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2009形状记忆合金


(形状)2
在某一温度,物体受外力作用后发生形变, 在另一温度,能全部或部分恢复变形前的 形状。
形状记忆的本质:相变
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形状记忆材料的两个基本特性
形状记忆效应(Shape Memory Effect, SME) 超弹性
形状记忆材料的发展历史
1932年,瑞典人Olander在Au-Cd合金中首次发现了该 合金具有记忆效应; 1938年格雷宁格(A. B.Greninger)等在Cu-Zn合金中观 察到形状记忆效应; 1952年Chang及Read等人最早作出了关于形状记忆效 应的报道; 1963年美国的比勒(W.J.Buehler)等研制出称为Nitinol
定相可分为物理交联结构和化学交联结构。
根据不同可分为: 热塑性形状记忆聚合物 热固性形状记忆聚合物
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形状记忆高分子(shape memory polymer, 简称SMP)
SMP的记忆机理:基于高分子材料中分子链的 取向与分布的变化过程
分子链的取向与分布可受光、电、热、 或化学物质等作用的控制。
传感功能: 材料自身能够探测到外部环境状态的变化
调节驱动功能: 材料能够对探测到的外部环境的变化作出 判断并给出相应的改变材料状态的指令
处理执行功能: 材料能够自动地执行改变材料状态的指令。
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智能材料
计算机 自动控制
能量输入/输出 (声、光、热、电等)
传感、调节驱动、 处理执行三个功能 有机结合
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2、形状记忆聚合物及其应用
热敏形状记忆高分子的机理
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形状记忆聚合物的种类交联聚乙烯 、聚氨酯 等 ;含氟高聚物、聚内酯、聚酰胺等
形状记忆聚合物的优点:
质量轻,成本低,形状记忆温度易于调节,易着色,形 变量大,赋形容易,易于激发
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的Ni-Ti形状记忆合金,并应用于航天器。
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形状记忆效应的分类
(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。
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三、 形状记忆陶瓷
随温度的变化纯ZrO2有三种晶型,其结构分别为 立方晶系、四方晶系(简记为t相)、单斜晶系(简
记为m相)。其转化关系为:
1170oC
2370 oC
2715 oC
单斜ZrO2 四方ZrO2 立方ZrO2 液体
可逆马氏体相变 t相 冷却 m相
加热
施加应力也可诱发t相转变为m相
通过透明导电层提供的电子和存储
施加 在离子注入膜,并经离子导体层以
智 能 窗
正向 快离子方式传输的正离子共同注入 电压 电致变色层,使其发生氧化还原的

电化学反应而着色。
作 原 施加 产生与上述相反的电化学过程,即
理 反向 离子和电子从着色的电致变色层内
电压 抽出而使其退色。
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智能窗的结构示意图
(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。
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一、形状记忆合金(shape memory alloy, SMA)
形状记忆合金记忆原理:
同一组成的材料可能存在不同的晶体结构,这种 现象称为同素异形体或同分异构体。金刚石和石 墨就是碳的同素异形体。
第九章 形状记忆材料
本章主要内容:
一、形状记忆合金及其应用 二、形状记忆聚合物及其应用 三、形状记忆陶瓷及其应用
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形状记忆合金制成的水 龙头上的温度调节装置
2
形状记忆合金制成的“蝴蝶” (可模仿肌肉的收缩)
3
形状记忆合金制成的 移动跳跃的机器人 4
什么是形状记忆?
T1
( 形状)1
恢复
T2
用作廉价的套管接头。
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形状记忆合金应用
1)机械上的结构件如紧固件(铆钉)、 套管接头、密封垫等 2)航空航天领域:人造卫星上的抛物面 天线 3)医疗和临床器械方面:牙齿矫正线、 接骨板、人造心脏、人工关节等 4)日常生活中:温控器、防烫伤阀、火 灾报警器等
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紧固件(铆钉)
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待连接管
套管接头
石墨的晶体结构
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铁也有两种不同的基本晶体 结构,即体心立方铁和面心立 方铁。
这种由相同的原子组成的不 同的晶体结构,在材料学中又 称为不同的“相”。
体心立方铁和面心立方铁属 不同的“相”,前者称为α -Fe ( 铁素体),后者称为γ-Fe(奥氏 体)。
α –Fe在常温下存在,而γ-Fe则在高温下存在,它们 在硬度、密度和塑性变形能力等性质上都不相同。
《功能材料概论》期末小论文(顶格,小四号楷体)
题目(居中,四号黑体)
学院 专业 班级 学号 姓名 (居中,小四号楷体)
正文(小四号宋体,1.25倍行距) 内容:(1) 现有器件中应用功能材料的原理;
或(2)设计一种器件,并说明其应用原理。 字数:正文不少于2000字(中文字符) 页面设置:WORD标准格式 (页边距:上下2.54cm,左右3.17cm) 论文提交方式:A4纸打印稿 论文截止期限:第十六周上课结束前
待连接管从两端插入
室 温
室温下
形状记忆合金套管, 内径比待连接管外径 小约4%
液N2中扩 管约8%
套管收缩形成紧 固密封件
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记忆合金 A
温度场
温控器
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二、形状记忆聚合物及其应用
由记忆起始形状的固定相和随温度变化可逆地 固定与软化的可逆相组成。可逆相为物理交联结
构, 如Tm 较低的结晶态, Tg 较低的玻璃态。固
应用前景最好的是Fe-Mn-Si-Cr-Ni和Fe-Mn-CoTi
◎特性
★ 相变点在一定温度范围内可调
★ 抗疲劳 循环可达数百万次不疲劳变形
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几类主要的形状记忆合金及性能
一、 Ti-Ni基形状记忆合金 基本特点:具有记忆效应优良、性能稳定、生物 相容性及耐磨性好等一系列优点,但制造过程较 复杂,价格高昂。 主要应用: 临床、医疗器械和航空航天方面
能够根据所处环境的变化,使自身功能处 于最佳状态的材料。 智能材料包括的材料种类
形状记忆材料、电流变体材料、仿生材 料、光致变色材料、电致变色材料等。
智能材料与智能材料系统
智能材料不仅包括材料问题也涉及结构、 系统与控制、计算机等多个学科领域。
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智能材料应具备的基本功能: 传感、调节驱动、处理执行三大功能
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人们利用同一种成分的材料可以有不同 的“相”这一性质, 就能演出一幕幕“相” 变的戏,即改变外界条件如温度,使材料由 一种晶体结构变成另一种晶体结构,材料 的物理或化学性能也就随之改变,当温度 恢复时材料的晶体结构也恢复到原来的状 态,性质也随之复原。
在实际应用中,形状记忆合金就是利用 合金材料晶体结构之间的相互转变来开发 其形状记忆功能的。
智能材料系统
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主要的智能材料
形状记忆材料 电流变体材料 电致变色材料 微孔材料
智能材料系统 实现智能的机 制
利用材料受外场作用发生变化 (热、光、电、磁…); 利用材料内部的化学反应,; 利用材料内部力学状态的变化; 利用系统的功能设计
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例2:智能窗 电至变色反应: Ni1-xO(初始态) + yM+ + ye- → MyNi1-xO (退色态) MyNi1-xO(退色态) ≒My-2Ni1-xO(着色态)+ 2M+ + 2e-
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智能材料
材料兼具传感、调节驱动、处理执行的功能 从而使材料能根据所处环境的变化,使自身功 能处于最佳状态,仿佛具有智能一般。
智能材料常需与控制单元、传感器、计算机 等集成在一起,所有又常称为智能材料系统。
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智能材料
智能材料(Intelligent materials) 也称为机敏材料(Smart materials)
可实现形状记忆(与铁基记忆合金类似)
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形状记忆陶瓷应用
PLZT:多层压电执行元件,可产生3~4μm的 应变,虽然应变小,但响应速度却是形状记 忆合金的10000倍。不仅可通过机械应力控制, 而且能由电场调节。
形状记忆陶瓷应变小但响应速度快,而形状 记忆合金应变大但响应速度慢,因此可以把 这两种材料复合起来,制成形状记忆复合材 料。
GS:玻璃基片 TC:氧化铟锡(ITO)
膜制成的透明电极 CE:离子注入膜 FIC:快离子导体隔膜 EC:电致变色膜 常 用 的 EC : WO3 和 NiO 薄 膜 , 分 别 呈 蓝 色 变色和灰色变色特性。
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【习题】
1.请提出一利用形状记忆材料的 原形器件。 2.简单说明形状记忆合金和形状 记忆聚合物的记忆原理。
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二 Cu基形状记忆合金
基本特点:形状记忆效应好,价格便宜,易 于加工制造,但强度较低,脆性大,热稳定 性及抗疲劳性能差,不耐腐蚀且不具有生物 相容性,大大限制了其实用化。
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三 Fe基形状记忆合金
基本特点:具有机械性能好、强度高、易于加 工成型等优点,耐腐蚀性好,相变点温度高, 经济实用。 主要应用:在石油管路和天然气管路中广泛
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◎形状记忆合金分类: (1)钛-镍系形状记忆合金:
如钛-镍合金TiNi、 Ti2Ni 、 TiNi3 。近年来又开发 了Ti-Ni-Cu、 Ti-Ni-Fe、 Ti-Ni-Cr、 Ti-Ni-Pb、 Ti-Ni-Nb等新型合金。 (2)铜系形状记忆合金:
主要有 Cu-Zn-Al、Cu-Al-Ni、Cu-Au-Zn (3)铁系形状记忆合金:
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