智能材料和智能结构——形状记忆材料

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1、万方数据◆智能材料和智能结构嘲魏回喝∞鹦摘要：研究了形状记忆材料，如形状记忆合金、陶瓷和聚合物的结构、生产方法、特性和应用。形状记忆材料具有许多优秀的智能特性，例如传感(热、应力和场)、大行程执行器．高阻尼、自适应响应、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：TB381文献标识码：A文章编号：1006

2、-883X(2010)09-0006-07史永基曹慧敏叶芳刘刚田一、引言智能材料、结构和智能材料系统受到人们越来越多的关注【I】，虽然还没有进行严格统一的定义，但是普遍接受的定义为：智能材料是指在其微观结构中具有固有的传感、执行、控制和信息处理功能的材料；智能结构是指内部有传感器和执行器，Fh#l,部计算机或微处理器监测和控制；智能材料和结构可以一定的预定力方式和范围在适当时间响应环境刺激，并在刺激消除后恢复到原来状态【2】。在商用高等材料中，有些材料具有多功能或在其结构中包含着固有的智能性，例如，形状记忆合金、压电陶瓷、

3、光纤、磁(电)致伸缩材料、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。二、形状记忆材料形状记忆材料(SMM)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，SMM具有某些特殊的性质，例如形状记忆效应(SME)、准确性或较大的可恢复冲击应变、高阻尼性和自适应性。SMM中的相变伴随着材料性质的显著变化，例如，应力、弹性模量、阻尼、形状恢复能力、热导率、热胀系数、电阻率、磁导率、柔韧率、蒸汽渗透性、介电常数等，因此，SMM可以自适应外部环境的变化，例如，温度

4、、应力、磁场和电场。一般说来，SMM的应用范围可概括如下：(1)、传感：SMM对外部环境(如热、应力、磁场和电场)的变化非常敏感，因此可用于传感应用。(2)、自适应应用：由于SMM的相变引起其各种性质的显著变化，可广泛应用于智能自适应系统。(3)、开关和控制应用：环境对SMM的刺激必须达到临界值才使其动作，故可用于开关和控制应用。(4)、执行器：SMM的超弹性或准弹性可提供极大位移并为执行器提供巨大动作力，适于执行器应用。(5)、记忆和恢复应用：SMM的形状或其它变化是可逆的，因此可应用于需要记忆和恢复的各种领域。(6)、

5、能量储存和转换：SMM可存储很多能量，因此可应用于下列能量转换：热能，机械能、化学能．机械能、磁能．机械能和电能．机械能。(7)、阻尼：SMM的阻尼特性来源于其特征微结构和相变，大部分SMM都具有较高的固有阻尼性。传感器世界2010．09M．SQrISOtlt,tOnd．∞m．cnWR墨)述甜皇尔T厶‘-万方数据到目前为止已发现各种合金(SMA)、陶瓷(SMC)、’聚合物(形状记忆SMP)和凝胶(SMG)凝胶呈现出SME，其中有些材料已商品化，特别是某些SMM易于制成薄膜、纤维丝、颗粒和多孔材料，可与其他材料一起形成复合材

6、料。三、形状记忆合金SMA到目前为止，已发现的SMA有5000多种，在不同应用领域已申请专利达4500件以上。l、Ti．Ni系统合金SME发现于19世纪50年代，而SMA的工程重要性直到在Ti．Ni合金中发现了SME才受到重视。过去30年对二元Ti．Ni系统合金做了广泛的研究，由于其独特的形状记忆特性、良好的加工性能和优秀的机械性质已成为目前最重要的商用SMA[3巧】。此外，SMA具有非常好的抗腐蚀性和生物相容性，在生物医学领域得到广泛应用【6-8】。Ti．Ni合金易于制成各种形状和大小，可以复合材料的形式制成各种有源元件

7、，尤其是Ti．Ni薄膜、纤维、颗粒和孔体对于MEMS、医用植入器、智能材料和结构系统具有广泛的应用前景【9】。为了满足某些特殊需要又在Ti．Ni合金基础上研发了三元合金。表1二元合金Ti．Ni的典型特征参数熔点～1573K密度6．4-6．5／cm相变温度173～390K相变焓1．46～1．88lcJ／mol相变磁滞20～50恢复应变率<8％(单路效应)；<5％(双路效应)恢复应力<500MPaBil)d系数(Q。1)～10。2拉伸强度800～1100MPa弯曲强度200-800MPa(原始相)：70-200MPa(马丁相)

8、杨氏模量50-90GPa(原始相)：10-35GPa(马丁相)场变模量15-20GPa(原始相)；3．5—5GPa(马丁相)热胀系数10．0～11．0x10。6／K(原始相)：5．8—8．6x10。／K(马丁相)热导率O．18W／cm·K(原始相)；O．086W／cm．K(马丁相)电阻率70~l10岬c