最新形状记忆材料教学讲义PPT课件.ppt

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1、形状记忆材料形状记忆材料1.形状记忆材料的发现历程2.形状记忆材料的概念3.形状记忆效应及其机理4.形状记忆材料分类5.形状记忆材料在微机电及其他领域应用一.形状记忆材料的发现历程三.形状记忆效应具有一定形状（初始形状）的固体材料，在某一低温状态下经过塑性变形后（另一种形状），通过加热到这种材料到固有的某一临界温度以上时，材料又恢复到初始形状，这种效应称为形状记忆效应。通常具有这种效应的材料都可以称为形状记忆材料。形状记忆效应对于普通的金属材料，受到外力作用时，当应力超过屈服强度后，产生塑性变形，应力去除后，塑性变形永

2、久保留下来，不能恢复原状。形状记忆效应，如左图：OA段：弹性变形线性段AB段：非线性段B点处卸载，C点处的残余应变为OC段，将此材料在一定温度下加热，经CO段变形，残余应变为零，材料恢复原来的形状。三种形状记忆效应形状记忆效应按照形状恢复情况可以分为三种：1.单程形状记忆效应2.双程形状记忆效应3.全程形状记忆效应三种形状记忆效应1.单程形状记忆效应：材料在高温下制成某种形状，在低温时将其任意变形，再加热时恢复高温相形状，而重新冷却时不能恢复低温相的形状。2.双程形状记忆效应：双程又称为可逆形状记忆效应。材料加热时恢复

3、高温相形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降自发可逆地反复地恢复高低温相的形状。三种形状记忆效应（a）单程形状记忆效应（b）双程形状记忆效应三种形状记忆效应3.全程形状记忆效应：材料加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的高温相形状。它是一种特殊的双程形状记忆效应，只能在富镍的Ti-Ni（钛镍）合金中出现。三种形状记忆效应全程形状记忆效应：图中为钛镍合金薄条，在100摄氏度的水中呈现节点在上方的球形状如图a，从水中取出时为形状b，在室温时候变成c形状，浸入冰水中变为反向弯曲的d形状，浸入到干冰-酒精液（

4、-40度）时变为节点在下方的与a形状相似的球状e，形状记忆效应的机理大部分合金和陶瓷等记忆材料的形状记忆效应是通过马氏体相变而完成的。也就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。这种可逆转换是具有一定条件的：1.马氏体相变是热弹性的。2.母体与马氏体相呈现有序点阵结构。3.马氏体内部是孪晶变形的。4.相变时在晶体学上具有完全可逆性。形状记忆效应的机理形状记忆过程中晶体结构的变化形状记忆效应的机理形状记忆效应的机理形状记忆效应变化历程图形状记忆材料的分类形状记忆材料形状记忆陶瓷形状记忆合金形状记

5、忆聚合物形状记忆合金具有形状记忆效应的合金叫形状记忆合金（ShapeMemoryAlloy，简称SMA）。它是通过热弹性与马氏体相变及其逆相变而具备有形状记忆效应的由两种以上金属元素所构成的材料。一般金属施加外力使其变形，取消外力或者改变温度，金属通常不能恢复原形；而这种合金在发生形变后，在一定的温度条件下，能够恢复其原来的形状，因此称为“记忆合金”，其恢复功能寿命一般能有百万次以上。形状记忆合金1钛-镍系形状记忆合金:Ti-Ni-Cu,Ti-Ni-Fe,Ti-Ni,Ti-Ni-Pb等合金2铜基系形状记忆合金：Cu-Z

6、n-Al，Cu-Al-Ni，Cu-Au-Zn合金3铁基系形状记忆合金：Fe-Mn-Si-Cr-Ni合金，Fe-Mn-Co-Ti合金形状记忆合金按组成和相变特征又可分为三类：形状记忆合金通过该表我们可以看出，Ni-Ti记忆合金的形状记忆性能最强，而实际中的应用也是最广，最成熟，广泛应用于航空航天，机械，电子，建筑，生物医学等领域。Cu系和Fe系记忆合金的形状记忆功能虽然不如Ni-Ti合金强，但是其原料充足，便于加工，加入其它元素进行改进后，其形状记忆性能得到加强，发展前景也非常好。形状记忆合金形状记忆合金（SMA）特性集

7、传感，驱动，控制，换能于一身机械性质优良，能恢复的形变可高达10%，而一般金属材料只有0.1%以下有确定的转变温度在加热时能产生的回复应力非常大，可以达到500Mpa对环境适应能力强，不受温度以外的其他因素的影响无振动噪声，无污染抗疲劳，回忆变形500万次不会产生疲劳变形形状记忆陶瓷在陶瓷中现已发现两种机制的形状记忆效应：1）和形状记忆合金类似的马氏体相变及逆相变有关的形状记忆。其中，马氏体相变可以是热诱发的，应力诱发的，也可以是外电场（磁场）诱发的。2）粘弹性机制导致的形状恢复。形状记忆陶瓷按照机理形状记忆陶瓷马氏体

8、形状记忆陶瓷铁磁性形状记忆陶瓷铁电形状记忆陶瓷粘弹性形状记忆陶瓷按照形状记忆机理形状记忆陶瓷目前,研究最多的是以氧化锆为主要成分的形状记忆陶瓷。塑性变形温度为0~300度；负荷应力为50~3000MPa；形状记忆效应受CaO、MnO等添加剂的影响。通过调整化学成分,可以控制操作温度。陶瓷形状记忆材料很有可能作为能量储存执行元件和特