传感器与检测技术教学课件作者赵勇第3章节传感器敏感材料及器件35-37课件

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1、3.5形状记忆合金敏感材料形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy，SMA)：利用应力和温度诱发相变的机理来实现形状记忆功能的一类材料。特点是：将已在高温下定型的形状记忆合金置于低温或常温下使其产生变形，当环境温度升高到临界温度(相变点)时，合金的变形消失并可恢复到定型时的原始状态。形状记忆效应(ShapeMemoryEffect，SME)：升温后合金的变形消失、形状复原的现象。图3-68演示了形状记忆合金在复原过程中能释放出巨大能量。形状记忆合金能撑起自重100倍以上的重量，马达的驱动力可达自重的50倍，而蚂蚁和人则分别是20倍和2倍。图3-6

2、8形状记忆合金的举重表演a)形状记忆合金b)电动机c)蚂蚁d)人形状记忆合金主要有三类：TiNi合金、铜基合金、铁基合金。铜基形状记忆合金：成本低，热导率极高，对环境温度反应时间短，极宜于制作热敏元件。Ti-Ni形状记忆合金：可靠性最好，在强度、稳定性、记忆重复性与寿命等方面均优于铜合金；但其加工难、成本高，而且热导率要比铜合金低。铁基合金：成本低、强度高、易加工、易制造。3.5.1形状记忆合金的性能1.形状记忆效应（SME）SME：材料具有记忆其在高温母相状态形状的特性。产生条件：马氏体（M）相变是热弹性的；母相与M相呈有序点阵结构；M内部是孪晶变形

3、；相变在晶体学上完全可逆。Ti-Ni合金的SME分为单程、双程和全程记忆效应。图3-69为单程形状记忆效应和双程形状记忆效应示意图。图3-69单程形状记忆效应和双程形状记忆效应示意图2.超弹性(SE)SE：处于母相A状态的合金在外力作用下产生远大于其弹性极限应变量的应变，卸载后应变可自动恢复的现象。SE的产生有两个条件：一是母相的屈服强度高，以推迟塑性变形；二是变形温度在Af以上，以便应力诱发M在卸载后发生逆相变。从本质上讲，SMA的SE和SME现象不同，机制相似，区别仅在于SE是应力解除后产生M逆相变使形状回复到母相状态，而SME是通过加热产生逆相变

4、回复到母相状态。图3-70为形状记忆合金超弹性的示意图。图3-70形状记忆合金超弹性的示意图。3.生物相容性Ti-Ni合金在医学领域的应用是作为异物器械植入人体，植入体要具备两大性能：生物相容性和生物功能性。Ti-NiSMA密度比不锈钢小，与骨组织相近，比较适合于硬组织修复，弹性模量只是普通不锈钢的1/4，与人骨较为接近，可降低应力遮挡作用，避免骨质疏松，无磁性，可进行核磁共振成像造影，植入人体后不会受外来磁场的影响。4.温度记忆效应(TME)SMA的相转变温度可以在-150℃～200℃之间通过合金的成分和热处理工艺进行调节,相变的四个关键温度点分别为

5、：马氏体结束温度(Mf)，马氏体开始温度(Ms)，奥氏体开始温度(As)，奥氏体结束温度(Af)。在SMA逆相变过程中，如果升温至某一温度Ts(As

6、耐磨涂层。Ti-Ni合金的良好耐磨性与其相变SE及M自适应行为、良好的应变硬化能力、热硬性和抗疲劳性有关。6.阻尼性能Ti-NiSMA作为阻尼材料有其独特优点，可以消除由于时间或环境条件变化带来的老化和硬化问题。该合金的阻尼性能受成分、温度、加工处理、热循环和第三组元等因素的影响。7.疲劳性能SMA在实际应用中常受周期性不规律应力或应变作用，随循环次数的增加、缺陷的积累导致疲劳失效。Ti-NiSMA的疲劳可分为“结构性疲劳”和“功能性疲劳”。8.电阻效应在单一马氏体或母相状态下，Ti-NiSMA的电阻率随温度的变化基本上呈线性变化。在加热过程中，当温度

7、达到M逆转变温度As时，其电阻率显著降低；在冷却过程中，温度降至M相变开始温度Ms时，其电阻率显著增加，利用这种特性可实现结构振动的主动控制。3.5.2TiNb系钛合金在生物医学中的应用无镍β钛合金的形状记忆和超弹性行为的研究取得了显著进展。Ti-Nb-Al、Ti-Nb-Si、Ti-Nb-Sn合金属β型钛合金,具有β→α“热弹马氏体相变特性、形状记忆和超弹性，是代替TiNi的理想的新型生物医用形状记忆合金。TiNbAl与TiNi一样具有超弹性，TiNbAl比其他无Ni形状记忆和超弹性合金具有更优异的机械性能，在口腔复杂的生物化学和物理环境中稳定，非常适

8、合牙齿正畸处理。Ti-Nb-Al、Ti-Nb-Si合金弹性模量低、强度和塑性较高,更适合用作人