第一篇：新型智能材料(形狀記憶合金)論文

新型智能材料(形狀記憶合金)論文

高分子形狀記憶合金的發(fā)展及趨勢

摘要：本論文主要討論形狀記憶合金相關(guān)內(nèi)容,扼要地敘述了形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)以及發(fā)展歷史和分類, 介紹了形狀記憶合金在工程中應(yīng)用的現(xiàn)狀以及發(fā)展前景。

一、引言

二、形狀記憶合金(Shape Memory Alloy ,SMA)是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經(jīng)塑性形變并固定

成另一種形狀后,通過加熱到某一臨界溫度以上又可恢復(fù)成初始形狀的一類合金。形狀記憶合金具有的能夠記住其原始形狀的功能稱為形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect ,SME)。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形狀變化過程中產(chǎn)生較大回復(fù)應(yīng)變和較大形狀回復(fù)力的,才具有利用價值。到目前為止,應(yīng)用得最多的是Ni2Ti 合金和銅基合金(CuZnAl 和CuAlNi)。

形狀記憶合金作為一種特殊的新型功能材料,是集感知與驅(qū)動于一體的智能材料,因其功能獨特,可以制作小巧玲瓏、高度自動化、性能可靠的元器件而備受矚目,并獲得了廣泛應(yīng)用。

二、形狀記憶合金的發(fā)展史

1932年,瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到“記憶”效應(yīng)，即合金的形狀被改變之后，一旦加熱到一定的躍變溫度時，它又可以魔術(shù)般地變回到原來的形狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金。

1938年。當(dāng)時美國的在Cu-Zn合金小發(fā)現(xiàn)了馬氏體的熱彈件轉(zhuǎn)變。隨后，前蘇聯(lián)對這種行為進(jìn)行了研究。1951年美國的Chang相Read在Au47·5Cd(％原子)合金中發(fā)現(xiàn)了行狀記憶效應(yīng)。這是最早觀察到金屬形狀記憶效應(yīng)的報道。數(shù)年后，Burkhart 在In-Ti 合金中觀察到同樣的現(xiàn)象。然而在當(dāng)時，這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)只被看作是個別材料的特殊現(xiàn)象而未能引起人們足夠的興趣和重視。直至1962年，美國海軍機械研究所r發(fā)現(xiàn)了Ni-Ti合金中的的形狀記憶效應(yīng)，才開創(chuàng)了“形狀記憶”的實用階斷。

1969年，美國一家 公司首次將Ni-Ti合金制成管接頭應(yīng)用于美國F14 戰(zhàn)

斗機上；1970年，美國將Ti-Ni記憶合金絲制成宇宙飛船用天線。這些應(yīng)用大大激勵了國際上對形狀記憶合金的研究與開發(fā)。20世紀(jì)7 年代，相繼開發(fā)出了Ni-Ti 基、Cu-Al2-Ni 基和Cu-Zn-Al 基形狀記憶合金；80 年代開發(fā)出了Fe-Mn-Si 基、不銹鋼基等鐵基形狀記憶合金，由于其成本低廉、加工簡便而引起材料工作者的極大興趣。從20世紀(jì)90 年代至今，高溫形狀記憶合金、寬滯后記憶合金以及記憶合金薄膜等已成為研究熱點。

從SMA 的發(fā)現(xiàn)至今已有四十余年歷史，美國、日本等國家對SMA 的研究和應(yīng)用開發(fā)已較為成熟，同時也較早地實現(xiàn)了SMA 的產(chǎn)業(yè)化。我國從上世紀(jì)70 年代末才開始對SMA 的研究工作，起步較晚，但起點較高。在材料冶金學(xué)方面，特別是實用形狀記憶合金的煉制水平已得到國際學(xué)術(shù)界的公認(rèn)，在應(yīng)用開發(fā)上也有一些獨到的成果。但是，由于研究條件的限制，在SMA 的基礎(chǔ)理論和材料科學(xué)方面的研究我國與國際先進(jìn)水平尚有一定差距，尤其是在SMA 產(chǎn)業(yè)化和工程應(yīng)用方面與國外差距較大。

記憶合金主要分為以下幾種

（1）單程記憶效應(yīng)：

形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。

（2）雙程記憶效應(yīng)：

某些合金加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)。

（3）全程記憶效應(yīng)：

加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤睿Q為全程記憶效應(yīng)。SMA的形狀記憶效應(yīng)源于熱彈性馬氏體相變，這種馬氏體一旦形成，就會隨著溫度下降而繼續(xù)生長，如果溫度上升它又會減少，以完全相反的過程消失。兩項自由能之差作為相變驅(qū)動力。兩項自由能相等的溫度T0稱為平衡溫度。只有當(dāng)溫度低于平衡溫度T0時才會產(chǎn)生馬氏體相變，反之，只有當(dāng)溫度高于平衡溫度T0時才會發(fā)生逆相變。

在SMA中，馬氏體相變不僅由溫度引起，也可以由應(yīng)力引起，這種由應(yīng)力引起的馬氏體相變叫做應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，且相變溫度同應(yīng)力呈線性關(guān)系。

至今為止發(fā)現(xiàn)的記憶合金體系

Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。

形狀記憶合金的歷史只有70多年，開發(fā)迄今不過20余年，但由于其在各領(lǐng)域的特效應(yīng)用，正廣為世人所矚目，被譽為“神奇的功能材料”，其實用價值相當(dāng)廣泛，其應(yīng)用范圍涉及機械、電子、化工、宇航、能源和醫(yī)療等許多領(lǐng)域.二、形狀記憶效應(yīng)的應(yīng)用

迄今為止,形狀記憶合金在空間技術(shù)、醫(yī)療器械、機械器具、電子設(shè)備、能源開發(fā)、汽車工業(yè)及日常生活各方面都得到了廣泛的應(yīng)用,總的來說,按使用特性的不同,可歸納為下面幾類:

(1)自由回復(fù)。

SMA 在馬氏體相時產(chǎn)生塑性形變,溫度升高自由回復(fù)到記憶的形狀。自由回復(fù)的典型例子是人造衛(wèi)星的天線和血栓過濾器。美國航空航天局(NASA)將Ti2Ni 合金板或棒卷成竹筍狀或旋渦狀發(fā)條,收縮后安裝在衛(wèi)星內(nèi)。發(fā)射衛(wèi)星并進(jìn)入軌道后,利用加熱器或太陽能加熱天線,使之向宇宙空間撐開。血栓過濾器把Ni2Ti 合金記憶成網(wǎng)狀,低溫下拉直,通過導(dǎo)管插入靜脈腔,經(jīng)體溫加熱后,形狀變?yōu)榫W(wǎng)狀,可以阻止凝血塊流動。有人設(shè)想,利用形狀記憶合金制作宇宙空間站的可展機構(gòu),即以小體積發(fā)射,于空間展開成所需的形狀,這是很有吸引力的機構(gòu)。

(2)強制回復(fù)。

強制回復(fù)最成功的例子是SMA 管接頭。事先把內(nèi)徑加工成比被接管外徑小4 % ,當(dāng)進(jìn)行連接操作時,首先把管接頭浸泡在液態(tài)空氣中,在低溫保溫狀態(tài)下擴徑后,把被接管從兩端插入,升高溫度,內(nèi)徑回復(fù)到擴徑前的狀態(tài),把被接管牢牢箍緊。利用SMA 制作的腦動脈瘤夾可夾住動脈瘤根部,防止血液流入,使動脈瘤缺血壞死。本田等人用厚度為015mm 的Ti2Ni 板制作的Ag2TiNi 復(fù)合夾滿足小而輕、裝卸簡便等要求,效果良好。此外,類似的用途還有電源連接器、自緊固螺釘、自緊固夾板、固定銷、密封墊圈、接骨板和脊柱側(cè)彎嬌形哈倫頓棒等。

(3)動力裝置。

有些應(yīng)用領(lǐng)域,要求形狀記憶元件在多次循環(huán)往復(fù)運動中對外產(chǎn)生力的作

用。溫度繼電器和溫度保持器、自動干燥箱、電子灶、熱機、衛(wèi)星儀器艙窗門自動啟閉、自動火警警報器、熱敏閥門、液氨泄漏探測器、煤氣安全閥、通風(fēng)管道緊急啟動閘門、自動收進(jìn)煙頭的煙灰盒及人工心臟等都屬于這種應(yīng)用類型。1997 年美國航空航天局(NASA)的科學(xué)家利用長3cm ,直徑0115mm(01006″)的Ni-Ti SMA 驅(qū)動火星探測器上的太陽能電池?fù)醢?加熱SMA ,使其收縮,通過傳動裝置,打開太陽能電池上的玻璃擋板,電池充電。充電結(jié)束后,偏置彈簧重新使擋板復(fù)位。擋板的有效開合可起到防塵的目的。(4)精密控制。

因為SMA 的相變發(fā)生在一定溫度范圍而不是某一固定溫度點,我們往往只利用一部分形狀回復(fù),使機械裝置定位于指定的位姿。微型機器人、昆蟲型生物機械、機器人手抓及微型調(diào)節(jié)器、筆尖記錄器及醫(yī)用內(nèi)窺鏡都屬于這一類。形狀記憶合金用作機器智能人的執(zhí)行器,集傳感、控制、換能、制動于一身,具有仿真性好、控制靈活、動作柔順、無振動噪聲、易于結(jié)構(gòu)微型集成化等優(yōu)點。日本的日立公司已研制出具有13個自由度的能揀取雞蛋的機器人。俄羅斯St1Petersburg 機器人及控制技術(shù)學(xué)院在Cu-Al-Ni 基合金材料的研究基礎(chǔ)上,研制出了擬人機械手(115m 長),其手爪能移動200kg的物體。該研究小組還給出了手爪的精確控制系統(tǒng)。醫(yī)學(xué)上用到的具有多自由度能彎曲轉(zhuǎn)入腸道內(nèi)診斷疾病,進(jìn)行手術(shù)的機器人也屬于這一類型。現(xiàn)有的大腸鏡的直徑為10～20mm ,這種內(nèi)窺鏡的直徑為13mm ,因此它特別適用于作大腸鏡。診斷過程中,醫(yī)生一邊看纖維鏡中的圖象,一邊移動操縱桿給出前端的第1 ,2 節(jié)彎曲角指令和內(nèi)窺鏡前進(jìn)、后退指令,通過計算機進(jìn)行柔性控制,使內(nèi)窺鏡能夠平滑地沿著通路前進(jìn)或后退,大大減小了患者的痛苦,也增加了診斷的準(zhǔn)確性。隨著目前超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展,可進(jìn)一步制成微米級甚至更小的超微仿生物。(5)超彈性應(yīng)用。

SMA 的偽彈性在醫(yī)學(xué)上和日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用,市場上的很多產(chǎn)品都應(yīng)用了SMA 的偽彈性(超彈性)性質(zhì)。主要有牙齒嬌形絲、人工關(guān)節(jié)用自固定桿、接骨用超彈性Ni2Ti 絲、玩具及塑料眼鏡鏡框等。Ni2Ti 絲用于嬌形上,即使應(yīng)變量高達(dá)10 %也不會產(chǎn)生塑性變形,而且應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的過程中,應(yīng)變增大較多時矯正力卻增加很少。故能保持適宜的矯正力,既可保證療

效,也可減輕患者的不適感。

三、存在的問題和研究方向

在SMA 的研究和應(yīng)用中,目前尚存在許多有待解決的問題,例如:(1)由于SMA 的各種功能均依賴于馬氏體相變,需要不斷對其加熱、冷卻及加載、卸載,且材料變化具有遲滯性,因此SMA 只適用于低頻(10Hz 以下)窄帶振動中,這就大大限制了材料的應(yīng)用。

(2)SMA 自身存在損傷和裂紋等缺陷,如何克服這些缺陷,改善材料性能是當(dāng)前迫切需要解決的問題。(3)現(xiàn)有的SMA 機構(gòu)模型在實際工程應(yīng)用中都還存在一些缺陷,如何克服這些缺點,從而精確地模擬出SMA 的材料行為也是一個需要研究的重要課題;

(4)在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面,還需繼續(xù)研究SMA 的生物相容性和細(xì)胞毒性。

(5)SMA 作為一種新型功能材料,其加工和制備工藝較難控制,目前還沒有形成一條SMA 自動生產(chǎn)線,此外材料成本也相當(dāng)昂貴。

(6)為了提高應(yīng)用水平,SMA 元器件還需要進(jìn)一步微型化,提高反應(yīng)速度和控制精度,在這方面仍有許多工作要做。

SMA 研究今后的發(fā)展方向和趨勢可歸納為以下幾方面:

(1)充分發(fā)掘、改進(jìn)和完善現(xiàn)有SMA 的性能;(2)研究開發(fā)新的具有形狀記憶效應(yīng)的合金材料;(3)SMA 薄膜的研究與應(yīng)用;(4)SMA 智能復(fù)合材料的研究與開發(fā);(5)高溫SMA 的開發(fā)。

四、前景展望

在形狀記憶合金的實用化進(jìn)程中,急需積累并分析關(guān)于材料特性、功能可靠性、生物相容性和細(xì)胞毒性等方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。可以預(yù)言,隨著對SMA 研究的進(jìn)一步深化,傳統(tǒng)的機電一體化系統(tǒng)完全有可能發(fā)展成為材料電子一體化系統(tǒng)。

?

用途：航天領(lǐng)域在室溫下用形狀記憶合金制成拋物面天線，然后把它揉成直徑5厘

米以下的小團，放入阿波羅11號的艙內(nèi)，在月面上經(jīng)太陽光的照射加熱使它恢復(fù)到原來的拋物面形狀。這樣就能用空間有限的火箭艙運送體積龐大的天線

了。1)汽車：后霧燈罩、手動變速箱的防噪音裝置、燃料蒸發(fā)氣體排出控制閥；(2)電子設(shè)備：電子爐灶換氣門的開閉器、空調(diào)風(fēng)向自動調(diào)節(jié)器、咖啡牛奶沸騰感知器、電飯鍋壓力調(diào)節(jié)器、電磁調(diào)理器過熱感知器、溫泉浴池調(diào)理器等；(3)安全器具：過熱報警器、火災(zāi)報警器、煙灰缸滅火栓等；(4)醫(yī)療方面：人工牙根、牙齒矯正絲、導(dǎo)線等；(5)生活用品：自動干燥庫門開閉器、衛(wèi)生間洗滌器水管轉(zhuǎn)換開關(guān)、空調(diào)進(jìn)出口風(fēng)向調(diào)節(jié)器、浴池保溫器、玩具、路標(biāo)方向指示轉(zhuǎn)換器、家庭換氣門開閉器、防火擋板、凈水器熱水防止閥、恒溫箱混合水栓溫度調(diào)節(jié)閥、眼鏡固定件、眼鏡框架、胸罩絲、釣魚線、便攜電話天線、裝飾品等。

五、結(jié)語

記憶合金目前已發(fā)展到幾十種，在航空、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域有著用途，而且發(fā)展趨勢十分可觀。這些研究表明我們已經(jīng)做出了一個邁步，但我們需要將這一步邁的更大。加以時日，它將大展宏圖、造福于人類。

參考文獻(xiàn)：

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第二篇：新型智能材料(形狀記憶合金)論文（范文）

鐵素體、奧氏體、馬氏體

組成鐵碳合金的鐵具有兩種晶格結(jié)構(gòu)：910℃以下為具有體心立方晶格結(jié)構(gòu)的α——鐵，910℃以上為具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)的Υ——鐵。如果碳原子擠到鐵的晶格中去，而又不破壞鐵所具有的晶格結(jié)構(gòu)，這樣的物質(zhì)稱為固溶體。碳溶解到α——鐵中形成的固溶體稱鐵素體。而碳溶解到Υ——鐵中形成的固溶體則稱奧氏體。奧氏體是鐵碳合金的高溫相。

鋼在高溫時所形成的奧氏體，過冷到727℃以下時變成不穩(wěn)定的過冷奧氏體。如以極大的冷卻速度過冷到230℃以下，這時奧氏體中的碳原子已無擴散的可能，奧氏體將直接轉(zhuǎn)變成一種含碳過飽和的α固溶體，稱為馬氏體。由于含碳量過飽和，引起馬氏體強度和硬度提高、塑性降低，脆性增大。

高分子形狀記憶合金的發(fā)展及趨勢

摘要：本論文主要討論形狀記憶合金相關(guān)內(nèi)容,扼要地敘述了形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)以及發(fā)展歷史和分類, 介紹了形狀記憶合金在工程中應(yīng)用的現(xiàn)狀以及發(fā)展前景。引言

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy ,SMA)是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經(jīng)塑性形變并固定成另一種形狀后,通過加熱到某一臨界溫度以上又可恢復(fù)成初始形狀的一類合金。形狀記憶合金具有的能夠記住其原始形狀的功能稱為形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect ,SME)。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形狀變化過程中產(chǎn)生較大回復(fù)應(yīng)變和較大形狀回復(fù)力的,才具有利用價值。到目前為止,應(yīng)用得最多的是Ni2Ti 合金和銅基合金(CuZnAl 和CuAlNi)。

形狀記憶合金作為一種特殊的新型功能材料,是集感知與驅(qū)動于一體的智能材料,因其功能獨特,可以制作小巧玲瓏、高度自動化、性能可靠的元器件而備受矚目,并獲得了廣泛應(yīng)用。

二、形狀記憶合金的發(fā)展史

1932年,瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到“記憶”效應(yīng)，即合金的形狀被改變之后，一旦加熱到一定的躍變溫度時，它又可以魔術(shù)般地變回到原來的形狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金。

1938年。當(dāng)時美國的在Cu-Zn合金小發(fā)現(xiàn)了馬氏體的熱彈件轉(zhuǎn)變。隨后，前蘇聯(lián)對這種行為進(jìn)行了研究。1951年美國的Chang相Read在Au47·5Cd(％原子)合金中發(fā)現(xiàn)了行狀記憶效應(yīng)。這是最早觀察到金屬形狀記憶效應(yīng)的報道。數(shù)年后，Burkhart 在In-Ti 合金中觀察到同樣的現(xiàn)象。然而在當(dāng)時，這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)只被看作是個別材料的特殊現(xiàn)象而未能引起人們足夠的興趣和重視。直至1962年，美國海軍機械研究所r發(fā)現(xiàn)了Ni-Ti合金中的的形狀記憶效應(yīng)，才開創(chuàng)了“形狀記憶”的實用階斷。

1969年，美國一家 公司首次將Ni-Ti合金制成管接頭應(yīng)用于美國F14 戰(zhàn)斗機上；1970年，美國將Ti-Ni記憶合金絲制成宇宙飛船用天線。這些應(yīng)用大大激勵了國際上對形狀記憶合金的研究與開發(fā)。20世紀(jì)7 年代，相繼開發(fā)出了Ni-Ti 基、Cu-Al2-Ni 基和Cu-Zn-Al 基形狀記憶合金；80 年代開發(fā)出了Fe-Mn-Si 基、不銹鋼基等鐵基形狀記憶合金，由于其成本低廉、加工簡便而引起材料工作者的極大興趣。從20世紀(jì)90 年代至今，高溫形狀記憶合金、寬滯后記憶合金以及記憶合金薄膜等已成為研究熱點。

從SMA 的發(fā)現(xiàn)至今已有四十余年歷史，美國、日本等國家對SMA 的研究和應(yīng)用開發(fā)已較為成熟，同時也較早地實現(xiàn)了SMA 的產(chǎn)業(yè)化。我國從上世紀(jì)70 年代末才開始對SMA 的研究工作，起步較晚，但起點較高。在材料冶金學(xué)方面，特別是實用形狀記憶合金的煉制水平已得到國際學(xué)術(shù)界的公認(rèn)，在應(yīng)用開發(fā)上也有一些獨到的成果。但是，由于研究條件的限制，在SMA 的基礎(chǔ)理論和材料科學(xué)方面的研究我國與國際先進(jìn)水平尚有一定差距，尤其是在SMA 產(chǎn)業(yè)化和工程應(yīng)用方面與國外差距較大。記憶合金主要分為以下幾種

（1）單程記憶效應(yīng)：

形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。（2）雙程記憶效應(yīng)：

某些合金加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)。（3）全程記憶效應(yīng)： 加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤睿Q為全程記憶效應(yīng)。SMA的形狀記憶效應(yīng)源于熱彈性馬氏體相變，這種馬氏體一旦形成，就會隨著溫度下降而繼續(xù)生長，如果溫度上升它又會減少，以完全相反的過程消失。兩項自由能之差作為相變驅(qū)動力。兩項自由能相等的溫度T0稱為平衡溫度。只有當(dāng)溫度低于平衡溫度T0時才會產(chǎn)生馬氏體相變，反之，只有當(dāng)溫度高于平衡溫度T0時才會發(fā)生逆相變。

在SMA中，馬氏體相變不僅由溫度引起，也可以由應(yīng)力引起，這種由應(yīng)力引起的馬氏體相變叫做應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，且相變溫度同應(yīng)力呈線性關(guān)系。至今為止發(fā)現(xiàn)的記憶合金體系

Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。

形狀記憶合金的歷史只有70多年，開發(fā)迄今不過20余年，但由于其在各領(lǐng)域的特效應(yīng)用，正廣為世人所矚目，被譽為“神奇的功能材料”，其實用價值相當(dāng)廣泛，其應(yīng)用范圍涉及機械、電子、化工、宇航、能源和醫(yī)療等許多領(lǐng)域.二、形狀記憶效應(yīng)的應(yīng)用

迄今為止,形狀記憶合金在空間技術(shù)、醫(yī)療器械、機械器具、電子設(shè)備、能源開發(fā)、汽車工業(yè)及日常生活各方面都得到了廣泛的應(yīng)用,總的來說,按使用特性的不同,可歸納為下面幾類:(1)自由回復(fù)。

SMA 在馬氏體相時產(chǎn)生塑性形變,溫度升高自由回復(fù)到記憶的形狀。自由回復(fù)的典型例子是人造衛(wèi)星的天線和血栓過濾器。美國航空航天局(NASA)將Ti2Ni 合金板或棒卷成竹筍狀或旋渦狀發(fā)條,收縮后安裝在衛(wèi)星內(nèi)。發(fā)射衛(wèi)星并進(jìn)入軌道后,利用加熱器或太陽能加熱天線,使之向宇宙空間撐開。血栓過濾器把Ni2Ti 合金記憶成網(wǎng)狀,低溫下拉直,通過導(dǎo)管插入靜脈腔,經(jīng)體溫加熱后,形狀變?yōu)榫W(wǎng)狀,可以阻止凝血塊流動。有人設(shè)想,利用形狀記憶合金制作宇宙空間站的可展機構(gòu),即以小體積發(fā)射,于空間展開成所需的形狀,這是很有吸引力的機構(gòu)。(2)強制回復(fù)。

強制回復(fù)最成功的例子是SMA 管接頭。事先把內(nèi)徑加工成比被接管外徑小4 % ,當(dāng)進(jìn)行連接操作時,首先把管接頭浸泡在液態(tài)空氣中,在低溫保溫狀態(tài)下擴徑后,把被接管從兩端插入,升高溫度,內(nèi)徑回復(fù)到擴徑前的狀態(tài),把被接管牢牢箍緊。利用SMA 制作的腦動脈瘤夾可夾住動脈瘤根部,防止血液流入,使動脈瘤缺血壞死。本田等人用厚度為015mm 的Ti2Ni 板制作的Ag2TiNi 復(fù)合夾滿足小而輕、裝卸簡便等要求,效果良好。此外,類似的用途還有電源連接器、自緊固螺釘、自緊固夾板、固定銷、密封墊圈、接骨板和脊柱側(cè)彎嬌形哈倫頓棒等。(3)動力裝置。

有些應(yīng)用領(lǐng)域,要求形狀記憶元件在多次循環(huán)往復(fù)運動中對外產(chǎn)生力的作用。溫度繼電器和溫度保持器、自動干燥箱、電子灶、熱機、衛(wèi)星儀器艙窗門自動啟閉、自動火警警報器、熱敏閥門、液氨泄漏探測器、煤氣安全閥、通風(fēng)管道緊急啟動閘門、自動收進(jìn)煙頭的煙灰盒及人工心臟等都屬于這種應(yīng)用類型。1997 年美國航空航天局(NASA)的科學(xué)家利用長3cm ,直徑0115mm(01006″)的Ni-Ti SMA 驅(qū)動火星探測器上的太陽能電池?fù)醢?加熱SMA ,使其收縮,通過傳動裝置,打開太陽能電池上的玻璃擋板,電池充電。充電結(jié)束后,偏置彈簧重新使擋板復(fù)位。擋板的有效開合可起到防塵的目的。(4)精密控制。

因為SMA 的相變發(fā)生在一定溫度范圍而不是某一固定溫度點,我們往往只利用一部分形狀回復(fù),使機械裝置定位于指定的位姿。微型機器人、昆蟲型生物機械、機器人手抓及微型調(diào)節(jié)器、筆尖記錄器及醫(yī)用內(nèi)窺鏡都屬于這一類。形狀記憶合金用作機器智能人的執(zhí)行器,集傳感、控制、換能、制動于一身,具有仿真性好、控制靈活、動作柔順、無振動噪聲、易于結(jié)構(gòu)微型集成化等優(yōu)點。日本的日立公司已研制出具有13個自由度的能揀取雞蛋的機器人。俄羅斯St1Petersburg 機器人及控制技術(shù)學(xué)院在Cu-Al-Ni 基合金材料的研究基礎(chǔ)上,研制出了擬人機械手(115m 長),其手爪能移動200kg的物體。該研究小組還給出了手爪的精確控制系統(tǒng)。醫(yī)學(xué)上用到的具有多自由度能彎曲轉(zhuǎn)入腸道內(nèi)診斷疾病,進(jìn)行手術(shù)的機器人也屬于這一類型。現(xiàn)有的大腸鏡的直徑為10～20mm ,這種內(nèi)窺鏡的直徑為13mm ,因此它特別適用于作大腸鏡。診斷過程中,醫(yī)生一邊看纖維鏡中的圖象,一邊移動操縱桿給出前端的第1 ,2 節(jié)彎曲角指令和內(nèi)窺鏡前進(jìn)、后退指令,通過計算機進(jìn)行柔性控制,使內(nèi)窺鏡能夠平滑地沿著通路前進(jìn)或后退,大大減小了患者的痛苦,也增加了診斷的準(zhǔn)確性。隨著目前超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展,可進(jìn)一步制成微米級甚至更小的超微仿生物。(5)超彈性應(yīng)用。

SMA 的偽彈性在醫(yī)學(xué)上和日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用,市場上的很多產(chǎn)品都應(yīng)用了SMA 的偽彈性(超彈性)性質(zhì)。主要有牙齒嬌形絲、人工關(guān)節(jié)用自固定桿、接骨用超彈性Ni2Ti 絲、玩具及塑料眼鏡鏡框等。Ni2Ti 絲用于嬌形上,即使應(yīng)變量高達(dá)10 %也不會產(chǎn)生塑性變形,而且應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的過程中,應(yīng)變增大較多時矯正力卻增加很少。故能保持適宜的矯正力,既可保證療效,也可減輕患者的不適感。

三、存在的問題和研究方向

在SMA 的研究和應(yīng)用中,目前尚存在許多有待解決的問題,例如:(1)由于SMA 的各種功能均依賴于馬氏體相變,需要不斷對其加熱、冷卻及加載、卸載,且材料變化具有遲滯性,因此SMA 只適用于低頻(10Hz 以下)窄帶振動中,這就大大限制了材料的應(yīng)用。

(2)SMA 自身存在損傷和裂紋等缺陷,如何克服這些缺陷,改善材料性能是當(dāng)前迫切需要解決的問題。

(3)現(xiàn)有的SMA 機構(gòu)模型在實際工程應(yīng)用中都還存在一些缺陷,如何克服這些缺點,從而精確地模擬出SMA 的材料行為也是一個需要研究的重要課題;(4)在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面,還需繼續(xù)研究SMA 的生物相容性和細(xì)胞毒性。

(5)SMA 作為一種新型功能材料,其加工和制備工藝較難控制,目前還沒有形成一條SMA 自動生產(chǎn)線,此外材料成本也相當(dāng)昂貴。

(6)為了提高應(yīng)用水平,SMA 元器件還需要進(jìn)一步微型化,提高反應(yīng)速度和控制精度,在這方面仍有許多工作要做。

SMA 研究今后的發(fā)展方向和趨勢可歸納為以下幾方面:(1)充分發(fā)掘、改進(jìn)和完善現(xiàn)有SMA 的性能;(2)研究開發(fā)新的具有形狀記憶效應(yīng)的合金材料;(3)SMA 薄膜的研究與應(yīng)用;(4)SMA 智能復(fù)合材料的研究與開發(fā);(5)高溫SMA 的開發(fā)。

四、前景展望

在形狀記憶合金的實用化進(jìn)程中,急需積累并分析關(guān)于材料特性、功能可靠性、生物相容性和細(xì)胞毒性等方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。可以預(yù)言,隨著對SMA 研究的進(jìn)一步深化,傳統(tǒng)的機電一體化系統(tǒng)完全有可能發(fā)展成為材料電子一體化系統(tǒng)。用途：航天領(lǐng)域在室溫下用形狀記憶合金制成拋物面天線，然后把它揉成直徑5厘米以下的小團，放入阿波羅11號的艙內(nèi)，在月面上經(jīng)太陽光的照射加熱使它恢復(fù)到原來的拋物面形狀。這樣就能用空間有限的火箭艙運送體積龐大的天線了。1)汽車：后霧燈罩、手動變速箱的防噪音裝置、燃料蒸發(fā)氣體排出控制閥；(2)電子設(shè)備：電子爐灶換氣門的開閉器、空調(diào)風(fēng)向自動調(diào)節(jié)器、咖啡牛奶沸騰感知器、電飯鍋壓力調(diào)節(jié)器、電磁調(diào)理器過熱感知器、溫泉浴池調(diào)理器等；(3)安全器具：過熱報警器、火災(zāi)報警器、煙灰缸滅火栓等；(4)醫(yī)療方面：人工牙根、牙齒矯正絲、導(dǎo)線等；(5)生活用品：自動干燥庫門開閉器、衛(wèi)生間洗滌器水管轉(zhuǎn)換開關(guān)、空調(diào)進(jìn)出口風(fēng)向調(diào)節(jié)器、浴池保溫器、玩具、路標(biāo)方向指示轉(zhuǎn)換器、家庭換氣門開閉器、防火擋板、凈水器熱水防止閥、恒溫箱混合水栓溫度調(diào)節(jié)閥、眼鏡固定件、眼鏡框架、胸罩絲、釣魚線、便攜電話天線、裝飾品等。

五、結(jié)語

記憶合金目前已發(fā)展到幾十種，在航空、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域有著用途，而且發(fā)展趨勢十分可觀。這些研究表明我們已經(jīng)做出了一個邁步，但我們需要將這一步邁的更大。加以時日，它將大展宏圖、造福于人類。崔海寧.形狀記憶合金在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].山西建筑, 20062 高志剛.形狀記憶合金的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備, 20073 吳根華.形狀記憶合金及其應(yīng)用[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版), 20044 周海鋒.形狀記憶合金及其應(yīng)用[J].機電設(shè)備, 20025 王永前，趙連城.高溫形狀記憶合金研究進(jìn)展[J].功能材料, 19956 楊凱,辜承林.形狀記憶合金的研究與應(yīng)用[J].金屬功能材料, 2000 7 李建忱，呂曉霞，蔣青，周明.形狀記憶合金研究的回顧與前瞻[J].吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 1995 8 張紅，王小杰，涂水華.形狀記憶合金及其應(yīng)用[J].河南科技, 19969 曹運紅.形狀記憶合金的發(fā)展及其在導(dǎo)彈與航天領(lǐng)域的應(yīng)用[J].飛航導(dǎo)彈, 200010 肖恩忠.形狀記憶合金的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].工具技術(shù), 200511 劉建輝, 李寧, 文玉華.形狀記憶合金的應(yīng)用[J].機械,2001 , 28(3): 56～58

第三篇：新型智能材料(形狀記憶合金)論文

高分子形狀記憶合金的發(fā)展及趨勢

摘要：本論文主要討論形狀記憶合金相關(guān)內(nèi)容,扼要地敘述了形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)以及發(fā)展歷史和分類, 介紹了形狀記憶合金在工程中應(yīng)用的現(xiàn)狀以及發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：形狀記憶合金、形狀記憶合金效應(yīng)、應(yīng)用

一、引言

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy ,SMA)是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經(jīng)塑性形變并固定成另一種形狀后,通過加熱到某一臨界溫度以上又可恢復(fù)成初始形狀的一類合金。形狀記憶合金具有的能夠記住其原始形狀的功能稱為形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect ,SME)。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形狀變化過程中產(chǎn)生較大回復(fù)應(yīng)變和較大形狀回復(fù)力的,才具有利用價值。到目前為止,應(yīng)用得最多的是Ni2Ti 合金和銅基合金(CuZnAl 和CuAlNi)。

形狀記憶合金作為一種特殊的新型功能材料,是集感知與驅(qū)動于一體的智能材料,因其功能獨特,可以制作小巧玲瓏、高度自動化、性能可靠的元器件而備受矚目,并獲得了廣泛應(yīng)用。

二、形狀記憶合金的發(fā)展史

1932年,瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到“記憶”效應(yīng)，即合金的形狀被改變之后，一旦加熱到一定的躍變溫度時，它又可以魔術(shù)般地變回到原來的形狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金。

1938年。當(dāng)時美國的在Cu-Zn合金小發(fā)現(xiàn)了馬氏體的熱彈件轉(zhuǎn)變。隨后，前蘇聯(lián)對這種行為進(jìn)行了研究。1951年美國的Chang相Read在Au47·5Cd(％原子)合金中發(fā)現(xiàn)了行狀記憶效應(yīng)。這是最早觀察到金屬形狀記憶效應(yīng)的報道。數(shù)年后，Burkhart 在In-Ti 合金中觀察到同樣的現(xiàn)象。然而在當(dāng)時，這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)只被看作是個別材料的特殊現(xiàn)象而未能引起人們足夠的興趣和重視。直至1962年，美國海軍機械研究所r發(fā)現(xiàn)了Ni-Ti合金中的的形狀記憶效應(yīng)，才開創(chuàng)了“形狀記憶”的實用階斷。

1969年，美國一家 公司首次將Ni-Ti合金制成管接頭應(yīng)用于美國F14 戰(zhàn)斗機上；1970年，美國將Ti-Ni記憶合金絲制成宇宙飛船用天線。這些應(yīng)用大大激勵了國際上對形狀記憶合金的研究與開發(fā)。20世紀(jì)7 年代，相繼開發(fā)出了Ni-Ti 基、Cu-Al2-Ni 基和Cu-Zn-Al 基形狀記憶合金；80 年代開發(fā)出了Fe-Mn-Si 基、不銹鋼基等鐵基形狀記憶合金，由于其成本低廉、加工簡便而引起材料工作者的極大興趣。從20世紀(jì)90 年代至今，高溫形狀記憶合金、寬滯后記憶合金以及記憶合金薄膜等已成為研究熱點。

從SMA 的發(fā)現(xiàn)至今已有四十余年歷史，美國、日本等國家對SMA 的研究和應(yīng)用開發(fā)已較為成熟，同時也較早地實現(xiàn)了SMA 的產(chǎn)業(yè)化。我國從上世紀(jì)70 年代末才開始對SMA 的研究工作，起步較晚，但起點較高。在材料冶金學(xué)方面，特別是實用形狀記憶合金的煉制水平已得到國際學(xué)術(shù)界的公認(rèn)，在應(yīng)用開發(fā)上也有一些獨到的成果。但是，由于研究條件的限制，在SMA 的基礎(chǔ)理論和材料科學(xué)方面的研究我國與國際先進(jìn)水平尚有一定差距，尤其是在SMA 產(chǎn)業(yè)化和工程應(yīng)用方面與國外差距較大。

記憶合金主要分為以下幾種（1）單程記憶效應(yīng)：

形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。（2）雙程記憶效應(yīng)：

某些合金加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)。

（3）全程記憶效應(yīng)：

加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤睿Q為全程記憶效應(yīng)。SMA的形狀記憶效應(yīng)源于熱彈性馬氏體相變，這種馬氏體一旦形成，就會隨著溫度下降而繼續(xù)生長，如果溫度上升它又會減少，以完全相反的過程消失。兩項自由能之差作為相變驅(qū)動力。兩項自由能相等的溫度T0稱為平衡溫度。只有當(dāng)溫度低于平衡溫度T0時才會產(chǎn)生馬氏體相變，反之，只有當(dāng)溫度高于平衡溫度T0時才會發(fā)生逆相變。

在SMA中，馬氏體相變不僅由溫度引起，也可以由應(yīng)力引起，這種由應(yīng)力引起的馬氏體相變叫做應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，且相變溫度同應(yīng)力呈線性關(guān)系。

至今為止發(fā)現(xiàn)的記憶合金體系

Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。

形狀記憶合金的歷史只有70多年，開發(fā)迄今不過20余年，但由于其在各領(lǐng)域的特效應(yīng)用，正廣為世人所矚目，被譽為“神奇的功能材料”，其實用價值相當(dāng)廣泛，其應(yīng)用范圍涉及機械、電子、化工、宇航、能源和醫(yī)療等許多領(lǐng)域。

二、形狀記憶效應(yīng)的應(yīng)用

迄今為止,形狀記憶合金在空間技術(shù)、醫(yī)療器械、機械器具、電子設(shè)備、能源開發(fā)、汽車工業(yè)及日常生活各方面都得到了廣泛的應(yīng)用,總的來說,按使用特性的不同,可歸納為下面幾類:

(1)自由回復(fù)。

SMA 在馬氏體相時產(chǎn)生塑性形變,溫度升高自由回復(fù)到記憶的形狀。自由回復(fù)的典型例子是人造衛(wèi)星的天線和血栓過濾器。美國航空航天局(NASA)將Ti2Ni 合金板或棒卷成竹筍狀或旋渦狀發(fā)條,收縮后安裝在衛(wèi)星內(nèi)。發(fā)射衛(wèi)星并進(jìn)入軌道后,利用加熱器或太陽能加熱天線,使之向宇宙空間撐開。血栓過濾器把Ni2Ti 合金記憶成網(wǎng)狀,低溫下拉直,通過導(dǎo)管插入靜脈腔,經(jīng)體溫加熱后,形狀變?yōu)榫W(wǎng)狀,可以阻止凝血塊流動。有人設(shè)想,利用形狀記憶合金制作宇宙空間站的可展機構(gòu),即以小體積發(fā)射,于空間展開成所需的形狀,這是很有吸引力的機構(gòu)。

(2)強制回復(fù)。

強制回復(fù)最成功的例子是SMA 管接頭。事先把內(nèi)徑加工成比被接管外徑小4 % ,當(dāng)進(jìn)行連接操作時,首先把管接頭浸泡在液態(tài)空氣中,在低溫保溫狀態(tài)下擴徑后,把被接管從兩端插入,升高溫度,內(nèi)徑回復(fù)到擴徑前的狀態(tài),把被接管牢牢箍緊。利用SMA 制作的腦動脈瘤夾可夾住動脈瘤根部,防止血液流入,使動脈瘤缺血壞死。本田等人用厚度為015mm 的Ti2Ni 板制作的Ag2TiNi 復(fù)合夾滿足小而輕、裝卸簡便等要求,效果良好。此外,類似的用途還有電源連接器、自緊固螺釘、自緊固夾板、固定銷、密封墊圈、接骨板和脊柱側(cè)彎嬌形哈倫頓棒等。

(3)動力裝置。

有些應(yīng)用領(lǐng)域,要求形狀記憶元件在多次循環(huán)往復(fù)運動中對外產(chǎn)生力的作用。溫度繼電器和溫度保持器、自動干燥箱、電子灶、熱機、衛(wèi)星儀器艙窗門自動啟閉、自動火警警報器、熱敏閥門、液氨泄漏探測器、煤氣安全閥、通風(fēng)管道緊急啟動閘門、自動收進(jìn)煙頭的煙灰盒及人工心臟等都屬于這種應(yīng)用類型。1997 年美國航空航天局(NASA)的科學(xué)家利用長3cm ,直徑0115mm(01006″)的Ni-Ti SMA 驅(qū)動火星探測器上的太陽能電池?fù)醢?加熱SMA ,使其收縮,通過傳動裝置,打開太陽能電池上的玻璃擋板,電池充電。充電結(jié)束后,偏置彈簧重新使擋板復(fù)位。擋板的有效開合可起到防塵的目的。

(4)精密控制。

因為SMA 的相變發(fā)生在一定溫度范圍而不是某一固定溫度點,我們往往只利用一部分形狀回復(fù),使機械裝置定位于指定的位姿。微型機器人、昆蟲型生物機械、機器人手抓及微型調(diào)節(jié)器、筆尖記錄器及醫(yī)用內(nèi)窺鏡都屬于這一類。形狀記憶合金用作機器智能人的執(zhí)行器,集傳感、控制、換能、制動于一身,具有仿真性好、控制靈活、動作柔順、無振動噪聲、易于結(jié)構(gòu)微型集成化等優(yōu)點。日本的日立公司已研制出具有13個自由度的能揀取雞蛋的機器人。俄羅斯St1Petersburg 機器人及控制技術(shù)學(xué)院在Cu-Al-Ni 基合金材料的研究基礎(chǔ)上,研制出了擬人機械手(115m 長),其手爪能移動200kg的物體。該研究小組還給出了手爪的精確控制系統(tǒng)。醫(yī)學(xué)上用到的具有多自由度能彎曲轉(zhuǎn)入腸道內(nèi)診斷疾病,進(jìn)行手術(shù)的機器人也屬于這一類型。現(xiàn)有的大腸鏡的直徑為10～20mm ,這種內(nèi)窺鏡的直徑為13mm ,因此它特別適用于作大腸鏡。診斷過程中,醫(yī)生一邊看纖維鏡中的圖象,一邊移動操縱桿給出前端的第1 ,2 節(jié)彎曲角指令和內(nèi)窺鏡前進(jìn)、后退指令,通過計算機進(jìn)行柔性控制,使內(nèi)窺鏡能夠平滑地沿著通路前進(jìn)或后退,大大減小了患者的痛苦,也增加了診斷的準(zhǔn)確性。隨著目前超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展,可進(jìn)一步制成微米級甚至更小的超微仿生物。

(5)超彈性應(yīng)用。

SMA 的偽彈性在醫(yī)學(xué)上和日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用,市場上的很多產(chǎn)品都應(yīng)用了SMA 的偽彈性(超彈性)性質(zhì)。主要有牙齒嬌形絲、人工關(guān)節(jié)用自固定桿、接骨用超彈性Ni2Ti 絲、玩具及塑料眼鏡鏡框等。Ni2Ti 絲用于嬌形上,即使應(yīng)變量高達(dá)10 %也不會產(chǎn)生塑性變形,而且應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的過程中,應(yīng)變增大較多時矯正力卻增加很少。故能保持適宜的矯正力,既可保證療效,也可減輕患者的不適感。

三、存在的問題和研究方向

在SMA 的研究和應(yīng)用中,目前尚存在許多有待解決的問題,例如:(1)由于SMA 的各種功能均依賴于馬氏體相變,需要不斷對其加熱、冷卻及加載、卸載,且材料變化具有遲滯性,因此SMA 只適用于低頻(10Hz 以下)窄帶振動中,這就大大限制了材料的應(yīng)用。

(2)SMA 自身存在損傷和裂紋等缺陷,如何克服這些缺陷,改善材料性能是當(dāng)前迫切需要解決的問題。

(3)現(xiàn)有的SMA 機構(gòu)模型在實際工程應(yīng)用中都還存在一些缺陷,如何克服這些缺點,從而精確地模擬出SMA 的材料行為也是一個需要研究的重要課題;(4)在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面,還需繼續(xù)研究SMA 的生物相容性和細(xì)胞毒性。(5)SMA 作為一種新型功能材料,其加工和制備工藝較難控制,目前還沒有形成一條SMA 自動生產(chǎn)線,此外材料成本也相當(dāng)昂貴。

(6)為了提高應(yīng)用水平,SMA 元器件還需要進(jìn)一步微型化,提高反應(yīng)速度和控制精度,在這方面仍有許多工作要做。

SMA 研究今后的發(fā)展方向和趨勢可歸納為以下幾方面:(1)充分發(fā)掘、改進(jìn)和完善現(xiàn)有SMA 的性能;(2)研究開發(fā)新的具有形狀記憶效應(yīng)的合金材料;(3)SMA 薄膜的研究與應(yīng)用;(4)SMA 智能復(fù)合材料的研究與開發(fā);(5)高溫SMA 的開發(fā)。

四、前景展望

在形狀記憶合金的實用化進(jìn)程中,急需積累并分析關(guān)于材料特性、功能可靠性、生物相容性和細(xì)胞毒性等方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。可以預(yù)言,隨著對SMA 研究的進(jìn)一步深化,傳統(tǒng)的機電一體化系統(tǒng)完全有可能發(fā)展成為材料電子一體化系統(tǒng)。

五、結(jié)語

記憶合金目前已發(fā)展到幾十種，在航空、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域有著用途，而且發(fā)展趨勢十分可觀。這些研究表明我們已經(jīng)做出了一個邁步，但我們需要將這一步邁的更大。加以時日，它將大展宏圖、造福于人類。

參考文獻(xiàn) 崔海寧.形狀記憶合金在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].山西建筑, 2006 2 高志剛.形狀記憶合金的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備, 2007 3 吳根華.形狀記憶合金及其應(yīng)用[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版), 2004 4 周海鋒.形狀記憶合金及其應(yīng)用[J].機電設(shè)備, 2002 5 王永前，趙連城.高溫形狀記憶合金研究進(jìn)展[J].功能材料, 1995 6 楊凱,辜承林.形狀記憶合金的研究與應(yīng)用[J].金屬功能材料, 2000 7 李建忱，呂曉霞，蔣青，周明.形狀記憶合金研究的回顧與前瞻[J].吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 1995 8 張紅，王小杰，涂水華.形狀記憶合金及其應(yīng)用[J].河南科技, 1996 9 曹運紅.形狀記憶合金的發(fā)展及其在導(dǎo)彈與航天領(lǐng)域的應(yīng)用[J].飛航導(dǎo)彈, 2000 10 肖恩忠.形狀記憶合金的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].工具技術(shù), 2005 11 劉建輝, 李寧, 文玉華.形狀記憶合金的應(yīng)用[J].機械,2001 , 28(3): 56～58

第四篇：國內(nèi)銅基形狀記憶合金研究與應(yīng)用概況(智能傳輸材料系列之一)

智能傳輸材料系列之一

國內(nèi)銅基形狀記憶合金研究與應(yīng)用概況

一、概述

銅基形狀記憶合金因制造加工容易，價格便宜，具有良好的記憶性能，相變點在一點溫度范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)等優(yōu)點，成為形狀記憶合金領(lǐng)域研究和使用的熱點。

銅基形狀記憶合金主要由銅-鋅（Cu-Zn）和銅-鋁（Cu-Al）兩個二元系發(fā)展而來。現(xiàn)在通過第三元素加入，有效地提高形狀形狀記憶合金的相變溫度，發(fā)展出一系列Cu-Zn-X，Cu-Al-X（X為其他金屬元素）三元合金。經(jīng)梳理，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)具有形狀記憶效應(yīng)的合金至少有以下幾種：

銅-鋅（Cu-Zn）、銅-鋁（Cu-Al）、銅-鋅-鋁（Cu-Zn-Al）、銅-鋅-鎳（Cu-Zn-Ni）、銅-鋅-錳（Cu-Zn-Mn）、銅-鋅-鈹（Cu-Zn-Be）、銅-鋅-錫（Cu-Zn-Sn）、銅-鋅-硅（Cu-Zn-Si）、銅-鋅-鍺（Cu-Zn-Ge）、銅-鋁-鎳（Cu-Al-Ni）等。

其中銅-鋅-鋁、銅-鋅-鎳已商品化，銅-鋅-錳、銅-鋅-鈹正在商品化。

二、科研實力分析

以下從2015、2014、2013年以來在國內(nèi)期刊發(fā)表文章及在國家知識產(chǎn)權(quán)局申請與授權(quán)專利兩個方面具體分析銅基形狀記憶合金各高校、科研院所與企業(yè)的研究與應(yīng)用情況。

從知網(wǎng)、維普、萬方數(shù)據(jù)庫關(guān)鍵詞“銅&（且）形狀記憶合金” 搜索結(jié)果來看，表1：

領(lǐng)域與方向 冶金工程 機械工程 核科學(xué)與技術(shù) 土木工程 兵器科學(xué)與技術(shù) 航空宇航 建筑學(xué) 臨床醫(yī)學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù) 力學(xué) 化學(xué) 物理 其他 2015年（篇）28 12 11 8 319 5 7 46 141

2014年（篇）98 52 21 1912 13 52 1631-61 40 89 49 52 180 879 注：因2015年部分期刊還未刊登電子版，檢索會不全面。

從核心文章被引用次數(shù)及文章數(shù)目來看，集中在中南大學(xué)（譚樹松，22篇，被引99次）、西北有色金屬研究院（楊冠軍，121篇，被引817次）、廣東工業(yè)大學(xué)（黎沃光，53篇，被引344次）、華中理工大學(xué)（鄒靜，15篇，被引136次）、哈爾濱工業(yè)大學(xué)（雷廷權(quán)、趙連城）、上海交通大學(xué)（徐祖耀）、大連理工大學(xué)（楊大智、梁成浩）、江蘇大學(xué)等。另外，中南大學(xué)出版目前國內(nèi)唯一專門圖書《銅基形狀記憶合金材料》。

從上述高校及科研院所進(jìn)一步檢索，2015年以來，中南大學(xué)（含合并前中南工業(yè)大學(xué)）發(fā)163篇，西北有色金屬研究院151篇，清華大學(xué)123篇，浙江大學(xué)114篇，華中理工大學(xué)101篇，北京科技大學(xué)56篇，哈爾濱工業(yè)大學(xué)59篇，江蘇大學(xué)39篇。本省合肥工業(yè)大學(xué)35篇。

截止2016年2月4日，從國家知識產(chǎn)權(quán)局專利檢索關(guān)鍵詞“銅形狀記憶合金” 搜索結(jié)果來看，總合計專利8件。表2：

申請日期

2015.5.12 2015.02.04 2012.08.30 2011.08.03 2008.01.24 2007.10.24 2005.12.22 1990.05.31

專利名稱

一種銅基形狀記憶合金及其制備方法和用途 多孔銅基形狀記憶合金的等徑角擠扭法制備工藝 多孔銅基形狀記憶合金基阻尼復(fù)合材料的制備方法 高性能銅基形狀記憶合金材料

連續(xù)鑄造銅基形狀記憶合金絲的設(shè)備及其方法

熱型連鑄獲得的銅基形狀記憶合金的超彈記憶熱處理方法 寬滯后銅基形狀記憶合金管接頭制備方法 銅基形狀記憶合金

申請（專利）人

無錫源創(chuàng)機械科技有限公司 九江學(xué)院 河北工業(yè)大學(xué)

界首市楓慧金屬有限公司 黎沃光

江陰中裕科技發(fā)展有限公司 中南大學(xué)

甘肅省機械科學(xué)研究院

截止2016年2月4日，從國家知識產(chǎn)權(quán)局專利檢索關(guān)鍵詞“銅基記憶” 搜索結(jié)果來看，總合計專利7件。表3：

申請日期

2015.05.19 2015.05.19 2013.08.16 2013.08.09 2013.08.04 2013.08.04 2013.03.29

專利名稱

一種銅基記憶合金補貼管及其制備方法、補貼方法和用途 一種銅基記憶合金補貼管

提高M(jìn)s為66℃的銅基記憶合金滯回耗能的熱處理工藝 銅基記憶合金在酸性介質(zhì)下滾動磨損性能的熱處理方法 Ms為130℃的銅基記憶合金滯回耗能的熱處理工藝 提高冷熱循環(huán)下銅基記憶合金塑性滯回耗能的熱處理工藝 一種制備銅基記憶合金的分級淬火工藝

申請（專利）人

無錫源創(chuàng)機械科技有限公司 無錫源創(chuàng)機械科技有限公司 鎮(zhèn)江憶諾唯記憶合金有限公司 鎮(zhèn)江憶諾唯記憶合金有限公司 鎮(zhèn)江憶諾唯記憶合金有限公司 鎮(zhèn)江憶諾唯記憶合金有限公司 合肥工業(yè)大學(xué)；界首市楓慧金屬有限公司

截止2016年2月4日，從國家知識產(chǎn)權(quán)局專利檢索關(guān)鍵詞“銅-鋅-鋁” 搜索結(jié)果來看，總合計專利1件。

表4：

申請日期

1990.01.05

專利名稱

可加工成型的金-銅-鋅-鋁形狀記憶合金及其制造方法

申請（專利）人

中山大學(xué)

截止2016年2月4日，從國家知識產(chǎn)權(quán)局專利檢索關(guān)鍵詞“銅-鋁” 搜索結(jié)果來看，總合計專利1件。

表5：

申請日期

2007.07.20

專利名稱

銅-鋁-錳-鈹記憶超彈性合金及其生產(chǎn)方法

申請（專利）人

江陰中裕科技發(fā)展有限公司

三、相關(guān)高校與企業(yè)概況及研究方向

1、中南大學(xué)

中南大學(xué)由原湖南醫(yī)科大學(xué)、長沙鐵道學(xué)院與中南工業(yè)大學(xué)于2000年4月合并組建而成。而中南工業(yè)大學(xué)是中國有色金屬工業(yè)總公司直屬高校，在有色金屬科研領(lǐng)域有著雄厚的實力。該校材料科學(xué)與工程學(xué)院，擁有材料科學(xué)與工程國家一級重點學(xué)科，及三個3個國家二級重點學(xué)科，并與粉末冶金研究院共建“粉末冶金國家重點實驗室”和“輕質(zhì)高強國防重點實驗室”，擁有教育部“有色金屬材料科學(xué)與工程重點實驗室”和湖南省“有色、稀有金屬材料科學(xué)與工程重點實驗室”以及科技部“中俄新材料產(chǎn)業(yè)化技術(shù)中心”和“中澳輕金屬國際研究中心”，并于2013年首批進(jìn)入國家2011協(xié)同創(chuàng)新中心計劃。現(xiàn)有中國科學(xué)院院士1人，中國工程院院士3人，“973計劃”項目首席科學(xué)家2人次、外專千人學(xué)者、千人學(xué)者3人。學(xué)院在院博士后、博士生、碩士生近1000人。

從搜索文章及專利分析，該校在銅基形狀記憶合金領(lǐng)域研究方向集中在冶金工程方面，尤其是制備、高溫及相變研究、耐熱性、繼電器用彈性減振復(fù)合板、彈簧元件等。

2、西北有色金屬研究院

西北有色金屬研究院是我國重要的稀有金屬材料研究基地和行業(yè)技術(shù)開發(fā)中心、是國內(nèi)稀有金屬科研生產(chǎn)基地、稀有金屬材料加工國家工程研究中心、金屬多孔材料國家重點實驗室、超導(dǎo)材料制備國家工程實驗室、中國有色金屬工業(yè)西北質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心、層狀金屬復(fù)合材料國家地方聯(lián)合工程研究中心等的依托單位，地處西安。現(xiàn)有資產(chǎn)總值65.97億元，正式職工2977人，中國工程院院士1人，教授、高工200多人。

該院已成為一個由具有較強綜合科技實力的國家級重點研究院、工程研究中心和若干產(chǎn)業(yè)化公司組成的大型科技集團，形成了基礎(chǔ)研究、工程化和產(chǎn)業(yè)化“三位一體”的發(fā)展模式。已組建了15個研究所及中心，建設(shè)了23個和省級研究中心及平臺，共獲得1100余項科研成果獎和860項專有與專利技術(shù)。同時，研究院加強成果轉(zhuǎn)化及工程化工作，共開發(fā)試制新產(chǎn)品10000多項。還十分注重科技產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，發(fā)起組建了25個控股參股的高新技術(shù)企業(yè)，形成了國內(nèi)最大的稀有金屬新材料科研、生產(chǎn)基地。2014年全院綜合收入76.32億元。

從搜索文章及專利分析，該院在銅基形狀記憶合金領(lǐng)域研究方向集中在冶金與機械工程方面，尤其是汽車上使用、軋制、熱處理、記憶薄膜、相變、時效及熱循環(huán)、及稀有金屬的添加對銅基形狀記憶合金的影響。

3、清華大學(xué)

清華大學(xué)材料學(xué)院師資力量雄厚，現(xiàn)有教授/研究員44人（含兩院院士7人，千人計劃5人）。學(xué)院設(shè)有新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點實驗室﹑先進(jìn)材料教育部重點實驗室﹑先進(jìn)成形制造教育部重點實驗室、北京電子顯微鏡中心、“先進(jìn)材料”國家實驗教學(xué)示范中心、材料科學(xué)與工程研究院中心實驗室等國內(nèi)一流的教學(xué)科研平臺。

清華大學(xué)的銅基形狀記憶合金研究側(cè)重于醫(yī)學(xué)及核科學(xué)與技術(shù)。

4、浙江大學(xué) 浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院現(xiàn)有一個國家一級重點學(xué)科，并建有硅材料國家重點實驗室、表面與結(jié)構(gòu)改性無機功能材料教育部工程研究中心、浙江省電鏡中心、浙江省電池新材料與應(yīng)用技術(shù)研究重點實驗室、浙江省新型信息材料技術(shù)研究重點實驗室。有中國科學(xué)院院士2人，國家千人計劃專家5人，浙江省特級專家3人，教育部“長江學(xué)者” 4人、國家杰出青年基金獲得者6人。

浙江大學(xué)的研究側(cè)重于合金的記憶性能、合金彈簧元件形狀記憶衰減、耐腐蝕性、力學(xué)性能、傳感器技術(shù)、溫控閥門、密封件等。

5、合肥工業(yè)大學(xué)

該校材料學(xué)院擁有一級學(xué)科博士點及3 個安徽省重點學(xué)科。學(xué)院擁有有色金屬與加工技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，教育部高性能銅合金材料及成形加工工程研究中心、機械工業(yè)銅合金及成形加工重點實驗室、安徽省有色金屬成形加工工程實驗室、安徽省粉末冶金工程技術(shù)研究中心、安徽省先進(jìn)功能材料與器件重點實驗室等6 個學(xué)科基地。其中教授、研究員31 人，其中有教育部長江學(xué)者特聘教授1 人，國家優(yōu)秀青年基金獲得者1 人。

合肥工業(yè)大學(xué)的研究側(cè)重在先進(jìn)電子功能材料方面，相變內(nèi)耗、熱處理、耐熱性、力學(xué)性能、焊接等。

6、安徽界首市楓慧金屬有限公司

安徽楓慧金屬股份有限公司是一家以生產(chǎn)鋁板、涂層鋁卷、鋁塑復(fù)合板以及高性能銅基形狀記憶合金、高強度鋁合金研發(fā)為主的現(xiàn)代化企業(yè)，2007年公司建成投產(chǎn)，總投資8000萬元。現(xiàn)已建成標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)廠房及配套車間28000平方米，年可生產(chǎn)、加工各種鋁板帶5萬噸，以及涂層鋁卷、鋁塑復(fù)合板等8萬噸，年出口創(chuàng)匯1億美元。二期項目實施后可年產(chǎn)3萬噸鋁板帶和鋁箔高效生產(chǎn)項目及“新型高性能形狀記憶合金材料及元件”研發(fā)項目。

7、無錫創(chuàng)源機械有限公司

公司始創(chuàng)于1985年，主要從事自動扣壓機、液壓油管總成的專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，該公司在液壓系統(tǒng)和氣動自動化領(lǐng)域里有相當(dāng)?shù)脑O(shè)計和制造經(jīng)驗，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷全球36國家和地區(qū)。

第五篇：形狀記憶高分子介紹

形狀記憶高分子介紹

（一）、定義

形狀記憶高分子（Shape Memory Polymer）SMP材料是指具有初始形狀的制品，在一定的條件下改變其初始形狀并固定后,通過外界條件（如熱、光、電、化學(xué)感應(yīng)）等的刺激，又可恢復(fù)其初始形狀的高分子材料。

（二）、聚合物形狀記憶機理

高聚物的各種性能是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的本質(zhì)反映，而聚合物的形狀記憶功能是有其特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。目前開發(fā)的形狀記憶聚合物一般是有保持固定成品形狀的固定相和在某種溫度下能可逆的發(fā)生軟化—硬化的可逆相組成。固定相的作用是初始形狀的記憶和恢復(fù)，第二次變形和固定則是有可逆相來完成。固定相可以是聚合物的交聯(lián)結(jié)構(gòu)、部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)、聚合物的玻璃態(tài)或分子鏈的纏繞等。可逆相則為產(chǎn)生結(jié)晶與結(jié)晶熔融可逆變化的部分結(jié)晶相，或發(fā)生玻璃態(tài)與橡膠態(tài)可逆轉(zhuǎn)變（玻璃化溫度Tg）的相結(jié)構(gòu)。

1． 形狀記憶原理

形狀記憶性是指某種材料在成型加工過程中形成某種固有形狀的物品，在某些條件下發(fā)生變形并被固定下來后，當(dāng)需要它時只要對它施加一定手段（如加熱，光照，通電，化學(xué)處理等），使其迅速恢復(fù)到初始形狀。

也就是說，具有形狀記憶性的物質(zhì)就像有生命的東西，當(dāng)其在成型加工中被塑造成具有某種固有的初始形狀的物品后，就對自己所獲得的這種初始形狀始終保持有終生記憶的特殊功能，即使在某些情況下被迫改變了本來面目，但只要具備了適當(dāng)?shù)臈l件，就會迅速恢復(fù)到原有的初始形狀。

這種可逆性的變化可循環(huán)往復(fù)許多次，甚至幾萬次。高分子材料的形狀記憶性，是通過它所具有的多重結(jié)構(gòu)的相態(tài)變化來實現(xiàn)，如結(jié)晶的形成與熔化，玻璃化與橡膠態(tài)的轉(zhuǎn)化等。迄今開發(fā)的形狀記憶高分子材料都具有兩相結(jié)構(gòu)，即能夠固定和保持其成型物品固有初始形狀的固定相以及在一定條件下能可逆地發(fā)生軟化與固化，從而獲得二次形狀的可逆相。這兩相結(jié)構(gòu)的實質(zhì)就是對應(yīng)著形狀記憶高分子內(nèi)部多重結(jié)構(gòu)中的結(jié)點（如大分子鍵間的纏繞處，聚合物中的晶區(qū)，多相體系中的微區(qū)，多嵌段聚合物中的硬段，分子鍵間的交聯(lián)鍵等）和這些結(jié)點之間的柔性連段。

簡言之，就是由固定相或稱硬相(hard domain)和軟化-硬化可逆相或稱軟相(soft domain)構(gòu)成，通過可逆相的可逆變化而具有形狀記憶效應(yīng)。