刘玉玺硕士论文-形状记忆合金驱动器的设计与实验分析

刘玉玺硕士论文-形状记忆合金驱动器的设计与实验分析
刘玉玺硕士论文-形状记忆合金驱动器的设计与实验分析

分类号:密级:

论文编号:学号:30808020301 重庆理工大学硕士学位论文

形状记忆合金驱动器的

设计与实验分析

研究生: 刘玉玺

指导教师:杨岩教授

学科专业:机械设计及理论

研究方向:现代机械设计理论方法及应用

培养单位:重庆汽车学院

论文完成时间: 2011年4月20日

论文答辩日期: 2011年5月21日

Category Number:Level of Secrecy:

Serial Number :Student Number:30808020301

Master's Dissertation of Chongqing University of Technology

Experimental Analysis and Design of Shape Memory Alloy Actuator

Postgraduate: Liu Yuxi

Supervisor: Prof. Yang Yan

Specialty: Mechanical Design and Theory

Research Direction: Modern Mechanical Design

Theory and Application

Training Unit: Chongqing Institute of Automobile

Thesis Deadline: April 20, 2011

Oral Defense Date: May 21, 2011

浅谈记忆材料

浅谈形状记忆合金 引言:时代的发展与材料的发展是相辅相成的。随着科学技术的进步,材料研究变得尤为重要。现如今材料的研究越来越专业化,并且逐渐倾向于功能化、多样性。例如形状记忆材料就是一种典型的新型功能材料。形状记忆材料是指具有形状记忆效应的金属、陶瓷和高分子等材料,在高温下材料形成一种形状,在冷却到低温时会塑性变形成为另外一种形状,如果对材料进行加热,通过马氏体的逆相变,又可以恢复到高温时的形状,这就是形状记忆效应。 一、形状记忆合金及形状记忆效应 形状记忆材料是集感知和驱动于一体的特殊功能材料,其中形状记忆合金是形状记 忆材料中较为重要的材料之一。形状记忆合金(Shape Memory Alloy简称SMA)是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界 温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。 1、形状记忆合金分类 到目前为止,被开发出来的形状记忆合金主要是Ti-Ni基、Cu基与Fe基三种。在这三大类中,根据不同的要求和工作环境,分别在基体中加入和调整一些合金元素的量,使得每一个大类中都有一系列合金被开发出来,应用在各行各业,以满足各种不同的特殊需求。 (a)Ti-Ni形状记忆合金开发的最早,形状记忆效应最稳定,相对比较成熟,已在航天工业、汽车工业、电子工业、医学及人类生活领域获得应用。但由于其原材料Ni?、Ti价格昂贵,且加工成本高等因素,其应用受到限制。 (b)Cu基形状记忆合金因价格便宜、原材料来源广泛、易于加工和制造等原因而得到迅速发展。铜基形状记忆合金是这三类合金中种类最多的一类,但有实际应用价值的目前只有Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni两种。 (c)Fe基形状记忆合金发展较晚,成本较Ti-Ni系和铜系合金低得多,易于加工,在应用方面具有明显的竞争优势,被认为是一种具有广泛应用前景的功能材料,受到广泛的关注。 2、呈现形状记忆效应的合金的必备条件 (a)马氏体相变只限于驱动力极小的热弹性型,即马氏体与母相之间的界面的移动是完全可逆的 (b)合金中的异类原子在母相与马氏体中必须为有序结构

关于形状记忆合金在变体机翼方面的应用综述

关于形状记忆合金在变体机翼方面的应用综述 发表时间:2019-05-13T15:59:02.707Z 来源:《知识-力量》2019年8月26期作者:纪宇帆[导读] 形状记忆合金是目前很常用的一种智能材料,能够代替传统材料应用在广泛的工业领域。本文将通过综合比较分析不同文献及其理论依据,阐述形状记忆合金在航空航天领域的应用情况 (北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京 100191) 摘要:形状记忆合金是目前很常用的一种智能材料,能够代替传统材料应用在广泛的工业领域。本文将通过综合比较分析不同文献及其理论依据,阐述形状记忆合金在航空航天领域的应用情况,并对目前存在的问题和未来发展的方向一一论述。在变体机翼方面,文章从中文文献和外文文献中分别选取了几篇有代表性的进行阐述,分析得到了国内外不同研究方向的侧重点以及未来的发展趋势。同时文章对形状记忆合金在航空航天领域的应用情况做了小结,提出了一些个人观点与评价,也指出了目前存在的问题与未来发展的方向。关键词:形状记忆合金;航空航天;国内外对比 引言 传统材料通常不能实时感知环境以及自身状态的变化,更不能做到自适应和自修复[1]。因此,在诸多工业领域,尤其是航空航天这样复杂多变的领域,需要越来越多智能材料才可以实现高精度控制。形状记忆合金就是其中一种常见的智能材料。它利用形状记忆效应可以实现不同于普通合金的优异性能,尤其是在高温环境下,抗疲劳性能和延展性能更加凸显。 1 问题提出 早在20世纪50-70年代,就有了变后掠翼技术。这使得飞机兼具低速、跨声速、超声速飞行性能,但也存在结构复杂、操纵困难等问题,变形形式也很单一[2]。随着科学技术的进步,智能变体机翼技术逐渐兴起。在美国的主导下,一系列智能变形技术验证试验得以展开:1979年,NASA与波音公司签订了任务自适应机翼技术合同;1985年,NASA与罗克韦尔公司合作开展主动柔性机翼计划;1996年,上述计划又扩展为主动气动弹性机翼计划。U.Icardi等人也提出了一种基于SMA的变弯度机翼方案[3]:依靠两个同轴的SMA驱动管,通过离合器与定位压电电机连接到翼肋的桁架上,内外管分别控制向上与向下的运动;工作时可以给其中一个加热,另一个隔离使其不参与工作,从而实现特定方向的变形[4]。总之,SMA在变体机翼上的应用很广泛,是值得深入研究的问题之一。 2 中文文献综述 就近几年的中文文献来说,有关SMA在变体机翼上的应用的文章有53篇,其中期刊论文16篇,博士论文5篇,其余为硕士论文。下面将选择一些进行深入分析。刘逸峰、徐志伟两人利用驱动器的两个驱动杆上下位移实现蒙皮的变形,通过控制流经SMA的电流大小和通电时间对驱动器进行测控,还进行了驱动器加载控制实验和机翼风洞吹风测试实验[5];雷鹏轩等人提出一种悬臂梁式柔性偏转结构,选择超临界翼型进行实验,并通过数学计算和折线图比较的办法给出了来流条件对SMA结构变形的影响[6];周本昊通过差动驱动方式设计驱动机构,对机翼的各个部位进行了应力分析,又设计了测控系统,利用离散化PID控制算法对被控量进行控制[7];刘俊兵等人根据实验分析出SMA卷簧的变形角与扭矩的关系,并对该驱动器承载能力进行了计算[8];董二宝将智能变形机翼结构按动力学特性分为非主动变形过程和主动变形过程,并据此求出了各参数的最优解,最后利用SMA的热-力耦合特性给出了仿真结果[9];聂瑞等人为了减小自适应机翼的波阻,对激波控制鼓包的特性进行了优化研究,在温度改变时,SMA能自动改变自身构型[10]。 3 外文文献综述 就近几年的外文文献来说,有关SMA在变体机翼上的应用的文章有81篇。不同作者对SMA的研究有不同的侧重点。Cees Bil等人主要研究的是三种不同的控制方法对机翼变形的影响,还在其中考虑了气动载荷下驱动器所需的功率与环境温度的影响[11];S.Barbarino等人将民用运输机机翼后缘处的翼型弯度通过无铰链的光滑变形襟翼控制,利用数值方法和实验研究对驱动性能进行了估计[12];J Colorado等人从仿生学的角度分析SMA在变体机翼中的驱动作用,并且利用SMA的传感功能实现了令人满意的跟踪误差,但在疲劳问题上还存在一定局限,SMA承受较大应力时寿命较短[13];Thomas Georges等人以设计具有柔性外拱的变形机翼为重点,通过应力应变关系计算SMA元件的横截面和长度,进而确定其他部件的尺寸,完成设计[14];Woo-Ram Kang等人为防止气动损失,利用SMA控制机翼形状,并用多种数值模拟软件将其与未变形机翼作比较,对尾翼偏转角与电流、压差之间的关系作了进一步分析[15];Salvatore Ameduri等人基于SMA技术对变形结构进行优化,由四个弹性元件构成可变形肋系统,利用有限元模型呈现其主要特征[16]。 结论 综合上述文献,可以看出SMA在变体机翼中应用广泛。不同学者从不同侧面研究SMA可以得到不同结果。国内研究更多是通过解析的办法分析驱动结构的可行性,计算和优化更准确,但有时会受到其他无法量化的因素影响,导致其结果偏离实际;国外研究则更加侧重数值模拟软件的应用,对驱动性能的分析综合考虑多种环境因素,在实验过程中也更加注重比较,并且对SMA的疲劳寿命有所估计。后续的SMA应用技术应该朝向更高的疲劳强度、更先进的数值模拟技术发展。与此同时,机翼的形状变化也应趋于平稳,以减少气流分离,使飞机拥有更好的气动性能。 未来形状记忆合金在航空航天领域将朝着更规范化、成熟化的方向前进:变体机翼的重量将进一步减轻,连接过渡将更加平缓,气流分离损失将进一步减少,机翼的颤振情况也将进一步改善;航空发动机中的结构将充分考虑其材料特性,不仅仅用于调节尾喷口、进气口,还可用于涡轮叶片,机匣等关键部件;卫星的发射也将更加可靠,连接分离装置运行也会更加平稳。参考文献 [1]杨正岩,张佳奇,高东岳,刘科海,武湛君.航空航天智能材料与智能结构研究进展[J].航空制造技术,2017(17):36-48. [2]朱倩.基于SMA的变体机翼精确控制研究[D].南京航空航天大学,2010. [3]Icardi,U.& Ferrero,L.(2010).SMA Actuated Mechanism for an Adaptive Wing. Journal of Aerospace Engineering - J AEROSP ENG. 24. 10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0000061. [4]张明德.变厚度机翼结构设计及精确控制[D].南京航空航天大学,2018. [5]刘逸峰,徐志伟.SMA驱动变厚度机翼结构设计及实验研究[J].江苏航空,2018(04):30-34.

形态记忆合金材料论文

题目:关于形态记忆合金的研究进展 摘要:形态记忆合金是新兴的材料,本文主要讨论形状记忆合金相关内容,扼要地叙述了形状记忆合金的发现以及发展历史和分类, 介绍了形状记忆合金在工程中应用的现状以及发展前景。记忆合金作为一种使用价值比较广泛额材料,我们有理由相信形状记忆合金的发展前途是相当广泛的,也必将造福于人类。此外,通过这些介绍使人们能够真正的理解和认识这种新的材料——形态记忆合金。 关键字::形状记忆合金、探索、各领域应用、形状记忆合金效应 正文: 一,形态记忆合金简介。 形状记忆合金(Shape Memory Alloy ,SMA) 是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应(Shape Memory Effect ,SME) 。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti 合金和铜基合金(CuZnAl 和CuAlNi) 。 形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛关注。 二、形态记忆合金分类及原理

形态记忆合金种类繁多,在现在情况来看,记忆合金主要分为以下几种: (1)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。 (2)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。 (3)全程记忆效应: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。 至今为止发现的记忆合金体系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。 三、形态记忆合金的发展。 1932年瑞典人欧勒特在观察某种金镉合金的性能时,首次发现形状记忆效应。 1938年哈佛大学的研究人员在一种铜锌合金中发现了一种随温度的升高和降低而逐渐增大或缩小的形状变化,但是此时并未引起人们的广泛注意。 1962年美国海军实验室在开发新型舰船材料时,在Ti-Ni合金中发现把直条形的材料加工成弯曲形状,经加热后它的形状又恢复到原来的直条形,引起了材料科学界与工业界的重视,从此形状记忆合金引起了极大的关注。

形状记忆合金在医学领域的应用

形状记忆合金在医学领域的应用 1.形状记忆合金的特性 1.1形状记忆合金的结构特性 形状记忆效应(Shape memory effec,t SME)是由于马氏体相变而产生的。具有热弹性(半热弹性)或应力诱发马氏体相变(Stress inducedMartensitic trans-formation, SIM)的形状记忆合金(Shape memory al-loys, SMAs),在马氏体状态下进行一定限度的塑性变形,则在随后的加热过程中,当温度超过马氏体逆相变温度时,材料就能恢复到变形前的体积和形状。 1.2形状记忆合金的分类 形状记忆合金主要分为Ti-Ni基、Cu基及Fe基形状记忆合金。前两种合金主要为热弹性形状记忆合金,Fe基形状记忆合金为半热弹性形状记忆合金,其中用于医学领域的 TiNi 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。TiNi 可与生物体形成稳定的钝化膜。 形状记忆效应主要分为:单程记忆效应,双程记忆效应和全程记忆效应。 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。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。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。 2.形状记忆合金的发展 首次被发现并公开报道某些合金中具有形状记忆效应这一现象的发现,可以追溯至1938年,美国哈佛大学的A.B.Greningerh和Mooradian在Cu-Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变,即在加热与冷却过程中,马氏体会随之收缩与长大。1918年前苏联学者Kerdjumov曾预测到有一部分具有马氏体相变的合金会出现热弹性马氏体相变。1951年张禄经和T.A.Read报道了原子比为1∶1的CsCl 型AuCd合金在热循环中会反复出现可逆相变。数年后.T.A.Read又和M.W.Burkard在InTi合金中发现了同样纳可逆相变。一直到20世纪60年代初,这种观察到的形状记忆效应只看作是个别材料的特殊现象。甚至在1958年布鲁塞尔国际博览会上展出过用AuCd合金制作的重物升降机,都未引起足够的注意。 1963年,美国海军武器实验室W.J.Buchler等人在等原子比NiTi合金中发现了形状记忆效应后,才引起人们的重视,从此形状记忆合金进入了研究和应用的新阶段。到1975年左右,全世界相继开发出具有形状记忆效应的合金达20

形状记忆合金论文

形状记忆合金 摘要:扼要地叙述了形状记忆合金及其机理, 介绍了形状记忆合金在工程中应用的现状以及发展前景。 关键词:形状记忆合金、形状记忆合金效应、应用 引言:有一种特殊的金属材料,经适当的热处理后即具有回复形状的能力,这种材料被称为形状记忆合金( Shape Memory Alloy ,简称为SMA) ,这种能力亦称为形状记忆效应(Shape Memory Effect , 简称为SME) 。通常,SMA 低温时因外加应力产生塑性变形,温度升高后,克服塑性变形回复到所记忆的形状。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti 合金和铜基合金(CuZnAl 和CuAlNi) 。 形状记忆合金(Shape Memory Alloys, SMA)是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形,恢复其变形前原始形状的合金材料。除上述形状记忆效应外,这种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”,英文 pseudoelasticity)行为,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。 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,

形状记忆高分子材料研究进展(综述)

形状记忆的高分子材料的研究进展 Research Progress of Shape Memory Polymer Material 1 综述 摘要:形状记忆高分子(SMP)是一类新型的功能高分子材料,是高分子材料研究、开发、应用的一个新的分支点,它同时兼具有塑料和橡胶的特性。形状记忆高分子材料是一种可以响应外界刺激,并调整自身状态参数,从而回复到预先设定状态的一种智能高分子材料。本文简单介绍了形状记忆高分子材料的性能、种类和应用。 关键词:形状记忆;高分子材料;聚合物;研究进展 1形状记忆高分子材料简介. 形状记忆的高分子材料是一种能够感知外部环境如光、热、、电、磁等,并且能够根据外部环境的变化而自发的对自身的参数进行调整还原到预先设定状态的一种智能高分子材料。形状记忆高分子( Shape Memory Polymer,简称 SMP) 材料具有可恢复形变量大、质轻价廉、易成型加工、电绝缘效果好等优点,从20世纪80年代以来赢得广泛关注和研究,并得到了快速发展,因其独特的性能和特点,使其这些年来在材料领域中扮演着重要的角色。近40年来,科研工作者们相继开发出了多种形状记忆高分子材料,如聚乙烯、聚异戊二烯、聚酯、共聚酯、聚酰胺、共聚酰胺、聚氨酯等,它们被广泛应用于航空航天、生物医用、智能纺织、信息载体、自我修复等多个材料领域。显示出了形状记忆高分子材料广泛的应用前景的地位。 2.形状记忆高分子材料的分类及应用 根据响应方式的不同可以将形状记忆高分子分材料大致分为热致型、光致型、化学感应型、电致型等类型。其中,热致感应型和光致感应型应用最为广泛。 2.1热致感应型 热致SMP是一种通过施加电场或红外光照射等刺激促使其在室温以上变形,并能在室温固定形变且可长期存放,当再次升温至某一固定温度时,材料能够恢复到初始形状。热致型SMP被广泛用于医疗卫生、体育运动、建筑、包装、汽车及科学实验等领域,如医用器械、泡沫塑料、坐垫、光信息记录介质及报警器等。 2.2光致感应型 光致SMP可以将光能转化为机械能,根据记忆机理的不同,可分为光化学反应型和光热效应型两种。光化学反应型是经光照后发生化学反应,它是将具有光

形状记忆合金的应用现状与发展趋势

形状记忆合金的应用现状与发展趋势 摘要:综述了形状记忆合金的发展概况,简要介绍了形状记忆合金在不同领域的应用现状,分析了当前形状记忆合金研究中存在的问题,指出了今后的发展前景与研究方向。 关键词:形状记忆合金、形状记忆合金效应、应用 一、引言 形状记忆合金(Shape Memory Alloy ,SMA) 是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应(Shape Memory Effect ,SME) 。 形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。 二、形状记忆合金的发展史与现状 在金属中发现现状记忆效应最早追溯到20世纪30年代。1938年。当时美国的 Greningerh和Mooradian在Cu-Zn合金小发现了马氏体的热弹件转变。随后,前苏联的Kurdiumov对这种行为进行了研究。1951年美国的Chang相Read 在Au47·5Cd(%原子)合金中用光学显微镜观察到马氏体界面随温度的变化发生迁动。这是最早观察到金属形状记忆效应的报道。数年后,Burkhart 在In-Ti 合金中观察到同样的现象。然而在当时,这些现象的发现只被看作是个别材料的特殊现象而未能引起人们足够的兴趣和重视。直至1963年,美国海军武器实验室的Buehler等人发现了Ni-Ti合金中的的形状记忆效应,才开创了“形状记忆”的实用阶断[1]。

高分子形状记忆合金的发展及趋势

高分子形状记忆合金的发展及趋势 摘要:本论文主要讨论形状记忆合金相关内容,扼要地叙述了形状记忆合金的发现以及发展历史和分类, 介绍了形状记忆合金在工程中应用的现状以及发展前景。 关键词:形状记忆合金、形状记忆合金效应、应用 1.形状记忆分子材料的特性 形状记忆合金是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti 合金和铜基合金 形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。 1.1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。 1.2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。 1.3全程记忆效应: 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。 2.形状记忆效应的应用 迄今为止,形状记忆合金在空间技术、医疗器械、机械器具、电子设备、能源开发、汽车工业及日常生活各方面都得到了广泛的应用,总的来说,按使用特性的不同,可归纳为下面几类: 2.1.自由回复 SMA 在马氏体相时产生塑性形变,温度升高自由回复到记忆的形状。自由回复的典型例子是人造卫星的天线和血栓过滤器。美国航空航天局(NASA) 将Ti2Ni

形状记忆高分子材料性能评价的分子模拟研究

形状记忆高分子材料性能评价的分子模拟研究 张慧军,岳 红,刘 倩,陈 冲 (西北工业大学理学院应用化学系,西安710129) 摘要 分子模拟在新材料研究领域中有着广泛的应用。介绍了形状记忆高分子材料的分类,阐述了用分子模拟形状记忆材料性能的理论,分析了统计弹性力学原理,提出了构建模型和模拟的方法,概述了近年来分子模拟的研究现状及存在的问题,并展望了形状记忆高分子材料的发展。 关键词 形状记忆高分子 性能 评价 分子模拟中图分类号:T B34 文献标识码:A Performance Evaluation of Shape Memory Polymer by Molecular Simulation ZHAN G H uijun,YU E Hong,LIU Qian,CHEN Chong (Department of A pplied Chemistr y,No rthw est ern Polytechnical U niv ersity ,Xi an 710129) Abstract M olecular simulation is widely used in the study field o f new materials.T he categ or ies o f shape memor y polymer ar e intro duced.Based o n r ubber elasticity theor y,the const ruction and simulatio n methods are also elabor ated.T he cur rent status in molecular simulatio n is a lso pr esented and pr oblems of shape memor y po ly mer a re proposed.It makes pr ospects fo r the dev elo pment of shape memor y polymer materia ls. Key words shape memo ry po ly mer,perfo rmance,evaluat ion,mo lecular simulatio n 张慧军:1984年生,硕士生,研究方向为形状记忆高分子材料分子模拟 E mail:zhang huijun10624@163.co m 0 引言 近年来,随着计算机技术的飞速发展,利用计算机进行分子模拟已成为现代科学研究中一种很重要的方法,从分子水平上进行产品开发过程设计已成为一种潮流[1-6]。分子模拟法可以模拟现代物理实验方法无法考察的物理现象和物理过程,从而发展新的理论;研究化学反应的路径、过渡态、反应机理等十分关键的问题,代替以往的化学合成、结构分 析、物理检测等实验[7] 。最近分子模拟技术在形状记忆高分子材料中也得到了广泛应用。 形状记忆高分子材料(SM P)是指具有初始形状的聚合物制品经形变固定后,通过加热等外部刺激手段的处理又可使其恢复初始形状的聚合物。形状记忆聚合物是一种新型的功能材料,自1981年发现热致形状记忆高分子交联聚乙烯以来,形状记忆功能高分子材料得到了很大发展,其作为功能材料的一个分支受到广泛关注。形状记忆高分子材料品种繁多,不同的划分标准可得到不同的分类。根据形状回复原理,形状记忆高分子材料可分为4类:(1)热致形状记忆高分子材料[8],是在室温以上变形,即能在室温固定形变且可长期存放,当再升温至某一特定响应温度时,制件能很快 回复初始形状的聚合物。(2)电致形状记忆高分子材料[9] ,是热致型形状记忆功能高分子材料与具有导电性能物质如导电炭黑、金属粉末及导电高分子等的复合材料。该复合材料通过电流产生的热量使体系温度升高,致使形状回复。所以既具有导电性能,又具有良好的形状记忆功能。(3)光致 形状记忆高分子材料[10],是将某些特定的光致变色基团(PC G)引入高分子主链和侧链中,当受到紫外光照射时,PCG 发生异构化反应使分子链的状态发生显著变化的材料。(4)化学感应型形状记忆高分子材料[11-14],是利用材料周围介质性质的变化来激发材料的变形和形状回复。常见的化学反应方式有平衡离子置换、pH 值变化、螯合反应、氧化还原反应和相转变反应等,这类物质包括部分皂化的聚丙烯酰胺、聚乙烯醇和聚丙烯酸混合物薄膜等。 1 模拟理论 借用橡胶的弹性理论,可以对聚合物材料的形状记忆特性及影响材料形状记忆特性的因素进行分析。因为聚合物材料的弹性模量可以理解为材料的弹性系数,所以形状记忆材料的热收缩性可以用材料的弹性模量来特性化。 记忆特性 模量E =3Vk 2gT 式中:T 为绝对温度(T m 以上);g 为纠缠因子;k 为玻兹曼常数; 为线性扭曲因子=定向时的平均链长/非定向时的平均链长;V 为单位体积的链数目;V = N /[M c (1-2M c /M n )]( 为密度;N 为阿佛加德罗常数;M n 为链的数均分子量;M c 为交联链之间的分子量)。由此可以看出,交联度越大,缠结点越多,M c 变小,V 越大,则E 越大,形状记忆性越好。从上面的公式还可以看到分子量M n 以及密度 的影响, 、M n 越大,E 越大,形状记忆性能越好。 也可理解为定向度形成交联后,定向度增加, 可大于1,E 也就越大,形变回复力也越大[15]。

形状记忆材料-形状记忆效应

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(Shape Memory Effect,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(Shape Memory Alloys ,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。 1

形状记忆合金论述3000字论文

形状记忆合金论述 摘要:形状记忆合金,是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的形变,恢复其形变原始形狀的合金材料。这种合金在高温(奥氏体状态)下发生的“伪弹性”行为,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——热弹性马氏相变体。 关键词:形状记忆合金、马氏相变体、记忆效应 引言:形状记忆合金材料兼有传感和驱动的双重功能,是一种智能结构中技术成熟性很高的功能材料,可以实现机械结构的微型化和智能化。形状记忆效应(SME)即某种材料在高温定形后,冷却到低温(或室温),并施加变形,使它存在残余变形[1,2]。当温加热超过材料的相变点,残余变形即可消失,恢复到高温时的固有形状,如同记住了高温下的状态。SMA及其驱动控制系统具有许多的优点,如高功率重量比,适于微型化;集传感、控制、换能、致动于一身,结构简单,易于控制;对环境适应能力强,不受温度以外的其他因素影响等,有着传统驱动器不可比拟的性能优点。形状记忆合金由于具有许多优异的性能,因而广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域。 一、发展史 1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到"记忆"效应,即合金的形状被改变之后,一旦加热到一定的跃变温度时,它又可以魔术般地变回到原来的形状,人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。记忆合金的开发迄今不过20余年,但由于其在各领域的特效应用,正广为世人所瞩目,被誉为"神奇的功能材料"。 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、功能机理 形状记忆合金(Shape Memory Alloys,简称SMA)是一种能够记忆原有形状的智能材料。当合金在低于相变态温度下,受到一有限度的塑性变形后,可由加热的方式使其恢复到变形前的原始形状,这种特殊的现象称为形状记忆效应(Shape Memory Effect,简称SME)。而当合金在高于相变态温度下,施以一应力使其受到有限度的塑性变形(非线性弹性变形)后,可利用直接释放应力的方式使其恢复到变形前的原始形状,此种特殊的现象又称为拟弹性(Pseudo Elasticity,简称PE)或超弹性(Super Elasticity)。这两种形状记忆合金所拥有的独特性质在普通金属或合金材料上是无法发现的。

形状记忆材料

形状记忆材料 摘要:材料是现代社会发展的三大支柱产业之一,本文介绍了形状记忆材料的概念,发展历史,记忆效应产生的原理和分类应用。形状记忆材料主要分为三种:形状记忆合金、形状记忆陶瓷、形状记忆聚合物。由于形状记忆效应的独特记忆效应的性质,广泛的应用于工业领域和医学领域。 关键词:形状记忆材料、记忆效应、形状记忆合金、形状记忆陶瓷、形状记忆聚合物一.引言 材料、信息、能源被称为现代社会发展的三大支柱产业,材料对当代社会的进步和发展起着十分重要的作用。科技的不断进步对材料各个方面的性能的要求越来越高,智能化的材料已经成为一种趋势,而形状记忆材料的更是引起了国内外的研究热潮。 自上个世纪以来,形状记忆材料独特的性能引起了人们的极大的兴趣。由于形状记忆材料具有形状记忆效应、高温复形变、良好的抗震性和适应性等优异性能,有着传统驱动器不可比拟的性能优点,形状记忆合金由于具有许多优异的性能,而广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域。 二.形状记忆材料的概念 形状记忆材料[1](shape memory materials ,简称SMM)是指具有一定初始形状的材料经过形变并固定成另一种形状后,通过热、光、电等物理或化学刺激处理又恢复成初始形状的材料。 三.形状记忆材料的发展史 1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到了“记忆”效应,即合金形状被改变之后,一旦加热到一定的跃变温度时,它又可以魔术般的回到原来的形状,人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。 1938,当时的美国在Cu-Zn合金里发现了马氏体的热弹件转变,随后前诉苏联对这种行为进行了研究。 1951年美国的里德等人在金镉合金中也发现了形状记忆效应,然而在当时,

形状记忆合金的应用现状与发展趋势

11 Santhanam A T,G odse R V,G rab G P et al.U.S.Patent. 1993(5):250,367 12 Nemeth B J,Santhanam A T,G rab G P.Proceed.10th Plansee Seminar,Plansee A.G.,Reutte/T yrol,1981:613~627 13 Santhanam A T,G rab G P,R olka G A et al.Proceed.con f. on High Productivity Machining-Materials and Processes. New Orleans,La,American S ociety for Metals,1985:113~121 14 Nemeth B J,G rab G P.U.S.Reissue Patent.1993,N o.34, 180 15 D oi H.Proceed.2nd Int.C on f.on the Science of Hard Mate2 rials,Adam Hilger Ltd.Ser.1986(75):489~523 16 Claussen N.Mater.Sci.Eng.1985(71):23~38 17 Wei G C,Becher P F.Am.Ceram.S oc.Bull.1985,64 (2):298~30418 Faber K T,Evans A G.Acta Metall.1983,31(4):565~576 19 N orth B,Baker R D.Int.J.of Refractory Hard Metals. 1984,3(1):46~51 20 Beeghly C W,Shuster A F.Proceed.S oc.of Carbide and T ool Engineers C on f.on Advances in T ool Materials for use in High S peed Machining,Scottsdale,AZ,AS M International, 1987,91~99 21 K ennametal Lathe T ooling Catalog4010.2004 22 Oles E J,Reiner K L,G ates et al.U.S.Patent.2003.6, 599,062 23 Inspektor A,Oles E J,Bauer C E.Int.J.of Refractory Met2 als and Hard Materials.1997(15):49~56 第一作者:M.S.G reen field,博士,美国肯纳金属公司材料总监 (胡红兵译) 收稿日期:2005年4月形状记忆合金的应用现状与发展趋势 肖恩忠 潍坊学院 摘 要:综述了形状记忆合金的发展概况,简要介绍了形状记忆合金在不同领域的应用现状,分析了当前形状记忆合金研究中存在的问题,指出了今后的发展前景与研究方向。 关键词:形状记忆合金, 形状记忆效应, 机理, 应用 Application Actuality and Development T rend of Shape Memory Alloy X iao Enzhong Abstract:The general development of the shape mem ory alloy(S M A)is summarized,and its applications in different fields are briefly introduced.Als o,problems in the study of S M A at present are analyzed.Finally,The development foreground and re2 search directions of S M A in the future are pointed out. K eyw ords:shape mem ory alloy, shape mem ory effect, mechanism, application 1 引言 形状记忆合金(Shape Mem ory Alloy,S MA)是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应(Shape Mem ory E ffect,S ME)。 形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。 2 形状记忆合金的发展历史与现状 在金属中发现形状记忆效应最早可追溯到20世纪30年代。1938年,美国的G reningerh和M oora2 dian在Cu2Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变。随后,前苏联的K urdium ov对这种现象进行了研究。1951年,Chang和Read在Au24715at%Cd合金中用光学显微镜观察到马氏体界面随温度的变化而发生迁动。这是最早观察到金属形状记忆效应的报道。数年后,Burkhart在In2T i合金中观察到同样的现象。然而在当时,这些现象的发现只被看作是个别材料的特殊现象而未能引起人们足够的兴趣和重视。直到1963年,美国海军武器实验室的Buehler等人发现等原子比的T i2Ni合金具有优良的形状记忆功能,

形状记忆高分子材料

形状记忆高分子材料 引言 形状记忆高分子材料(SMP)作为一类智能材料,因其可以在适当的刺激条件(如温度、光、电磁或溶剂等)下,响应环境变化,而相应发生形状转变的能力,为解决科学技术难题带来了一种新的方法。1950年,第一次报道了具有形状记忆效应的交联聚乙稀聚合物,并在文中描述了具体的表征方法。这类形状记忆高分子材料与其它形状记忆材料如形状记忆合金和陶瓷相比,具有变形量大、赋形容易、响应温度易于调整,质量轻、价格低、以及易加工成型等优点。而且易于设计成具有良好的生物相容性、可生物降解性的生物材料,比如手术缝合线、支架、心脏瓣膜、组织工程、药物释放、矫形术及光学治疗等。 1.形状记忆高分子材料的分类 SMPs根据刺激响应的不同可分为热致型,电磁致型,光致型,化学型以及水致型,其中热致型是研究最广也是研究最成熟的一种高分子材料。热致型SMPs 由固定相和可逆相两部分组成,其中固定相通常是由化学交联或物理交联点构成,其可以决定初始形变;可逆相通常由结晶结构构成,可随温度变化而进行可逆的软硬化转变。 1.1 热致型SMP 热致型SMP是指材料在初始条件下开始受热,当加热温度达到相转变温度时,同时给材料施加外应力,然后再外力不变的情况下,将温度迅速下降至室温,材料会保持暂时形状,即使在撤去外应力后材料依旧可保持这种状态,直到再次在无应力条件下加热,温度再次达到相转变温度时,材料才会自发地恢复到初始形状。以聚氨酯为例其可以通过改变嵌段共聚物的成分和比例,来改变聚氨酯材料物理化学性质、生物相容性、组织相容性,以及可生物降解性质。形状记忆聚氨酯由软段和硬段组成,其中硬段主要由二异氰酸酯和扩链剂组成,因此刚度比较大,抑制了材料变形过程中大分子链的塑性滑移;软段主要由聚酯多元醇或聚醚多元醇等线性分子组成,因此能够进行较大的形变.一般情况下,在温度增加到软段的转变温度之上时形状记忆聚氨酯材料处于高弹态,而且软段微观布朗运动的加剧,致使材料容易变形,此时因为硬段还处于玻璃态,所以阻止了分子链滑移的同时产生了一个内部的回弹力;当温度从冷却的温度增加到软段的转变温度以上时,硬段储存的应力释放,进而导致了材料能够回复到初始形变。但是并非所有的聚氨酯都具有形状记忆效应,只有当软硬段分子量控制在一个的合适范围内时,聚氨酯才具备形状记忆效应.

形状记忆合金材料的应用

形状记忆合金材料的性质与应用综述 【摘要】形状记忆合金是一种新型功能材料,在各个领域有着广泛的应用。本文简要介绍了形状记忆合金的特性、应用以及发展前景。 【关键词】形状记忆合金应用发展现状 【引言】形状记忆合金(Shape Memory Alloys, SMA),是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形,恢复其变形前原始形状的合金材料。最早关于形状记忆效应的报道是由Chang及Read等人在1952年做出的。他们观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。[3]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 Ti-Ni合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应,才引起了科学界与工业界的重视。这种新型功能材料目前已广泛用于电子仪器、汽车工业、医疗器械、空间技术和能源开发等领域。 一、形状记忆合金的分类 1、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。 2、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。 3、全程记忆效应: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。 二、形状记忆合金的特性 1、形状记忆效应:合金在某一温度下受外力而变形,当外力去除后,仍保持其变形后的形状,但当温度上升到某一温度,材料会自动回复到变形前原有的形状,似乎对以前的形状保持记忆,这种效应称为形状记忆效应。 2、超弹性:在高于A f点、低于M d点的温度下施加外应力时产生应力诱发马氏体相变,卸载就产生逆相变,应变完全消失,回到母相状态,表观上呈现非线性拟弹性应变,这种现象称为超弹性。 3、高阻尼特性:形状记忆合金在低于Ms点的温度下进行热弹性马氏体相变,生成大量马氏体变体(结构相同、取向不同),变体间界面能和马氏体内部孪晶界面能都很低,易于迁移,能有效地衰减振动、冲击等外来的机械能,因此阻尼特性特别好。 4、耐磨性:在形状记忆合金中,Ti-Ni合金在高温(CsCl型体心立方结构)状态下同时具有很好的耐腐蚀性和耐磨性。可用作在化工介质中接触滑动部位的机械密封材料,原子能反应堆中用做冷却水泵机械密封件。 5、逆形状记忆特性:将Cu-Zn-Al记忆合金在Ms点上下的很小温度范围内进行大应变量变形,然后加热到高于Af点的温度时形状不完全恢复,但再加热到高于200oC时却逆向地恢复到变形后的形状,称为逆形状记忆特性。 三、形状记忆合金在各领域的应用 1、医疗方面: Ni-Ti合金是医用生物材料的佼佼者,在临床医学和医疗器械等方面广泛应用。 [1]如介入疗法,将各类人体腔内支架、经过预压缩变形后,能够经过很小的腔隙安放到人体血管、消化道、呼吸道、以及尿道等各种狭窄部位,支架扩展后,在人体腔内支撑起狭小的腔道。具有疗效可靠、使用方便、可大大缩短治疗时间和减

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