重新冷卻時(shí)卻不能恢復(fù)低溫相時(shí)的形狀。若加熱時(shí)恢復(fù)高溫相時(shí)的形狀，冷卻時(shí)恢復(fù)低溫相形狀，即通過(guò)溫度升降自發(fā)可逆的反復(fù)恢復(fù)高低溫相形狀的現(xiàn)象稱為雙程形狀記憶效應(yīng)。當(dāng)加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳?/p>

4、反的高溫相形狀的現(xiàn)象稱為全程形狀記憶效應(yīng)。它是一種特殊的雙程形狀記憶效應(yīng)，只能在富Ti-Ni合金中出現(xiàn)。19二、形狀記憶效應(yīng)機(jī)理大部分合金和陶瓷記憶材料是通過(guò)馬氏體相變而呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。馬氏體相變具有可逆性，將馬氏體向高溫相（奧氏體）的轉(zhuǎn)變稱為逆轉(zhuǎn)變。形狀記憶效應(yīng)是熱彈性體馬氏體相變產(chǎn)生的低溫相在加熱時(shí)向高溫相進(jìn)行可逆轉(zhuǎn)變的結(jié)果。設(shè)Ms、Mf分別表示冷卻時(shí)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度和終了溫度，As、Af表示加熱時(shí)馬氏體向奧氏體逆轉(zhuǎn)變的開始溫度和終了溫度。具有馬氏體逆轉(zhuǎn)變，且Ms和As溫度相差（稱為轉(zhuǎn)變的熱滯后）很小的合金，將其冷卻到Ms點(diǎn)以下，馬氏體

5、晶核隨著溫度下降而逐漸長(zhǎng)大；溫度回升時(shí)，馬氏體相變又反過(guò)來(lái)同步的隨溫度上升而縮小，馬氏體相的數(shù)量隨溫度的變化而發(fā)生變化，這種馬氏體稱為熱彈性馬氏體。在Ms以上某一溫度對(duì)合金施加外力也可以引起馬氏體的相轉(zhuǎn)變，所形成的馬氏體叫應(yīng)力誘發(fā)馬氏體。若熱彈性馬氏體相變驅(qū)動(dòng)力小，在低于Ms點(diǎn)的溫度下，通過(guò)降溫進(jìn)行熱彈性馬氏體相變，從而呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。這種特性與參數(shù)關(guān)系見圖4-2。因此，形狀記憶效應(yīng)是熱彈性馬氏體相變產(chǎn)生的低溫相在加熱時(shí)向高溫相進(jìn)行可逆轉(zhuǎn)變的結(jié)果19研究表明，合金呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)必須具備如下條件：(1)馬氏體相交是熱彈性的；(2)母相與馬氏體相呈現(xiàn)有序

6、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；(3)馬氏體內(nèi)部是李晶變形的；(4)相變時(shí)在晶體學(xué)上具有完全可逆性。由于有序點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的母相與馬氏體相變的孿生結(jié)構(gòu)具有共格性，在母相→馬氏體→母相的轉(zhuǎn)變循環(huán)中，母相完全可以恢復(fù)原狀。這就是單程記憶效應(yīng)的原因。形狀記憶時(shí)晶體結(jié)構(gòu)變化的模型如圖4-3。形狀記憶效應(yīng)歷程可用圖4—4表示，圖中：1、將母相冷卻到Ms點(diǎn)以下進(jìn)行馬氏體相變，形成24種馬氏體變體，由于相鄰變體可協(xié)調(diào)地生成，微觀上相變應(yīng)變相互抵消、無(wú)宏觀變形；2、馬氏體受外力作用時(shí)(加載)，受體界面移動(dòng)，相互吞食，形成馬氏體單晶、出現(xiàn)宏觀變形(ε)；3、由于變形前后馬氏體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，當(dāng)去除

7、外應(yīng)力時(shí)(卸載)無(wú)形狀改變；4、當(dāng)加熱高于Af點(diǎn)的溫度時(shí)，馬氏體通過(guò)逆轉(zhuǎn)變恢復(fù)到母相形狀。雙程記憶效應(yīng)和全程記憶效應(yīng)的機(jī)理比較復(fù)雜，有許多問(wèn)題尚未搞清楚。19第二節(jié)形狀記憶合金迄今為止，人們發(fā)現(xiàn)具有形狀記憶的合金有50多種。按照合金組成和相變特征，具有較完全形狀記憶效應(yīng)的合金可分為3大系列：鈦-鎳系形狀記憶合金，銅基系形狀記憶合金和鐵系形狀記憶合金。它們的重要性能見下表表4-1部分形狀記憶合金性能比較項(xiàng)目量綱Ni-TiCu-Zn-AlCu-Al-NiFe-Mn-Si熔點(diǎn)℃1240--1310950--10201000--10501320密度Kg/m364

8、00--65007800--80007100—72007200電阻率10—6Ω0