形状记忆材料与智能材料培训课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,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,*,*,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,*,*,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,*,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,*,2.1,形状记忆合金的发现,2,形状记忆材料和智能材料,20,世纪,50,年代初，美国,T.A.Read,在,Au-Cd,合金中发现形状记忆现象,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,2.1形状记忆合金的发现2 形状记忆材料和智能材料 2,1,2.2,形状记忆效应,形状记忆效应,（,SME,）：将材料在一定条件下进行一定限度内的变形后，再对材料适当施加外界条件，材料的变形随之消失而回复到变形前的形状的现象。,具有形状记忆效应的合金称,形状记忆合金（,Shape Memory Alloy,SMA,）,形状记忆材料分为：,形状记忆合金、形状记忆陶瓷、形状记忆聚合物,2.2 形状记忆效应,2,合金的形状记忆效应实质上是在,温度和应力,的作用下，合金内部,热弹性马氏体,形成、变化、消失,的相变过程的宏观表现。,这种热弹性马氏体不像,Fe-C,合金中的马氏体那样，在加热转变成它的母相（奥氏体）之前即发生分解，而是,加热时直接转成它的母体,。,热弹性马氏体冷却时马氏体长大，加热时马氏体收缩，热弹性马氏体的,相变,是可,逆,的，且相变的过冷度很小。,2.3,形状记忆合金,合金的形状记忆效应实质上是在温度和应力的作用下，合金内部热弹,3,图,2-1,随温度变化发生马氏体相变时电阻的变化,热滞回线间的热滞大小一般为,20K,40K,（奥氏体）,2.3.1,热弹性马氏体形状记忆效应,图2-1 随温度变化发生马氏体相变时电阻的变化热滞回线间,4,当温度下降到,M,s,点时，合金的电阻随温度的变化呈偏离线性下降的直线，表明马氏体开始形成；温度降低到,M,f,点以下时，合金的电阻随温度的变化又呈线性下降的直线，表明母相完全转变为马氏体,类似地，将合金从低于,M,f,点以下的温度加热到,A,s,点时，开始逆转变为母相，加热到,A,f,点时马氏体完全转变为母相。,当温度下降到Ms点时，合金的电阻随温度的变化呈偏离线性下降的,5,M,s,、,M,f,、,A,s,、,A,f,是表征记忆合金的热弹性马氏体相变的特征温度，也是形状记忆过程中变形及形状恢复的特征温度,（,A,s,-M,s,）为热滞后,，表征马氏体逆相变相对于马氏体相变的滞后，也是一个重要的参量,Ms、Mf、As、Af是表征记忆合金的热弹性马氏体相变的特征,6,图,2-2,母相和马氏体相的化学自由能随温度变化与马氏体相变的关系,过冷度,相变需要过冷度，以得到一定的相变驱动力,图2-2 母相和马氏体相的化学自由能随温度变化与马氏体相变的,7,将一定形状的记忆合金试样冷却到,M,f,点以下，对之进行一定限度的变形，卸去载荷后，变形被保留下来；,将变形了的试样加热到,A,s,以上，试样开始恢复，加热到,A,f,点，试样恢复到变形前的形状。,将一定形状的记忆合金试样冷却到Mf点以下，对之进行一定限度的,8,2.3.2,应力诱发马氏体相变与记忆合金的超弹性,对母相状态的样品在,A,f,温度以上,施加外力，将出现如下图所示的应力,-,应变曲线,a,c,b,d,e,g,f,加载过程,卸载过程,2.3.2 应力诱发马氏体相变与记忆合金的超弹性对母相,9,形状记忆合金发生超弹性变形的应力,-,应变曲线,a-b,：,母相的弹性变形阶段,b-c,：,应力诱发马氏体形成阶段,c-d,：,马氏体的弹性变形阶段,d-e,：,马氏体的弹性变形回复阶段,e-f,：,马氏体逆转变母相阶段,f-g,：,母相的弹性变形回复阶段,a,c,b,d,e,g,f,形状记忆合金发生超弹性变形的应力-应变曲线acbdegf,10,超弹性变形,特点：这种弹性变形的应变量远远超出通常意义上的弹性变形，其实质与弹性变形不同，又称为,伪弹性变形,所施加的应力,不能超过滑移临界应力，,超出的话合金会发生塑性变形，形状记忆效应和超弹性效应都会被破坏,超弹性变形特点：这种弹性变形的应变量远远超出通常意义上的弹性,11,超弹性变形产生的本质,超弹性变形是,应力诱发马氏体相变导致,的，由马氏体相变热力学方程可以推导外加应力对马氏体相变的影响：,随着外加应力的增加，,M,s,和,A,f,也会增加,以,Cu-34.1,Zn-1.8,Sn,（原子百分数）合金为例,环境温度,330K,，不施加外力,M,s,为,275K,（低于环境温度不能发生马氏体相变）,施加外力,M,s,升高，当应力为,80Mpa,时,M,s,约为,330K,（达到环境温度马氏体开始形成）,随着应力的增加，,M,s,高于环境温度的幅度增大，马氏体转变量随之增加,M,s,不能远低于环境温度这样会使应力太大，材料先发生严重塑性变形,超弹性变形产生的本质以Cu-34.1Zn-1.8Sn（原,12,形状记忆效应与超弹性变形效应的比较,形状记忆效应,:,对样品在,M,f,温度下变形,加热到,A,f,温度以上获得,超弹性变形效应,:,在,A,f,以上,温度变形,然后去除外力呈现,形状记忆效应与超弹性变形效应的比较,13,形状记忆效应和超弹性效应与温度、应力和滑移临界切应力间的关系,形状记忆效应和超弹性效应与温度、应力和滑移临界切应力间的关系,14,2.3.3,常用形状记忆合金,目前用量最大,优点：抗拉强度高、疲劳强度高、耐蚀性好、密度小、与人体有生物相容性,缺点：成本高、加工困难,缺点：功能不如镍,-,钛系,优点：成本低、加工容易,缺点：功能不如铜系,优点：具有价格竞争优势,2.3.3常用形状记忆合金目前用量最大缺点：功能不如镍-钛,15,2.3.4,形状记忆合金的应用,已发现的形状记忆合金种类很多，可以分为,Ti-Ni,系、铜系、铁系合金,三大类。目前已实用化的形状记忆合金只有,Ti-Ni,系合金和铜系合金。,1,、工程应用,形状记忆合金在工程上的应用很多，最早的应用就是作各种,结构件,，如紧固件、连接件、密封垫等。另外，也可以用于一些,控制元件,，如一些与温度有关的传感及自动控制。,2,、医学应用,利用,Ti-Ni,合金与生物体良好的,相容性,，可制造医学上的凝血过滤器、脊椎矫正棒、骨折固定板等。利用合金的超弹性可代替不锈钢作齿形矫正用丝等。,2.3.4 形状记忆合金的应用,16,记忆合金的应用实例,将记忆合金制成在,A,f,温度以上具有（,a）,所示形状铆钉，铆接时先将其冷却到,M,f,温度以下，这时合金处于完全的马氏体态很容易变形，略施加一点力将铆钉扳成（,b）,所示并插入铆钉孔（,c），,然后随温度回升到,A,f,以上，铆钉回复到变形前的形状达到铆接的目的（,d）。,T,M,s,T,M,f,T,A,s,T,A,f,记忆合金的应用实例将记忆合金制成在Af温度以上具有（a）所示,17,用钛,-,镍形状记忆合金制造的人造卫星天线,T,M,s,or T,A,f,T,M,f,T,A,s,T,A,f,用钛-镍形状记忆合金制造的人造卫星天线TMs TMf T,18,2.4,形状记忆陶瓷,20世纪60年底人们确认陶瓷材料也存在马氏体相变，一个著名的例子就是,ZrO,2,陶瓷,中的马氏体相变，这一相变现象可以使陶瓷材料具有形状记忆效应。,形状记忆陶瓷的机理可分为：,马氏体形状记忆陶瓷,铁电形状记忆陶瓷,粘弹性形状记忆陶瓷,铁磁性形状记忆陶瓷等,2.4 形状记忆陶瓷20世纪60年底人们确认陶瓷材料也存在,19,随温度的变化,纯,ZrO,2,有三种晶型：单斜晶系（,m,）、四方晶系（,t,）、立方晶系（,c,）,温度改变,可以使四方相和单斜相之间发生可逆马氏体转变，四方向单斜转变有5的体积变化。而且,应力也可诱发四方向单斜,的转变,四方向单斜转变体积效应太大，须加入,CaO,、,MgO,、,Y,2,O,3,、,CeO,2,等稳定剂，进行晶化稳定化处理,m,t,c,随温度的变化纯ZrO2有三种晶型：单斜晶系（m）、四方晶系（,20,12%CeO,2,稳定的氧化锆陶瓷的形状记忆效应,第一步：加载。在室温下施加压力，样品首先发生,弹性变形,，接着在近乎恒定的应力下发生,流变,；,第二步：卸载。卸载后,弹性变形消失,而,塑性变形则保留,下来。,第三步：加热到,A,f,以上，样品从60,o,C,开始,逆转变,，到200,o,C,逆转变结束，变形也随着消失。,12%CeO2稳定的氧化锆陶瓷的形状记忆效应第一步：加载。在,21,2.5,形状记忆聚合物,形状记忆聚合物不同于马氏体相变，而是基于高分子材料中,分子链的取向与分布,的变化过程；,这种聚合物具有两相结构，即,固定相和可逆相,；,可逆相是能够随温度变化在结晶与熔融态间，或者在玻璃态与高弹状态间可逆转变的相，随温度的升高或降低，可逆相的结构发生变化，使之发生软化、硬化。,固定相（,热固性或热塑性）,则在工作温度范围内保持不变。,2.5 形状记忆聚合物形状记忆聚合物不同于马氏体相变，而是,22,玻璃态、高弹态和粘流态称为聚合物的力学三态。,玻璃态、高弹态和粘流态称为聚合物的力学三态。,23,形状记忆材料与智能材料培训课件,24,2.5.1,聚合物的形状记忆原理,两相结构：固定相,(,热固性或热塑性,）,+,可逆相,冷却,加热,冷却,加热,TTf(,粘流态）,进行初次成型,TTg(,玻璃态）使制成品变形，固定相分子链的缠绕确定了制成品的初次形状,TgTTf,(,高弹态），可逆相软化，施加应力,TTg,，可逆相软化，固定相在回复应力的作用下使制品恢复到初始形状,2.5.1聚合物的形状记忆原理两相结构：固定相(热固性或,25,形状记忆高分子,(shape memory polymer,简称,SMP),热塑性,SMP,的形状记忆原理,(1),热成形加工：,将颗粒状树脂加热融化使固定相和软化相都处于软化状态，然后使材料成形并冷却，固定相硬化，可逆相结晶，材料成形为,3,形状。,(2),变形：,将材料加热至可逆相发生软化，固定相保持硬化的温度，施加外力使可逆相的分子链被拉长，材料变为,5,形状。,(3),冻结变形：,在外力作用下保持,5,形状的同时进行冷却，使可逆相结晶硬化，然后卸除外力材料仍保持,5,，,6,形状、,(4),形状恢复：,将材料再加热到可逆相软化的温度，由于固定相的作用可逆相的分子链回复到变形前的状态，形状也随之,6,回复到,3,，将之冷却到可逆相结晶硬化，材料保待,3,形状,形状记忆高分子(shape memory polymer,简,26,例：形状记忆聚合物作为不同直径管子接头的示意图,从,TT,f,(,粘流态）冷却,TT,g,(,玻璃态）使初次成型,T,g,TT,f,(,高弹态）可逆相软化,降温至,TTg,，可逆相软化，制品恢复到初始形状,例：形状记忆聚合物作为不同直径管子接头的示意图从TTf(粘,27,例：形状记忆聚氨酯应用于火灾报警器,TT,f,(,粘流态）,T,g,TT,f,(,高弹态）,TTf(粘流态）,28,密度小、强度较低、塑韧性较高,形状恢复可能允许的变形量大,形状恢复的温度范围窄,形状恢复应力及形状变化所需要的外力小,成本低,2.4.2,形状记忆聚合物的特点,密度小、强度较低、塑韧性较高2.4.2形状记忆聚合物的特点,29,普通金属材料与形状记忆合金应力