形状记忆合金在航空工业中的应用研究进展

形状记忆合金在航空工业中的应用研究进展
形状记忆合金在航空工业中的应用研究进展

形状记忆合金在航空工业中的应用研究进展

摘要 : 形状记忆合金具有高能量密度 ,作为驱动器使用不会引起重量的显著增加和空间的过度占用 ,因而在航空航天器的一些结构中具有良好的应用前景。本文对航空工业中使用形状记忆合金作为驱动器 ,应用于飞机机翼结构、进气道结构和发动机的相关研究进行了总结 ,并提出形状记忆合金在航空工业中应用的未来研究方向。关键词 :形状记忆合金 ;机翼 ;进气道;喷气式发动机形状记忆合金(SMA) 作为一种具有特殊性质的材料 ,在工程应用中具有良好前景。特别是 SMA 具有很高的能量密度 ,不会引起重量的显著增加 ,使其倍受航空工业的关注。在宏观层面下 ,SMA 具有两个基本的性质:形状记忆效应(SME) 与超弹性 (SE) 。形状记忆效应是指 SMA 在外力作用下发生较大的塑性变形 ,在经历升温后回复到外力作用前的状态;SE 是指 SMA 在较高的温度状态下 ,在加载过程中产生较大的应变 ,在撤除载荷后仍可以恢复到原来的形状[1] 。利用 SMA 的记忆效应提供的大回复力以及大回复位移 ,使其已应用在宇宙飞船天线形状、飞行器机翼、发动机喷口的形状控制及对这些结构的振动控制[2 ,3] ,Andrew Peter Jardine 等还利用 SMA 在提高飞行器舱门密封上获得了专利[4] 。利用 SMA 超弹性的滞回特性 ,可以用于工程结构中的振动控制[5] 。SMA 在不同转变温度下表现出的不同性质 ,是其内部固2固相转变造成的。 SMA 的相转变温度可以在 - 150 ℃~200 ℃之间通过合金的成分和热处理工艺进行调节 ,相变的四个关键温度点分别为 :马氏体结束温度

( Mf ) ,马氏体开始温度( Ms) ,奥氏体开始温度( As ) ,奥氏体结束温度( Af ) [6] 。SMA 在加热至奥氏体开始温度以上时 ,发生从马氏体到奥氏体的相变;当 SMA 冷却时 ,在奥氏体向马氏体转变之前还要发生中间相 R 相变[7] 。目前大规模使用的金属作动器一般都是 NiTi 族记忆合金 ,其已经商业化并且具有良好的工程特性 ,但是在截面尺寸、性质的可重复性以及相变温度等存在一些限制。镍钛族合金的相变点温度对合金中的钛镍比例非常敏感。其成分中任一种改变 011 %都会引起相变点温度发生 10 ℃的变化[8] 。 SMA 的这些特点 ,使其在航空工业中的应用研究非常活跃 ,特别是在机翼结构、进气道结构及发动机中的研究应用受到了“智能翼计划”、SAMPSON 计划等的支持。

自上个世纪30年代人们发现Au-Cd合金具有记忆效应以来,进过几十年的研究,发现的形状记忆合金按相变特征类,可分成如下几个系列[28]:

1、由热弹性马氏体相变呈现形状记忆效应的合金

1) TiNi系列,发生体心立方——无公度相——菱方R相——单斜BI9相变。包括TiNi、TiNiFe、TiNiCu、TiNiNb(宽滞后)、TiNiCo等。

2) β铜基合金系,包括:Cu-Al-Ni(Cu-Al-X=Ti或Mn),发生体心立方—近正交γ1’(2H)或单斜β1’(18R1), γ1’—单斜β1”(18R2),β1”--单斜α1, β1’--

单斜α1相变(视应力大小而定);Cu-Zn-Al-X(Cu-Zn-Al-X,X=Mn或Ni等),发生体心立方(β2、DO3或Lα1)--单斜9R或18R相变;其它,如Cu-Zu和Cu-Zn-X (X=Si、Sn、Au等)。

3)其它有色合金系,包括:Au-Cd、Ag-Cd、In-Ti、Ti-Nb、Co-Ni、Ni-Al 等。

4) Fe3Pt(γ—α’,γ—fct)和Fe-30at%Pd(γ—fct)。

5) Fe-Ni-Co-Ti系,发生时效γ一薄片状α’(bcc和bct)马氏体相变,如

Fe-33Ni-l0Co-4Ti、Fe-31Ni一I0Co-3Ti及Fe-33Ni-l0Co-(3~4)Ti-Al等。

2、由非热弹性马氏体相变呈现形状记忆效应的合金

1) Fe-MIn-Si系,发生γ一六方ε相变,包括Fe-30Mn-1Si(单晶)、Fe-(28~33)Mn-(4~6)Si、Fe-Mn-Si-Ni-Cr、Fe-14Mn-6Si-5Ni-9Cr、Fe-20Mn-5Si-5Ni-8Cr、

Fe-Mn-Si-9C、Fe-8Mn-6Si-6Ni-13Cr- 12Co等。

2) Fe-Ni-C系,发生γ一薄片状α’马氏体相变,如Fe-3INi-0.4C 和Fe-(26~28)Ni-12Co-4Al-0.4C。

其中Ni-Ti基合金的形状记忆效应最佳,是重要的形状记忆材料。Ni—Ti 中具有多种相变:无公度相变、R相变(马氏体型)、马氏体相变、沉淀。

1、形状记忆合金( SMA)在机翼结构中的应用

机翼具有变形能力,可以在很大程度上提高系统的性能,特别是在提高回转半径、增加续航能力、增大负载以及提高最大速度等优势明显。在机翼变形上,研究覆盖大规模展弦比变化、翼面积变化、翼型变化[9] 、掠角变化[10] 、刚度变化[11 ,12]及翼扭转、缘弯曲[13]等方面。其中利用SMA 驱动的无铰链弯曲结构的相关研究最为密集。航空飞行器设计人员一直致力于提高飞行器的效率和性能。特别是飞机机翼的设计都是在某个飞行条件下具有最高效率,但在其他飞行条件下性能会有一定的下降。这种下降可以通过前、后缘的铰链结构的偏转控制翼表面形状来抑制。但这种结构使气流过早发生分离,并且增加了阻力。如果使用连续的自适应翼面控制则可以延迟气流分离,减小阻力、提高升力。所以在1995 年由DARPA ,AFRL ,NASA 以及Northrop Grumman 公司共同发起的智能翼计划,提出使用无铰链翼结构实现机翼表面控制的概念

[14] 。这种无铰链结构是通过由SMA 驱动的若干个可弯曲单元构成。这种可弯曲单元结构由SMA 面板、波纹板及刚性芯构成[15] 。此结构的变形利用的是SMA 在马氏体状态下产生塑性变形的应力小于其相变过程中的回复力,使一侧回复形状的同时将另一侧拉伸,实现双向变形。当结构中SMA 的最大变形量设计为 a %时,需将上下两侧的SMA 面板在马氏体状态下各拉伸a %/ 2 后与波纹板连接,波纹板的另外一侧与刚性芯相连。当驱动 A 表面的SMA 时,其收缩时通过波纹板拉动刚性芯弯曲,同时将另外一侧处于马氏体状态的B 表面拉伸至 a % 完成一次变形过程。可以通过波纹板角度θ、波纹间距λ、波纹板厚度t 等参数对结构进行设计[16] 。机翼后缘的形状可以通过对这这些结构单元不同组合进行驱动后获得均一、鸟翅状及浴盆状形状[17] 。这种机翼的变形使得机翼的升力大幅度增加, 从而实现飞机以较小的攻角来获得较大的升力,同时,由于较小的攻角使机身的阻力较小,这样也提高

了飞行效率。缩比件模型的风洞实验结果表明[18~20] ,在机翼变形方面,这是一种成功的结构。虽然在静力状态下可以利用SMA 作为驱动器设计翼变形的主要形式出理想化的可变形翼的结构和形式,但在气动载荷作用下,机翼能否实现预期的变形,还要综合考虑在气—固耦合的条件下,力、热、变形等多因素的影响, 还需要做大量的相关研究工作。

2、SMA 在进气道结构中的应用

美国在DARPA 支持下,提出了一项名为智能航空与航海推进系统论证计划(SAMPSON 计划) 由NASA 的LaRC 和ONR 共同担当,其中一项旨在根据飞行条件使进气道几何形状最优化而获得飞行效益的提高。进而评估和展示智能材料技术使结构实现变形的能力,为将智能材料技术应用于全比例飞行器铺平道路[21~25] 。在目前进气道的设计方法中,进气道入口固定不变的几何形状只是为某几个飞行条件下提供最优化的性能。对于使用喷气式发动机作为动力的飞行器来讲,发动机对进入的气流有如下的要求:1)气流具有均匀的速度;2)马赫数大约为015 ;3) 尽可能高的压力恢复。在低速状态下,需要进气道具有大吸收面、钝角前缘来获得高速气流;在亚音速巡航状态下,尖锐前缘则有助于减小阻力,并且比钝角前缘具有更高的耐受性,吸收面的减小可以使发动机获得需要的气流速度,此时如果吸收面不减小,多余空气的溢出将引起阻

力增加。

飞行器在很宽的飞行速度、高度和攻角范围内, 发动机进气系统必须向发动机提供合适的气流条件,所以固定几何形状的进气系统无法提供在所有飞行条件下的理想性能。对于普通的战斗机飞行速度低于2 马赫,通常采用固定几何形状的进气系统, 这种设计实际上是在降低成本的基础上在飞行条件和飞行性能之间的折中。对于起飞、降落和机动(例如大攻角)情况下,前缘钝化到最大,并且向外旋转以提供更大的吸收面;在亚音速巡航条件下,进气道前缘减小其前缘半径有助于减小阻力,其向内的旋转有助于减小吸收面面积和阻力; 在超音速条件下,压力系统使顶部或侧面进气道壁突出,前缘保持尖锐的角度以及旋转适宜的角度调整吸收面面积。进气道吸收面的变形能力是获得优化气流的主要部分。飞行器在低速状态下,气流速度较低,所以需要较大的吸收面提供所需的大流量气流;在高速状态下,气流速度也较高,发动机所需的气流量可以通过较小的吸收面获得。而固定不变的吸收面其形状只适于飞行器在较低速度下向发动机提供所需气流量,在高速下将产生有害的过剩气流,过剩气流会增加进气道的阻力,有时候还会产生引起结构危险振动的尾流。目前诸如F - 15 ,SR - 71 等都采用了吸收面可变进气道以提高飞机性能,其驱动机构主要使用液压驱动,重量与体积相对较大。在SAMPSON 计划中主要针对吸收面、进气道内壁和前缘的形状变化。可变形的吸收面可以为发动机提供最优的空气流量,提高发动机性能并使溢出功最小化,进气道内壁的可变形可以影响空气流量,并对压力恢复产生影响;前缘钝度的变化可以减小阻力,较钝的前缘在飞行器较低的速度下可以减少气流分离,在高速下会增加阻力,较锐的前缘则可以在高速条件下减小阻力。

2.1吸收面面积改变

进气道吸收面的变化是通过进气道头罩角度的旋转来实现的。在 F - 15 战机现有的依靠液压系统改变头罩角度的进气道基础上,使用SMA 替换液压系统实现相同功能。这种概念性的应用是通过SMA 丝束拉动机械滑块来实现的。由于SMA 需要通过通电加热实现驱动,SMA 丝之间通过聚四氟乙烯管进行电气隔离,并使用陶瓷连接器在端部将所有SMA 丝固定,并在引出端完成电气连接。为了保证SMA 驱动器的行程,在可回复应变为 4 %条件下,SMA

丝的长度为150in 即可达到12in 的行程。整个驱动系统由四束SMA 组成,每束包含34 根SMA 丝,每两束为一组。四束SMA 通过链条与链轮连接在一起。丝束以颉抗的形式工作:推杆与其中一束SMA 固定,当其中 A 组SMA 束受到驱动时,SMA 收缩拉动推杆回退,使头罩向上转动,吸收面增大,同时处于马氏体状态的 B 组SMA 束被拉伸;待 A 组冷却达到马氏体状态后,对 B 组SMA 束进行驱动,推杆被向前推动,同时头罩向下转动, 吸收面减小,同时 A 组SMA 束被拉伸。

2.2 前缘变形在SAMPSON 计划中,增加了一个进气道前缘变形的设计概念。在F - 15 原型机上并无此结构。增加了可变形前缘后,通过前缘偏转角度的变化可以配合头罩的转动实现吸收面面积较大的变化。在柔性蒙皮板中植入了若干的SMA 丝,上下柔性蒙皮同样以颉抗的形式工作,当其中一层蒙皮内的SMA 被加热驱动,前缘则向该方向发生弯曲,同时,另一侧柔性蒙皮内的SMA 亦被拉伸。前缘的向上弯曲可以减小吸收面面积,向下弯曲可以适当增大吸收面面积。

2.3 内壁形状改变

内壁由两部分组成,外层是原进气道的固定结构,在其基础上增加一层柔性蒙皮板,SMA 丝穿在柔性蒙皮中,当对SMA 丝进行驱动时,SMA 丝受热收缩拉动柔性蒙皮向内突出,并通过固定结构上的矩形孔上的滑块限定柔性蒙皮变形[26] 。

2.4 前缘钝度变化

前缘的钝度改变是通过系统中的压电驱动器输出动力,经过齿轮传动使推杆推动横杆向前移动使前缘张开,使钝度增大。由于前缘半径处的材料需要有很大的弹性区域,研究人员发现,使用超弹性SMA 薄片非常适合。在SMA 超弹性区域内可以使前缘半径在0125~1125in 之间变化。利用超弹性SMA 的前缘钝度变化进气道变形的相关研究工作开辟了智能结构在军用飞行器集成应用的新领域。利用SMA 作为驱动器,使在狭窄空间内完成目标动作成为可能,创新了可变形结构的设计方法。在全比例演示模型上获得的成功表明,这种设计方法与理念,有望真正应用于航空工业。

3、SMA 在航空发动机中的应用

目前SMA 应用于航空发动机的研究,主要集中在降低民用航空涡轮风扇发动机噪音和喷口变形上。

3.1 抑制噪音

在机场周边地区降低发动机噪音一直是一个备受关注的问题,航空发动机的生产商也不断采用新技术来降低涡轮风扇发动机的噪音。其中一项有前景的技术就是采用锯齿状喷口。齿状喷口是一种沿着气流方向,由齿状结构根部向尖端逐渐伸入气流内部的圆齿组成[8] 。普通的涡轮风扇发动机,在工作时喷出与发动机轴线平行的高速气体,由于其速度比发动机喷口外的大气速度高得多,两种气流的剪切会造成很大的噪音。采用锯齿状喷口设计,通过在喷口处固定的锯齿结构伸入高速喷出的气流中,干预喷出气流与大气气流的混合,使两者的混合平稳,进而达到降低噪音等级的作用[27] 。近年来的研究表明,固定的锯齿状发动机喷口可以有效减小发动机噪音2~3EPNdB ,但会产生大约0125 %的推力损失。然而,对人们影响最大的是飞机在起飞和爬升阶段的噪音,如果使用自适应控制系统使得锯齿结构仅在需要时起作用是我们所期望的,可以通过可变锯齿的浸入深度和圆周分布使降低发动机噪音达到最优[28 ,29] 。在航空用钛合金(如Ti - 6Al - 4V) 结构件上安装SMA 薄片驱动器(图6) ,当飞机起飞和爬升过程中就可利用发动机高功率下喷出的炽热气体

加热SMA 使其发生相变驱动结构变形,使锯齿结构伸入气流中,达到降低噪音的目的;当飞机处于巡航阶段,发动机较低的功率使得发动机周围空气相对冷却,SMA 发生逆相变,钛合金部件在本身弹性作用下使锯齿结构返回初始状态,并且每个锯齿结构可以单独控制其变形[30] 。

3.2喷口变形

涡轮风扇发动机喷口对飞行器性能具有很大的影响作用。可变形发动机喷口技术已经成为下一代高函道比涡轮风扇发动机的新兴技术。普通涡扇发动机的喷口不可变形,其形状是在发动机高速巡航的高效状态与发动机喷口边缘最佳形状之间的折中设计;可变形喷口可以使发动机在起飞及降落时获得更大的边缘效应,在高速巡航时获得更高的燃油效率[31] 。对高函道比涡轮风扇发动机的风扇喷口区域控制可以更加自由地选择发动机参数,使得在特定的燃油

消耗下与普通情况相比推力增加9 %;与齿轮降速涡轮机相比推力增加415 %。并且使用SMA可以减少作动能量,基于SMA 驱动的系统,产生旋转不需要

滑动元件,使机械结构更加简单。可以显著减少系统的复杂程度,并且提高可靠性[32] 。为了提高发动机在更宽操作条件下的效率,可以通过改变发动机喷口面积来实现(图7) 。一般情况下调节发动机喷口的驱动器使用电动马达或液压驱动器。与一般的作动器相比,由于SMA 具有高能量密度,SMA 驱动器能极大地减小驱动系统的重量。所以SMA 作动器替代航空中常规作动器具有潜在优势[33] 。

结论

(1) SMA 的高能量密度和较大的可回复变形量同其他智能驱动材料相比,更具有优势替代现有航空飞行器结构中使用的液压驱动器、电机驱动器以及以新的结构形式替代现有结构,以智能变形结构的形式实现飞行器多目标优化。(2) SMA 在机翼结构、进气道结构及发动机中的应用研究表明,其在减轻结构重量、缩小结构体积、提高结构效率等方面具有现实意义。(3) SMA 本身主要靠温度及应力激励,目前的一些研究主要对SMA 进行温度激励,这使得SMA 不但受到外界环境温度的影响也使其响应速度相对较慢。今后的研究将集中于提高SMA 响应速度和含有SMA 的新型结构设计上。并且综合考虑作用在飞行器结构上的气动载荷,使飞行器结构在SMA 驱动下发生微小变形后,引起气动载荷在飞行器结构上的重新分布来获得飞行器结构更大的变形,使飞行器结构在真正意义上适应环境变形,将是今后的研究重点。

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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]。

形状记忆合金的制备方法作用及发展前景

形状记忆合金的制备方法,作用及发展前景摘要:本论文主要论述形状记忆合金的相关内容,扼要地叙述了形状记忆合金的制备方法,作用,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:形状记忆合金制备方法应用发展前景 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温度下发生的形变,恢复其形变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。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恢复力的才具有利用价值。到目前为止,应用最多的是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,集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可制作小巧玲珑,高度自动化,性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得广泛应用。 正文 一.形状记忆合金的制备方法

形状记忆合金及其制备方法,该合金含有主要合金元素Ti、Zr、Nb及添加元素包括Mo、V、Cr、Sn,并加入元素Al;各组分重量百分比分别为:Ti:46-60,Zr:15-25,Nb:15-25;添加元素选取Mo、V、Cr、Sn其中一种或两种,其重量百分比<2.0;Al:0.5-2.5。本发明选用的主要合金元素均为对人体无毒性反应且生体适应性良好的物质;经溶解合金化后,该合金具有出色的形状记忆性能及超弹性特点,并可以进行超过50%乃至99%的冷加工变形性。经过固溶、时效处理的合金可在更广的范围内具有较高的形状记忆回复功能、较高的冷加工塑性及对人体无毒性等优良性能。? 二.形状记忆合金的应用 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: (1)自由回复 SMA在马氏体相对产生塑性变形,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。美国航空航天局将Ti2Ni合金板或棒卷成竹笋状或旋涡状发条,收缩后安装在卫星内。发射卫星并进入轨道后,利用加热器或者太阳能加热天线,使之向宇宙空间撑开。血栓过滤器把Ni2Ti合金记忆成网状,低温下拉直,通过导管插入静腔,经体温加热后,形状变成网状,可以阻止凝血块流动。有人设想,利用形状记忆合金制作宇宙空间站的可展机构,即以小体积发射,于空间展开成所需的形状,这是很有吸引力的机构。

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,

关于形状记忆合金的若干论述

关于形状记忆合金的若干论述 摘要:19世纪70年代,世界材料科学中出现了一种具有“记忆”形状功能的合金。这种记忆合金具有很广阔的应用前景,如今记忆合金已然在交通、医疗、自动化控制等方面有了重要的应用。本文介绍了它的相关概念、微观机理、分类及其在材料学中的地位。 关键字:形状记忆合金;形状记忆效应;功能材料;机理;应用 引言:形状记忆合金作为一种新型功能性材料为人们所认识,并成为一个独立的学科分支,可以认为是始于1963年。当时美国的海军武器实验室的 W.J.Buchler博土研究小组,在一次偶然的情况下发现,TiNi合金工件因为温度不同,敲击时发出的声音明显不同,这说明该合金的声阻尼性能与温度相关。通过进一步研究,将这种材料制成的细丝的一端弯曲,并靠近点烟火柴火焰,发现弯曲的细丝伸直了,近等原子比TiNi合金具有良好的形状记忆效应,并且报道了通过x射线衍射等实验的研究结果.以后TiNi合金作为商品进入市场。 记忆合金是一种颇为特别的金属条,它极易被弯曲,我们把它放进盛着热水的玻璃缸内,金属条向前冲去;将它放入冷水里,金属条则恢复了原状。在盛着凉水的玻璃缸里,拉长一个弹簧,把弹簧放入热水中时,弹簧又自动的收拢了。凉水中弹簧恢复了它的原状,而在热水中,则会收缩,弹簧可以无限次数的被拉伸和收缩,收缩再拉开。 这些都由一种有记忆力的智能金属做成的,它的微观结构有两种相对稳定的状态,在高温下这种合金可以被变成任何你想要的形状,在较低的温度下合金可以被拉伸,但若对它重新加热,它会记起它原来的形状,而变回去。这种材料就叫做记忆金属。它主要是镍钛合金材料。 一、相关概念:形状记忆效应 一般金属材料收到外力作用后,首先发生弹性变形,达到屈服点,金属就产生塑性变形,应力消除后就产生了永久变形。有些金属在高温下定形后冷却到低温并施加变形,从而形成残余形变。当材料加热时,材料的残余形变消失,并回复到高温下所固有的形状。再进行加热或冷却时,形状保持不变,这就是所谓的形状记忆效应,它就像合金记住了高温状态的形状一样。具有形状记忆效应的金属通常是两种以上金属的合金,因此称为形状记忆合金 [1] 形状记忆效应是在马氏体相变中发现的。通 常把马氏体相变中的高温相叫做母相,或奥氏体 相(P),是一种体心立方晶体结构的CsCl相(又 称B2)。低温相叫做马氏体相(M),是一种低对 称性的单斜晶体结构。从母相到马氏体相的相变 叫做马氏体正相变,或马氏体相变。从马氏体相 到母相的相变叫做马氏体逆相变 [2][3]。 这类相变具有热滞效应。四个相变特征温度分别 为马氏体转变开始温度Ms、终了温度Mf、母相转 变(即逆转变)开始温度As和终了温度Af。热滞 回线间的热滞大小一般为20K~40K[3]。 二、微观机理

形状记忆合金文献综述

形状记忆合金性能及其应用 摘要:形状记忆合金具有形状记忆效应、超弹性效应、高阻尼特性、电阻突变效应以 及弹性模量随温度变化等一般金属不具备的力学特性,使其在仪器仪表、自动控制、机器人、机械制造、汽车、航天航空、生物医学等工程领域都能发挥重要的作用,对其本 构性能和在工程应用中的性能的研究十分必要。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。 关键字:形状记忆合金形状记忆合金效应分类应用 1形状记忆合金简介 1.1 形状记忆材料是指具有形状记忆效应(shape memory effect,简称SME)的材料。形 状记忆效应是指将材料在一定条件下进行一定限度以内的变形后,再对材料施加适当的 外界条件,材料的变形随之消失而回复到变形前的形状的现象。通常称有SME的金属材料为形状记忆合金(shape memory alloys,简称SMA)。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) 。 1.2 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。 1.3 形状记忆合金的历史只有70多年,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",其实用价值相当广泛,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。 2形状记忆合金效应分类 2.1 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

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

磁性形状记忆合金

二、文献综述 1.磁性形状记忆合金 磁性形状记忆合金是既受温度控制的热弹性记忆效应,同时也具有受磁场控制的磁性形状记忆效应。磁性形状记忆合金具有很多优良的性能,如:高响应频率、大输出应力,磁致伸缩应变大等1,所以是一种理想的驱动和传感材料。 3. Heusler合金及其结构 Heusler合金是在研究MSMA中研究最多的一种合金,也是现在备受关注的一类功能材料,具有独特的磁性、半金属性、磁性形状记忆效应,有着广泛的应用前景。Heusler合金是1903年,德国人F.Heusler第一次报道两种金属间化合物的磁性,这两种化合物是Cu2MnAl 和Cu2MnSn。随后,英国人P. Webster 发表了一篇关于高有序度合金(Heusler 合金)的文章10 Heusler合金是一种金属间化合物,通常具有L21性结构,化学分子式为X2YZ,Z则是周期表右边B类IV族,及其两边的III 族和V族的元素。X、Y 可以是元素周期表中钪、钛、矾、铬、锰、铁、钴、镍、铜等3d 元素以及排列在它们所在列中下面的扩展的过渡族元素,共有约30个。 Heusler 合金可以看成由四个面心立方结构的亚晶格沿对角线四分之一相互交叉而成。X 和Y原子占据(A,C)以及B位,Z原子占据D位。其中ABCD的坐标分别为A (0, 0, 0), B ( 1/4,1/41/4 , ), C ( 1/2,1/2 1/2, ) 和D (3/4 3/4,3/4 , ) 图1.Heusler 合金晶体结构示意图 1.2 Heusler合金的结构和开发潜力 Heusler型合金是一种高度有序的金属间化合物,具有立方L21结构,空间

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

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,

形状记忆合金在医学上的应用

论文名: 形状忆合金在医学上的应用 学院:材料与化工学院 专业:金属材料工程 班级: 学号: 姓名:

内容摘要形状记忆合金的研究是近几年工程技术界颇为关注的一项 高新尖技术,其在航空航天、机械电子、工程建筑、医学医疗等相关领域已取得了一些应用性研究成果.本文介绍了形状记忆合金特点、功能、以及在现代医学中的研究与应用的现状与发展趋势. 关键词形状记忆合金医学领域 1.前言 在人类文明发展史上,材料是科学技术进步的重要支柱,也是社会进步的物质基础。在科技日新月异的今天,新材料更是高科技发展的先导。形状记忆合金正是新科技领域的一朵奇葩,正在灿烂的绽放。 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"。 1963年,美国海军军械研究所的比勒在研究工作中发现,在高于室温较多的某温度范围内,把一种镍-钛合金丝烧成弹簧,然后在冷水中把它拉直或铸成正方形、三角形等形状,再放在40 ℃以上的热水中,该合金丝就恢复成原来的弹簧形状。后来陆续发现,某些其他合金也有类似的功能。这一类合金被称为形状记忆合金。每种以一定元素按一定重量比组成的形状记忆合金都有一个转变温度;在这一温度以上将该合金加工成一定的形状,然后将其冷却到转变温度以下,人为地改变其形状后再加热到转变温度以上,该合金便会自动地恢复到原先在转变温度以上加工成的形状。 1969年,镍--钛合金的“形状记忆效应”首次在工业上应用。人们采用了一种与众不同的管道接头装置。为了将两根需要对接的金属管连接,选用转变温度低于使用温度的某种形状记忆合金,在高于其转变温度的条件下,做成内径比待对接管子外径略微小一点的短管(作接头用),然后在低于其转变温度下将其内径稍加扩到该接头的转变温度时,接头就自动收缩而扣紧被接管道,形成牢固紧密的连接。美国在某种喷气式战斗机的油压系统中便使用了一种镍-钦合金接头,从未发生过漏油、脱落或破损事故。 1969年7月20日,美国宇航员乘坐“阿波罗”11号登月舱在月球上首次留下了人类的脚印,并通过一个直径数米的半球形天线传输月球和地球之间的信息。这个庞然大物般的天线是怎么被带到月球上的呢?就是用一种形状记忆合金材料,先在其转变温度以上按预定要求做好,然后降低温度把它压成一团,装进登月舱带上天去。放置于月球后,在阳光照射下,达到该合金的转变温度,天线“记”起了自己的本来面貌,变成一个巨大的半球。科学家在镍-钛合金中添加其他元素,进一步研究开发了钦镍铜、钛镍铁、钛镍铬等新的镍钛系形状记忆合金;除此以外还有其他种类的形状记忆合金,如:铜镍系合金、铜铝系合金、铜锌系合金、铁系合金(Fe-Mn-Si, Fe-Pd)等。 而今形状记忆合金以应用到我们生活的各个领域,正在改变着我们的生活。

形状记忆合金研究现状及应用

形状记忆合金发展及应用 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及其在许多领域的应用以及未来的一些发展趋势。 关键字:形状记忆合金各领域应用发展趋势 引言:形状记忆合金(shape memory alloy,缩写为SMA)作为一种新型功能性材料,其最显著的特性是形状记忆效应,1932年由Olander在研究AuCd合金时首次发现,随后引起了人们的广泛重视,并由此开始了广泛研究和应用。随着人们逐渐发现形状记忆合金的一些重要特性,如超弹性效应、弹性模量温度变化特性和良好的阻尼性能等。正是这些显著的性能使得形状记忆合金被广泛地应用和研究,应用领域涉及电子、机械、运输、化学、医辽、能源、航天与土木工程等领域。 一、形状记忆效应的发现 1932年瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到了形状记忆效应。最早关于形状记忆合金效应的报道是有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,才引起了材料科学界与工业界的重视 二、记忆效应的分类 (一)单程记忆效应 形状记忆合金在较低温度下变形,较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。 (二)双程记忆效应 某些合金加热是恢复高温相形状,冷却时又能恢复低温相形状,称为双程记忆效应。

(三)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。 三、形状记忆合金在各领域的应用 (一)航空航天工业方面 形状记忆合金可用于制造探索宇宙奥秘的月球天线。由于天线体积庞大,运载上月球很不方便,人们在一定温度环境下用形状记忆合金制成抛物面天线,再在低温下把它压缩成一个直径5厘米以下的小团,使它的体积缩小到只有原先的千分之一,放入登月小艇的舱内,在月面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状。这样就能用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线了。 (二)生物医疗方面 TiNi合金的生物相容性很好,利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。在现有的实用记忆合金中只有与生物体接触后会形成稳定性很强的钝化膜的合金才可以植入生物体内,其中仅合金满足使用条件是目前医学上主要使用的记忆合金在医学上合金应用较广的有口腔牙齿矫形丝外科中用的各种矫形棒、骨连接器、血管夹、凝血滤器等现在在血管扩张元件中也应用了形状记忆合金。 (三)其他方面 1、眼镜框架 在眼镜框架的鼻梁和耳部装配合金可使人感到舒适并抗磨损,由于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合金丝做眼睛框架,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行。 2、桥梁结构振动控制 记忆合金可用于桥梁被动控制及主动控制、拉索振动控制。对于目前桥梁结构振动控制,合理、有效、安全与经济的抗震途径是采用桥梁减震、隔震新技术,通过设置隔震器和阻尼器,达到增加结构延性、降低结构振动反应和消耗地震能量,把桥梁的变形限制在弹性范围内。对于桥梁结构的隔震体系,不仅要提供附

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。

形状记忆合金及应用

形状记忆合金及应用 XXX (化学化工学院材料化学材料化学1001) 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,本文扼要地叙述了形状记忆合金及其机理以及在一些领域的应用。 关键词形状记忆合金原理应用 Abstract The shape memory effect since the 1930s reported gradually get people's attention and application, this paper briefly describes the application of shape memory alloy and its mechanism, and in some areas. Key words Shape memory alloys Principle Application 1.引言 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。形状记忆合金是一类具有形状记忆性能的合金, 其主要特征是具有形状记忆效应(SME)[1]。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Ni-Ti合金和铜基合金( CuZnAl 和CuAlNi) 。 2.SMA 2.1 发现历史 形状记忆效应是张禄经和Read在1951年在AuCd合金中最早观察到的[2], 直到1963年Buehler的课题组在Ni-Ti合金中发现了类似的形状记忆效应之后[3],才真正引起很多科学家的重视。 2.2 晶体学特性 SME 的本质是合金中的热弹性马氏体相变[4]。马氏体相变发生的能量条件是马氏体的化学自由能必须比母相的低。也就是说,只有当母相过冷到马氏体相与母相化学自由能平衡温度T0以下适当温度Ms 时,马氏体将长大,直到热化学自由能和弹性非化学自由能两者之差最小时,马氏体的生长过程才告结束。同样,只有当马氏体过热到T0以上温度As 时, 在相变驱动力作用下, 马氏体缩小的逆转变过程才能开始。这种马氏体的长大或缩小受热效应和弹性效应两因素平衡条件的制约的相变称为“热弹性马氏体相变”。相变并不是发生在某一温度点, 而是一个温度范围, 不同的合金系具有不同的温度范围。 图1 相变温度曲线 图( 1) 显示了相变特性及相变循环中的关键点, 其中Ms, Mf为马氏体相变的开始和结束时的温度, As,Af为逆相变的起始和结束温度,人们通常用相变温度Af表征合金的特性。多数的合金, 相变发生在较窄的温度范围内, 而且伴随着滞后现象,以致加热与冷却的转变过

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.

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