智能薄膜材料

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,智能薄膜材料,一、 智能材料的基本概念,材料的发展和应用历史,：,材料科学的发展演化过程,智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的,第四代功能材料,。,智能材料定义：,-(Intelligent material，,Smart material,),是一种能从自身的表层或内部获取关于环境条件及其变化的信息，并进行判断、处理和作出反应，以改变自身的结构与功能，并使之很好地与外界相协调的具有自适应性的材料系统。,智能材料需具备的内涵：,（1）,具有,感知功能,，能够检测并且可以识别外界（或者内部）的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等；,（2）,具有,驱动功能,，能够响应外界变化；,（3）,能够按照设定的方式,选择和控制响应,；,（4）,反应比较灵敏、及时和恰当；,（5）当外部刺激消除后，,能够迅速恢复到原始状态。,智能材料必须具备,感知、控制,和,驱动,三个基本要素。,智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构,成一个智能材料系统。,智能材料的基本结构,：,智能材料不是一种单一的材料，而是一个由多种材料,组元通过有机紧密复合或严格地科学组装而构成的材,料系统，是一种智能机构。,传感器,执行器,控制器,智能机构,材料自身能够探测到外部环境状态的变化,能够自动地执行改变材料状态的指令,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,一,、,形状记忆合金,：,具有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),。,形状记忆合金的发现：,20世纪60年代初，美国马里兰州海军军械研究所的科学家比勒，用镍钛合金丝做试验。这些合金丝弯弯曲曲，为了使用方便，他把这些合金丝弄直了。但是，当他无意中把合金丝靠近火的时候，奇迹发生了：已经弄直的合金丝居然完全恢复了它们原来弯弯曲曲的形状。,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,全程形状记忆效应,形状记忆效应机制示意图,原子排列面的切应变,结构相同，位相不同的马氏体,变体界面移动，相互吞食,变形前后M结构未变,形状记忆合金晶体结构变化模型,形状记忆合金的特性,形状记忆效应,高阻尼特性,超弹性效应,形状记忆合金特性,弹性模量随温度变化特性,电阻特性,合金能记忆它在高温奥氏体下的形状，低温时的塑性变形通过高温加热恢复形状,合金在外力作用下产生远大于其弹性极限应变量的应变，在卸载时这种应变得以自动恢复的现象,处于马氏体奥氏体混合状态下的SMA阻尼性能最好，全马氏体态次之，全奥氏体状态阻尼性能最差,电阻率随温度的变化而变化 ，温度达到马氏体逆变温度时电阻明显降低，降温至逆变温度时电阻明显升高。,SMA在奥氏体态的弹性模量是马氏体态弹性模量的3倍以上，并且弹性模量随温度的改变而改变。,二,、,Ti-Ni基形状记忆合金薄膜的制备和表征,溅射沉积、真空蒸发沉积、激光熔融等已用于制备厚度大于10,m,的NiTi形状记忆合金薄膜。,其中溅射方法是获得完整形状记忆效应的主要方法。,影响薄膜质量的主要溅射参数是射频功率、,Ar气分压,、,基片-靶距离、基片温度和靶的合金组分,。,在低Ar气分压下,制得的NiTi膜较为平整，无任何结构特征面；,在高Ar气分压下,所得到的膜呈柱状结构。,柱状结构表明膜是多孔的。这一结构可能是由于沉积原子在生长膜表面的迁移受到限制所致。,在较高Ar气分压下,，由于Ar离子间的碰撞而使被溅射出来的原子能量降低，导致其表面扩散能力的降低，而且在高Ar气分压下，吸附在膜表面的Ar离子会干扰Ti和Ni原子的表面扩散。,有两种方法使溅射沉积的NiTi膜具有记忆形状：, 在室温溅射沉积NiTi膜，然后在733 K左右的温度下使其结晶化；, 在基片温度高于623 K的温度下溅射沉积NiTi膜。,三 形状记忆合金及薄膜的应用,1.,微动器：获得快速驱动,利用Si基微机械加工技术和溅射沉积NiTi膜，人们已制造出原形微动器，它们包括弹簧、双梁悬臂、阀、镜面驱动器、隔膜、微夹具等等。,2.,在航空上的应用：,制造人造卫星天线,Ti-Ni,形状记忆合金制造的人造卫星天线,美国宇航局的月面天线计划：,在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线，然后把它揉成直径5厘米以下的小团，放入阿波罗11号的舱内，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,从而能,用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线。,3.,工程应用:紧固件、连接件、密封垫、管件接头等,形状记忆合金用作铆钉的工作原理图,4.,医疗领域应用:牙齿矫形丝、血栓过滤器、动脉瘤 夹、接骨板等（Ti-Ni合金）,性支撑与柔韧性完美协调 的,Ti-Ni记忆合金食道,支架,记忆金属Ti-Ni合金支架治疗食管狭窄,支架形状的回复力对组织产生持续而柔和的扩张作用，支架植入后患者的进食困难症状明显减轻，由于生物相容性好，可较长期放置体内。,主要适应症包括：中晚期食道癌、食道癌术后复发和食道癌放疗后引起的吞咽困难等。治疗后10分钟内可解除吞咽困难，增加进食量，明显改善生活质量。,Ti-Ni合金制作的多种支架,(a)尿道支架,(b)食道支架,(c)胆道支架,(d)气管支架,