形状记忆材料

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1、第七章形状记忆材料形状记亿材料是一种特殊功能材料，这种集感知和驱动于一体的新型材料可以成为智能材料结构，而备受世界瞩目。1951年美国Read等人在Au—Cd合金中首先发现形状记忆效应(ShapeMemoryEffect，简称SME)。1953年在In—T1合金中也发现了同样的现象，但当时未能引起人们的注意！直到1964年布赫列等人发现Ti—Ni合金具有优良的形状记忆性能，并研制成功实用的形状记忆合金“Nitinol”,引起了人们的极大关注，世界各国科学工作者和工程技术人员进行了广泛的理论研究和应用开发。形状记忆合金已广泛用于人造卫星天线、机器人和自动控

2、制系统、仪器仪表、医疗设备和能量转换材料。近年来，又在高分子聚合物、陶瓷材料、超导材料中发现形状记忆效应，而且在性能上各具特色，更加促进了形状记忆材料的发展相应用。第一节形状记忆效应一、形状记忆效应具有一定形状的固体材料，在某一低温状态下经过塑性变形后，通过加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，材料又恢复到初始形状的现象，称为形状记忆效应。具有形状记忆效应的材料称为形状记忆材料。例如，在高温时将处理成一定形状的金属急冷下来，在低温相状态下经塑性变形成另一种形状，然后加热到高温相成为稳定状态的温度时通过马氏体逆相变会恢复到低温塑性变形前的形状。具有这种形

3、状记忆效应的金属，通常是由2种以上的金属元素构成的合金，故称为形状记忆合金(ShapeMemoryAlloys，简称SMA)。形状记忆效应可分为3种类型：单程形状记忆效应、双程形状记忆效应和全程形状记忆效应。图4—l表示3种不同类型形状记忆效应的对照。所谓单程形状记忆效应就是材料在高温下制成某种形状，在低温时将其任意变形，再加热时恢复为高温相形状，而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状。若加热时恢复高温相时的形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降自发可逆的反复恢复高低温相形状的现象称为双程形状记忆效应。当加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相

4、反的高温相形状的现象称为全程形状记忆效应。它是一种特殊的双程形状记忆效应，只能在富Ti-Ni合金中出现。19二、形状记忆效应机理大部分合金和陶瓷记忆材料是通过马氏体相变而呈现形状记忆效应。马氏体相变具有可逆性，将马氏体向高温相（奥氏体）的转变称为逆转变。形状记忆效应是热弹性体马氏体相变产生的低温相在加热时向高温相进行可逆转变的结果。设Ms、Mf分别表示冷却时奥氏体向马氏体转变的开始温度和终了温度，As、Af表示加热时马氏体向奥氏体逆转变的开始温度和终了温度。具有马氏体逆转变，且Ms和As温度相差（称为转变的热滞后）很小的合金，将其冷却到Ms点以下，马氏体

5、晶核随着温度下降而逐渐长大；温度回升时，马氏体相变又反过来同步的随温度上升而缩小，马氏体相的数量随温度的变化而发生变化，这种马氏体称为热弹性马氏体。在Ms以上某一温度对合金施加外力也可以引起马氏体的相转变，所形成的马氏体叫应力诱发马氏体。若热弹性马氏体相变驱动力小，在低于Ms点的温度下，通过降温进行热弹性马氏体相变，从而呈现形状记忆效应。这种特性与参数关系见图4-2。因此，形状记忆效应是热弹性马氏体相变产生的低温相在加热时向高温相进行可逆转变的结果19研究表明，合金呈现形状记忆效应必须具备如下条件：(1)马氏体相交是热弹性的；(2)母相与马氏体相呈现有序

6、点阵结构；(3)马氏体内部是李晶变形的；(4)相变时在晶体学上具有完全可逆性。由于有序点阵结构的母相与马氏体相变的孪生结构具有共格性，在母相→马氏体→母相的转变循环中，母相完全可以恢复原状。这就是单程记忆效应的原因。形状记忆时晶体结构变化的模型如图4-3。形状记忆效应历程可用图4—4表示，图中：1、将母相冷却到Ms点以下进行马氏体相变，形成24种马氏体变体，由于相邻变体可协调地生成，微观上相变应变相互抵消、无宏观变形；2、马氏体受外力作用时(加载)，受体界面移动，相互吞食，形成马氏体单晶、出现宏观变形(ε)；3、由于变形前后马氏体结构没有发生变化，当去除

7、外应力时(卸载)无形状改变；4、当加热高于Af点的温度时，马氏体通过逆转变恢复到母相形状。双程记忆效应和全程记忆效应的机理比较复杂，有许多问题尚未搞清楚。19第二节形状记忆合金迄今为止，人们发现具有形状记忆的合金有50多种。按照合金组成和相变特征，具有较完全形状记忆效应的合金可分为3大系列：钛-镍系形状记忆合金，铜基系形状记忆合金和铁系形状记忆合金。它们的重要性能见下表表4-1部分形状记忆合金性能比较项目量纲Ni-TiCu-Zn-AlCu-Al-NiFe-Mn-Si熔点℃1240--1310950--10201000--10501320密度Kg/m364

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