形状记忆合金论文

报告题目：形状记忆合金

课程名称：功能陶瓷与器件

学院：材料学院

专业：材料物理

班级：材料物理

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指导老师：

2012年6月10日

形状记忆合金

摘要：形状记忆效应自20世纪30年代报道以来逐步得到人们的重视并加以应用，被人们誉为“神奇的功能材料”, 本文主要介绍了形状记忆合金合金的发展历史及其在许多领域的应用以及未来的一些发展趋势。

Abstract:Shape memory effect since the 1930s reported gradually get people's attention and application, is praised for "magic function materials. This paper mainly introduces the history of the development of shape memory alloy and its application in many fields and the future of some developing trend.

关键词：形状记忆合金、各领域应用、原理及发现

引言：

形状记忆合金是材料经适当的热处理后即具有回复形状能力一种特殊的金属材料。人们也把它叫做形状记忆效应。形状记忆合金在温度较低的时候因为外加应力,产生塑性变形。在温度较高的时候有克服外加应力恢复形状。形状记忆合金的另一个独特性质是在高温（奥氏体状态）下发生的“伪弹性”，

又称“超弹性”，表现为这种合金能承载比一般金属大几倍甚至几十倍的可恢复应变。形状记忆合金的这些独特性质源于其内部发生的一种独特的固态相变——热弹,性马氏体相变。也正因为形状记忆合金的特性，在材料中应用广泛。

正文

一、形状记忆合金的发展史

最早关于形状记忆效应的报道是由Chang及Read等人在1952年作出的。他们观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象，但当时并未引起人们的广泛注意。直到1962年，Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应，才引起了材料科学界与工业界的重视。到70年代初，CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应。几十年来，有关形状记忆合金的研究已逐渐成为国际相变会议和材料会议的重要议题，并为此召开了多次专题讨论会，不断丰富和完善了马氏体相变理论。在理论研究不断深入的同时，形状记忆合金的应用研究也取得了长足进步，其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。

二原理

一由形状记忆合金的定义我们知道在某种条件下满足由A到B,B又恢复到A 的合金材料，那么我们就知道形状记忆合金在工作状况中，有两个条件：一，形状改变是可逆和半可逆的。二，环境的改变能引起形状的改变。原理一：母相在降温和施加应力的作用下变成马氏体，在合金的单相作用下，马氏体顺应力发生再取向，形成马氏体的择优取向，但大部分和全部马氏体都采取这个取向是，材料在宏观上表现为形变。

二

将马氏体加热到As点以上，马氏体发生逆转变，因为马氏体晶体的对称性低，转变为母相是只形成几个位向，甚至只有一个位向，也就是母相原来的位置，尤其在母相长程有序时，马氏体片群中不同变体存在强的力学偶时，形成单一位相的母相倾向更大，逆转变完成后，便有完全回复了原来的母相的晶体，宏观现象也就完全恢复。

三、形状记忆效应的分类

形状记忆合金分为单程记忆效应，双程记忆效应，双程记忆效应。

单程记忆效应形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。

双程记忆效应。某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。

双程记忆效应。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低温相形状，称为全程记忆效应。

最先在合金相变过程中观察到形状记忆效应的是Chang 和Read ,他们通过对AuCd的相变可逆性研究发现相变过程中发生了电阻率的变化。1958 年,在铜(CuZn) 中也发现了类似的现象。直到1962 年, 当Buehlerh和其同事们在等原子的Ni2Ti 合金中发现了SME 后,对SMA 冶金学和应用的研究才蔚然兴起。随后的十年中,市场上出现了大量的利用SMA 制造的产品。经过广泛研究,到目前为止,具有SME 的合金可归纳为以下几类:

a) Ni2Ti 系,包括等原子Ni-Ti , Ti-Ni-X(X = Fe ,Al ,Co) ;

b) 铜系, 包括Cu-Zn 系, 如Cu-Zn , Cu-Zn-X(X = Si ,Al , Sn) ; Cu-Al 系, 如Cu-Al2 , Cu2Al2Ni ;

c) 其他有色金属系, 如Co-Ni , Ti-Nb ,Au-Cu-Zn ,Au-Cd ,Ag-Cd , In-Ti 等;

d) 铁基合金,如Fe-Pt ,Fe-Ni-Co ,Fe-Mn-Si ,Fe-Ni-Co-Ti ,Fe-Mn-C 及不锈钢等。

虽然目前已经发现的形状记忆合金有30 余种。但正式作为商品生产的只有Ni 系和Cu 基两大类。一般来说,Ni2Ti 合金反复使用的稳定性、耐蚀性、对生物体的适应性(界面相互作用) 、以及超弹性和制备加工性等都比Cu 基合金优越,但成本较高。Cu 基合金尽管在这些方面略微逊色,但价格便宜,在反复使用频率不太高、条件不太苛刻情况下,应用前景非常广泛。

四、形状记忆效应的应用

由于记忆合金的特殊的记忆功能，现已广泛应用于航空、卫星、医疗、生物工程、能源和自动化等方面。

1. 航空航天工业

在航天方面，常用Ni-Ti合金制成天线。用在宇宙飞船上的天线是非常庞大的，呈半球月面状。若用普通金属制成这样的天线，由于宇宙飞船的体积是有限的，无法把它带上去，但采用记忆温度为40摄氏度的Ni-Ti合金在40摄氏度以上做成月面天线，然后再冷却到40摄氏度以下，这时天线就可以折叠成一个小球团，从而达到方便的装进宇宙飞船的目的。当宇宙飞船到达月球后，受到太阳光的强烈照射，小球团的温度很容易达到40摄氏度以上，此时它就恢复原来的形状，张开呈伞面开始工作。[1]

2.生物医疗.

临床上用的最普遍的是镍钛（Ni-Ti）形状记忆合金（SMA），简称NT—SMA。NT—SMA是集耐磨、耐腐蚀、形状记忆效应伪弱性和声阻尼等性能于一体的新材料，有热弹力型的马氏体变态，有种种难以想象的性质。[3]采用Ni-Ti合金做成人体用的生物植入件，如脊柱矫直用的支板，齿科用的矫齿丝以及人体矫形外科用的假肢等。用于医学领域的 Ti-Ni 形状记忆合金，除了利用其形状记忆效应或超弹性外，还应满足化学和生物学等方面的要求，即良好的生物相容性。Ti-Ni 可与生物体形成稳定的钝化膜。目前，在医学上 Ti-Ni 合金主要应用有:

(1) 牙齿矫形丝用超弹性 Ti-Ni 合金丝和不锈钢丝做的牙齿矫正丝，其中用超弹性 Ti-Ni 合金丝是最适宜的。通常牙齿矫形用不锈钢丝 Co-Cr 合金丝，但这些材料有弹性模量高，弹性应变小的缺点。为了给出适宜的矫正力，在矫正前就要加工成弓形，而且结扎固定要求熟练。如果用 Ti-Ni 合金作牙齿矫形丝，即使应变高达10%也不会产生塑性变形。这种材料不仅操作简单，疗效好，也可减轻患者不适感。

(2) 脊柱侧弯矫形各种脊柱侧弯症(先天性、习惯性、神经性、佝偻病性、特发性等)疾病，不仅身心受到严重损伤，而且内脏也受到压迫，所以有必要进行外科手术矫形。目前这种手术采用不锈钢制哈伦敦棒矫形，在手术中安放矫形棒时，要求固定后脊柱受到的矫正力保持在30~40kg以下，一但受力过大，矫形棒就会破坏，结果不仅是脊柱，而且连神经也有受损伤的危险。如果矫形棒的矫正力有变化，以通过体外加热形状记忆合金，把温度升高到比体温约高5℃，就能恢复足够的矫正力。另外，外科中用 Ti-Ni 形状记忆合金制做各种骨连接器、血管夹、凝血滤器以及血管扩张元件等。同时还广泛应用于口腔科、骨科、心血管科、胸外科、肝胆科、泌尿科、妇科等，随着形状记忆的发展，医学应用将会更加广泛。[3]

3.日常生活

. (1) 防烫伤阀在家庭生活中，已开发的形状记忆阀可用来防止洗涤槽中、

浴盆和浴室的热水意外烫伤；这些阀门也可用于旅馆和其他适宜的地方。如果水龙头流出的水温达到可能烫伤人的温度(大约 48℃)时，形状记忆合金驱动阀门关闭，直到水温降到安全温度，阀门才重新打开。[6]

(2) 眼镜框架在眼镜框架的鼻梁和耳部装配 Ti-Ni 合金可使人感到舒适并抗磨损，由于 Ti-Ni 合金所具有的柔韧性已使它们广泛用于改变眼镜时尚界。用超弹性 Ti-Ni 合金丝做眼镜框架，即使镜片热膨胀，该形状记忆合金丝也能靠超弹性的恒定力夹牢镜片。这些超弹性合金制造的眼镜框架的变形能力很大，而普通的眼镜框则不能做到。

(3) 移动电话天线和火灾检查阀门使用超弹性Ti-Ni金属丝做蜂窝状电话天线是形状记忆合金的另一个应用。过去使用不锈钢天线，由于弯曲常常出现损坏问题。使用Ti-Ni形状记忆合金丝移动电话天线，具有高抗破坏性受到人们普遍欢迎。因此常用来制作蜂窝状电话天线和火灾检查阀门。火灾中，当局部地方升温时阀门会自动关闭，防止了危险气体进入。这种特殊结构设计的优点是，它具有检查阀门的操作，然后又能复位到安全状态；这种火灾检查阀门在半导体制造业中得到使用，在半导体制造的扩散过程中使用了有毒的气体；这种火灾检查阀也可在化学和石油工厂应用。

五、前景展望

在形状记忆合金的实用化进程中,急需积累并分析关于材料特性、功能可靠性、生物相容性和细胞毒性等方面的基础数据资料。可预言,随着对SMA 研究的进一步深化,传统的机电一体化系统完全有可能发展成为材料电子一体化系统。

总结：形状记忆合金有形状记忆特效和防弹性，广泛应用在科学中。

参考文献：

1、崔海宁. 形状记忆合金在建筑领域中的应用[J]. 山西建筑, 2006

2、高志刚. 形状记忆合金的应用[J]. 现代制造技术与装备, 2007

3、吴根华. 形状记忆合金及其应用[J]. 安庆师范学院学报(自然科学版), 2004

4、周海锋. 形状记忆合金及其应用[J]. 机电设备, 2002

5、王永前，赵连城. 高温形状记忆合金研究进展[J]. 功能材料, 1995

6、杨凯,辜承林. 形状记忆合金的研究与应用[J]. 金属功能材料, 2000

7、曹运红. 形状记忆合金的发展及其在导弹与航天领域的应用[J]. 飞航导弹, 2000

8、肖恩忠. 形状记忆合金的应用现状与发展趋势[J]. 工具技术, 2005

9 .Chen Zhang, Ralph H. Zee, Paul E. Thoma, “Development of Ni-Ti based

shape memory alloys for actuation and control”, Energy Conversion Engineerin Conference, , ol.1, pp.239-244

10. G. Song, V. Chaudhry, and V. Batur, “Precision tracking control

of shap memory alloy actuators using neural networks and

sliding-mode based robust controller”,Smart Materials and

Structures, 2003,Vol.12, pp.223-231