形状记忆合金讲演.ppt

,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,在此输入文字标题,形状记忆合金,1,成员：袁兴武，李菠，陆凯华，纪良,主要内容,背景及原理,分类,特性及优缺点,国内外发展现状,应用与展望,背景及原理,形状记忆合金（,Shape Memory Alloys,），简称,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。,背景及原理,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。但当时并未引起人们的重视。,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。,背景及原理,工作原理：将形状记忆合金加热至某一临界温度（晶型转变温度）以上进行形状记忆热处理，急冷后形成低温马氏体相，然后施加一定程度的形变，再被加热到临界温度以上，使晶相反转变，由低温马氏体相逆变为高温奥氏体相（母相）而恢复到形变前的固有形状，或者在随后的冷却中，通过内部弹性能释放而返回到马氏体相。,背景及原理,热弹性马氏体：,非热弹性马氏体,(,以,Fe-,Mn,-Si,为例,),奥氏体相（母相）,马氏体相,降温，施加外应力,升温到马氏体转变温度以上,奥氏体相（母相）,路片状马氏体,降温，施加外应力,升温到马氏体转变温度以上,分类,变形的三种形式,分类,按成分可分为三类,铁基形状记忆合金,铜基形状记忆合金,钛镍基形状记忆合金,分类,按驱动方式可分为两类,温度变化驱动：传统非磁性形状记忆合金。,电磁驱动：磁性记忆合金（利用磁场对合金中不利取向马,氏体变体的,Zeeman,静磁力，促使有利取向的马氏体变体长大,并吞并不利取向的变体，从而产生宏观变形，当磁场强度减,小或撤去时又回到初始位置。）。,特性及优缺点,集传感、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（超,/,伪弹性）,有确定的转变温度 （例,Ti-Ni 50,。,C,）,在加热时产生的回复应力非常大，可达,500MPa,不受温度以外的其他因素影响无振动噪声，无污染,抗疲劳 回忆变形,500,万次不疲劳变形,逆形状记忆特性,特性及优缺点,钛镍基,铜基,铁基,优点,钛镍基形状记忆合金的伸缩率在20%以上，疲劳寿命达10的7次方。,超强的耐腐蚀性，好于目前最好的医用不锈钢。,优秀的功能材料，除具有都有形状记忆功能外，还具有耐磨损，超弹性，高阻尼。延展性、形状记忆强度、应变、电阻及稳定性均较好,具有形状记忆、超弹性、高阻尼、和良好的导电性四大功能。,生产工艺简单，成本低廉，性能优良。,其记忆性能仅次于Ni-Ti系合金，相变点可在100到300摄氏度范围内调节。,铜系形状记忆合金比镍,钛记忆合金更便宜且容易加工成型，因此颇具发展潜力。,强度高。,易于加工成型。,铁系形状记忆合金成本低廉，原料丰富。,安全可靠，是很有发展前途的功能材料。,缺点,加工性能差，高成本,铜系形状记忆合金的强度不如镍,钛记忆合金，反复受热的形状记忆能力也衰减较快,不具生物相容性,部分铁基材料耐腐蚀性差，形状记忆特性不如镍钛基,SMA,的强度不高，且制造过程中温度不能太高，否则会影响其记忆性，同时形状记忆合金的响应特性较慢，不适用于实时控制,国内外发展现状,国内：我国从上世纪七十年代末才开始形状记忆合金的研究工作。由于研究条件的限制，在形状记忆合金基础理论和材料科学方面的研究我国与国际先进水平尚有一定的差距，尤其是在形状记忆合金产业化和工程应用方面与国外差距较大。但具有较好研究基础的有北京有色金属研究总院、哈尔滨工业大学、中科院沈阳金属所、西北有色金属研究院、北京航空航天大学、上海交通大学等。,目前我国从事形状记忆合金材料及制品生产的企业有数十家。相对实力较强的是有研亿金、兰州西脉、西安赛特和江阴法尔胜佩尔等,我国的整个形状记忆合金研究主要有以下几个方面：,1,形状记忆合金相变理论,2,新材料开发,3,工程实际应用,国内外发展现状,国外：,生产工艺、加工设备、关键技术、产品质量等方面优势较大,如美国,Wah-Chang,公司，单个铸锭重量已经达到,3300kg,左右。,而我国一般在,50kg,以下。我国在记忆合金薄壁管材的生产技,术等方面还不成熟，而国外的毛细管外径最小可到,0.008m,，厚度可薄至,0.002m,。,应用与发展,形状记忆合金应用十分广泛，涉及到航,空航天，机械电子，医疗及生活用品多,个领域。,航空航天中的应用,形状记忆合金已应用到航空和太空装置。,如用在军用飞机的液压系统中的低温配,合连接件，欧洲和美国正在研制用于直,升机的智能水平旋翼中的形状记忆合金,材料。还可用于制造探索宇宙奥秘的月,球天线，人们利用形状记忆合金在高温,环境下制做好天线，再在低温下把它压,缩成一个小铁球，使它的体积缩小到原,来的千分之一，这样很容易运上月球，,太阳的强烈的辐射使它恢复原来的形,状。,应用与发展,机械电子方面应用,工业机器人夹持器,利用形状记忆合金的单程记,忆效应，考虑到返程的动作。,所以要那个两片形状记忆驱,动元件构成差动结构来完成,反复动作。当,SMA1,弹簧通电,加热而产生收缩变形时，便,带动摆杆向内摆动，加紧工,件。若,SMA1,断电，通电加热,SMA2,弹簧，则后者伸长变形,而推开摆杆放松工件。,应用与发展,机械电子方面应用,紧固铆钉,如图，铆钉尾部记忆成型为开口状，紧固前，将铆钉在干冰,中冷却后把尾部拉直，插入被紧固的孔中，温度上升产生形,状恢复，铆钉尾部岔开，即可实现紧固,。,应用与发展,机械电子方面应用,低温接头,本图为,Ti-Ni,合金在电路连接器方面的应用示例。由于低温时,马氏休相非常软，在插座弹簧力的作用下，使,Ti-Ni,合金的环,张开，插头容易插入。但在高温下将恢复原来形状且不会脱,开，此时紧固力很大，不会产生滑动，可保让接触可靠，在,大电流和振动情况下可放心使用，适用于制造潜艇、火箭、,飞机等电路的连接部分。类似的应用还可蝴作管子接头。,应用与发展,生物医疗方面应用,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。在医学上,TiNi 合金主要应用,于,牙,齿矫形、脊柱侧弯矫形,应用与发展,生物医疗方面应用,记忆食道支架,记忆食道架能在喉部膨胀成新的食道。必要时只要向食道里加上,冰块，“食道”又会遇冷收缩，从而可轻易取出，使失去进食功能,的食道癌患者提高了生活质量。,（,a,）预压缩 （,b,）受热扩张后 （,c,）植入腔道内效果,应用与发展,生活方面应用,记忆眼镜框,利用形状记忆效应可以制成记忆眼镜框，如果不小心被碰弯曲,了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。而且这种眼镜,框具有超弹性，使人佩戴后感到非常舒适。,应用与发展,生活方面应用,温度敏感开关,如图所示，把一普通的偏置弹,簧与形状记忆合金做成的弹簧,串联起来，当温度升高到上限,温度时，形状记忆合金收缩，,切断开关；当温度达到下限温,度时，偏置弹簧的力超过了形,状记忆合金弹簧的力，使电路,接通。它可用作温室窗户开闭,器、室内空调器的阀门、汽车,散热器的风扇离合器、防火用,的灭火器等，很有开发前景。,由于,SMA,的各种功能均依赖于马氏体相变,需要不断对其加热、冷却及加载、卸载,因此,SMA,只适用于低频,(10Hz,以下,),控制中,这就大大限制了材料的应用，有待研究,对于,SMA,的驱动应用需要较为精确的形状控制，因此还需要进一步研究其形变的力学性能，从而提高控制精度和反应速度,。,现有的,SMA,模型在实际工程应用中都还存在一些缺陷,如何克服这些缺点,从而精确地模拟出,SMA,的材料行为也是一个需要研究的重要课题。,在医学应用方面,还需继续研究,SMA,的生物相容性。,SMA,作为一种新型功能材料,其加工和制备工艺较难控制,目前还没有形成一条,SMA,自动生产线,此外材料成本也比较昂贵。,尚未解决问题,充分发掘、改进和完善现有,SMA,的性能,;,研究开发新的具有形状记忆效应的合金材料,;,SMA,薄膜的研究与应用；,SMA,智能复合材料的研究与开发；,高温,SMA,的开发；,磁性,SMA,的研究与开发。,今后发展趋势,Thanks,！,