13
形状记忆合金在航空航天中的应用
航天飞机释放的膨胀月面天线
14
15
形状记忆合金在航空航天中的应用
自适应智能机翼
➢形状控制被认为是航空工业中的智能结构中非常有前景的一 项应用。通过形状记忆合金复合材料的传感与驱动功能可直接 导致飞行器结构形状的改变,大大地减轻飞行器的重量。同时 这种飞行器自适应形状结构可以增大航程，减少摩擦，提高空 气弹性变形特性。这是因为自适应智能机翼具有连续的自适应 表面，可以延缓空气分叉，因此可以减少摩擦和增加爬升力。 图为NASA中心制作完成了30%比例的智能机翼模型。在高 速度、等角机翼后缘控制等实飞条件下取得到了成功。
形状记忆合金
1
（a）
（b）
（c）
（d）
2
一:形状记忆合金的应用背景 二：形状记忆合金的记忆原理 三：形状记忆合金的功能特点 四：形状记忆合金的应用 五：形状记忆合金的发展前景
3
形状记忆合金应用背景
想象一下
• 飞机在出现事故如鸟撞击飞机时,飞机能自我修复裂痕。 • 在地震中受到破坏的建筑物、桥梁能自行加固，裂缝会自
20
形状记忆合金在航空航天中的应用
记忆合金管接头
➢在飞机上通常装有各种不同直径的管道,对于一些异径管接头的连接，形状记忆合 金可以大显身手。 ➢先将形状记忆合金材料加工成所要求的管材，然后经适当热处理使管材产生径向 膨胀，并快速冷却，即可制得马氏体相变后套管。应用时，将此套管套在需要连接 的两个管材的接头上，再用加热器将已膨胀的套管加热至其软化点（即奥氏体温度） 以上，膨胀管便收缩到初始形状，紧紧包覆在管接头。
材料只有0.1％以下 有确定的转变温度 镍~钛 50℃ 在加热时产生的回复应力非常大，可达500MPa 对环境适应能力强，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
12
形状记忆合金在航空航天中的应用
月面天线
宇宙飞船登月之后,为了将月球上收集到的各种信息发回地球，必须在月球上 架设直径为好几米的半月面天线。要把这个庞然大物直接放入宇宙飞船的船舱中 几乎是不可能。但利用形状记忆合金则能使其成为可能。
先用镍钛合金在高温下制成半球形的月面天线（这种合金非常强硬，刚度很 好），再让天线冷却到28℃以下。这时，合金内部发生了结晶构造转变，变得非 常柔软，所以很容易把天线折叠成小球似的一团，放进宇宙飞船的船舱里。到达 月球后，宇航员把变软的天线放在月面上，借助于阳光照射或其他热源的加热使 环境温度超过奥氏体相变温度，这时天线犹如一把折叠伞那样自动张开，成为原 先定形的抛物状天线，迅速投入正常的工作。
17
形状记忆合金在航空航天中的应用
智能机械手
➢形状记忆元件具有感温和驱动 双重功能,因此可制作用于航天空 间探索的智能机械手。手指和手 腕靠Ti-Ni合金螺旋弹簧的伸缩 实现开闭和弯曲动作，肘和肩是 靠直线状Ti-Ni合金丝的伸缩实 现弯曲动作。各个形状记忆合金 元件都由直接通上的脉宽可调电 流加以控制。 ➢这种机械手的最大特点是小型 化，非常适于航天的无人操作活 动。其另一个重要特征是动作柔 软，非常接近人手的动作,可完成 许多细腻的工作，如取出鸡蛋等。
18
形状记忆合金在航空航天中的应用
智能机械手
2004年初登上火星的探测机器人“勇气”号、“机遇” 号
19
形状记忆合金在航空航天中的应用
记忆铆钉
➢在飞机的制造工艺中,需要用大量的连接件如铆钉和螺栓进行连接或紧固。 采用形状记忆合金制作紧固销钉，将是飞机制造业中的一项崭新的工艺技术。 它可以在某些很难进行操作的场合(如在密闭真空中), 较容易地实现材料的链 接和紧固。 ➢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 入被紧固件的孔中,温度上升产生形状恢复,铆钉尾部叉开即可实现紧固。
➢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。从 此形状记忆合金引起了极大的 关注。
5
形状记忆合金演示实验
(a)
(b)
(c)
6
什么是形状记 忆效应？
记忆高温相状态下的形状,即当该材料在 低温下变形后，在加热到较高温度，逆 转变为高温相时，变形可以完全消失， 并恢复到变形前高温相状态下的形态。
这种现象称为形状记忆效应（Shape Memory Effect 简称SME）。
具有形状记忆效应的材料，称为形状 记忆合金（Shape memory Alloy 简称 SMA）。
7
形状记忆合金记忆原理
从微观来看
Gγ Gγ－M
GM GM－γ
Ms
Tc
As
形状记忆效应是热弹性体马氏体相变产生的低温相在加 热时向高温相进行可逆转变的结果。
8

形状记忆合金记忆原理
从宏观来看
9
形状记忆合金分类
➢ 单程记忆效应:在马氏体状态下受力变形,加热时恢复高温 相形状，冷却时不恢复低温相形状。
➢ 双程记忆效应：加热时恢复高温形状，冷却时恢复低温形 状，即通过温度升降自发地可逆地反复恢复高低温的形状。
➢ 全程记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状 相同而取向相反的高温相形状。这是一种特殊的双程记忆 效应。
16
形状记忆合金在航空航天中的应用
自适应智能旋翼
➢ 形状记忆合金可应用于直升飞机的智能水平旋翼．由于直升飞 机的高震动和高噪声使使用受到限制。其噪声和震动的来源主 要是叶片涡流干扰,以及叶片型线的微小差。这就需要一种平衡 叶片螺距的装置，使各叶片能精确地在同一平面旋转。目前已 开发出一种叶片的轨迹控制器。它是用一个小的双管形状记忆 合金驱动器控制叶片边缘轨迹上的小翼片的位置，使其震动降 到最低。
10
形状记忆合金举例
Ti—Ni 系形状记忆合金:优良的力学性能,生物 相容性好。生物医学材料
铜基系形状记忆合金:易成型、价格低。 应用 广泛
铁基系形状记忆合金：强度高、加Cr 、N i 后 能防腐不锈。 钢管的接头
11
形状记忆合金特性
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
行封合。 • 我们使用的各种材料像有生命的东西一样，能根据外界环
境自我判断、自我适应、自我修复。
4
形状记忆合金应用背景
形状记忆合金的发现过程
➢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。