形状记忆原理及应用

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,*,形状记忆合金的记忆效应机理及应用,李 周,2010.9.6,形状记忆合金（,shape memory alloy,）作为一种新型功能材料已经被广泛使用。该合金可以认为是始于,1963,年美国海军武器试验室（,Naval,Ordianace,Laboratory,）,W.J.Buehler,博士的研究小组对,TiNi,合金的研究。他们发现,TiNi,合金构件因为温度不同，敲击时发出的声音明显不同，这说明该合金的声阻尼性能和温度相关。进一步研究发现，等原子比,TiNi,合金具有良好的形状记忆效应。后来,TiNi,合金作为商品进入市场，给等原子比的,TiNi,合金商品取名为,NiTinol,，后面的三个字母就是该研究室的,3,个英文单词的第一个字母。目前形状记忆合金已广泛应用于航空、航天、能源、汽车工业、电子、医疗、机械、建筑、服装、玩具等各个领域。,形状记忆材料主要包括形状记忆合金、形状记忆陶瓷和形状记忆聚合物，其记忆机制各不相同。本章将对与热弹性马氏体相变有关的形状记忆效应做基础性介绍。,一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点，金属就发生塑性变形，应力消除后就留下永久变形。但是有些金属材料，在发生了较大变形后（远超过弹性变形极限），经加热到某一温度之上，能够回复到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应（,Shape Memory Effect,）,1,。如图,7.1,所示。具有形状记忆效应的金属通常是两种以上金属元素组成的合金，这种金属合金叫做形状记忆合金（,Shape Memory Alloy,）。形状记忆效果一般以形状回复率,来表示。设试样在母相态时原始形状长度为,l,0,，马氏体态时经形变为,l1,，经高温逆相变后为,l,2,，则,(%)=(l,1,-l,2,)/(l,1,-l,0,),100%,形状记忆合金中的记忆效应是在马氏体相变中发现的。通常把马氏体相变中的高温相叫做母相（,P,），低温相叫做马氏体相（,M,），从母相到马氏体相的相变叫做马氏体正相变，或马氏体相变，从马氏体相到母相的相变叫做马氏体逆相变。,形状记忆效应的分类,形状记忆效应有三种形式。第一种称为单向形状记忆效应，即将母相冷却或加应力，使之发生马氏体相变，然后使马氏体发生变形，改变其形状，再重新加热到马氏体转变为母相的开始温度,As,以上，马氏体发生逆转变，温度升至马氏体向母相转变终了温度,Af,，马氏体完全消失，材料完全恢复母相形状。一般没有特殊说明，形状记忆效应都是指这种单向形状记忆效应。,有些形状记忆合金在加热发生马氏体逆转变时，对母相有记忆效应；当从母相再次冷却为马氏体时，自觉回复原马氏体的形状，这种现象称为双向形状记忆效应，又称可逆形状记忆效应。,第三种情况是在,Ti-Ni,合金系中发现的，在冷热循环过程中，形状回复到与母相完全相反的形状，称为全方位形状记忆效应。,冷却时，在无应力条件下马氏体在母相转变为马氏体的开始温度,Ms,时开始形成。若施加应力，马氏体可以在,Ms,以上温度形成，这种马氏体称为应力诱发马氏体（,Stress-Induced,Martensite,，简称,SIM,）。它的相变驱动力不是热能而是机械能。,形状记忆合金记忆效应机理,大部分合金记忆材料是通过马氏体相变而呈现形状记忆效应。马氏体相变具有可逆性，将马氏体向高温相（奥氏体）的转变称为逆转变。形状记忆是热弹性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。,形状记忆机制示意图（拉应力状态）,设,Ms,、,Mf,分别表示冷却时奥氏体（又称为母相）向马氏转变的开始温度和终了温度，、表示加热时马氏体向奥氏体逆转变的开始温度和终了温度。具有马氏体逆转变，且与温度相差（称为转变的热滞后）很小的合金，将其冷却到点以下，马氏体晶核随着温度下降逐渐长大；温度回升时，马氏体相又反过来同步地随温度上升而缩小，马氏体相的数量随温度的变化而发生变化，形状记忆效应是热弹性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。,母相与马氏体相变的晶体学可逆性与有序点阵具有密切的关系，晶体学可逆性通过有序点阵的形成自动得到保障，在母相马氏体母相的转变循环中，母相完全可以恢复原状。这就是单程记忆效应的原因。上图中：,a.,将母相冷却到点以下进行马氏体相变，母相的一个晶粒内会生成许多惯习面位向不同，但在晶体学上是等价的马氏体，把这些惯习面位向不同的马氏体叫做马氏体变体,(Variant),马氏体变体一般有,24,种，由于相邻变体可协调地生成，微观上相变应变相互抵消，无宏观变形；,b.,马氏体受外力作用时（加载），变体界面移动，相互吞食，形成马氏体单晶，出现宏观变形,；,c.,由于变形前后马氏体结构没有发生变化，当去除外应力时（卸载）无形状改变；,d.,当加热高于,Af,点的温度时，马氏体通过逆转变将恢复到母相形状。注意形状记忆合金在逆转变过程中，单一位向的马氏体不会生成多个位向不同的母相变体。上面已多次提到，相变中的晶体学可逆性是热弹性马氏体相变的重要特征，在热弹性马氏体相变中形成的,24,种不同位向的马氏体变体和母相的某一位向的晶格存在着晶格对应关系。正因为这个原因，在热弹性马氏体逆相变时能够完全地回复到和相变前一样的母相状态。,高耐热,SMA,Cu-24Al-3Mn,合金淬火态马氏体透射电镜衍衬像和电子衍射花样,(a),淬火态衍衬像；,(b)010,晶带轴衍射斑；,(c)461,晶带轴衍射斑；,(d)231,晶带轴衍射斑；,(e)10151,晶带轴衍射斑；,(f)232,晶带轴衍射斑,_,_,_,_,_,_,_,_,不同变形量下,Cu-18.4Al-8.7Mn-3.4Zn-0.1Zr,合金典型金相组织,不同变形量,Cu-18.4Al-8.7Mn-3.4Zn-0.1Zr,合金原位观察金金相照片,（,a),淬火态,(b)4%,(c)5.5%,(d)6.5%,，,(e)7.5%,研究表明，合金呈现形状记忆效应必须具备如下条件：,（,1,）马氏体相变是热弹性的（或半热弹性）；,（,2,）母相与马氏体相呈现有序点阵结构（原子有序排列状态为一种原子周围出现异类原子的机会大）；,（,3,）马氏体内部亚结构是孪晶（或层错）；,（,4,）相变时在晶体学上具有完全可逆性。,宽滞后铜基记忆合金热收缩管接头的研制,SMA,管接头应用原理,记忆管接头的优越性：,记忆管接头的优点：,用记忆管接头进行管道等的连接，具有装配工艺简单、无污染等优点，在连接密集部件、不可焊部件、人类不易达到区域的工程部件（如深水工程、太空工程）、异种材料的连接等方面更显示了其优越性。,传统铜基记忆合金管接头的缺点：,传统的记忆合金管接头，需低温扩孔，储存才能满足低温下的使用。因此需要昂贵的制备与储存费用。,应用稳定性差（低铝）或成材率低（高铝）,需要解决的技术难点：,需要综合考虑应用的可靠性,冷加工的能力,宽的相变滞后（实现室温加工与储存）,宽滞后铜基记忆管接头的制备工艺路线：,合金成分设计,熔炼、铸锭,均匀化退火,车削表面,热挤毛坯管,中间热处理冷拉,车 削,记忆热处理,记忆连接件室温,扩 径（扩径量为,7.5%,）,配接工艺,性能,测试。,创新点：,实现了室温下扩径与储存，在较低温度（,-25,）下使用，从而可节,省低温扩径所需的特殊工装、夹具的制备费用和低温储存所需的昂贵费用（传统的）。,属高铝铜基记忆合金，抗马氏体稳定化能力强（工作稳定性高）。,记忆处理后合金延伸率,=12%,，,而,7.5%,的变形量即可产生满足所需的滞后宽度，因而产品成材率高（高铝记忆合金的,一般很小）。,主要技术指标,抗蚀性 与黄铜相当,疲劳寿命 ,10,5,（,=0.005,）,滞后宽度 ,90,贮存温度,50,记忆应变 ,3.5%,拉脱力 ,350kg,（,8,管）,气密性 在振动及,50kgf/cm,2,静压下，五分钟压力不降，无泄露。,当前国内外同类课题研究水平,美国,Raychem,公司报道了宽滞后,Cu,基记忆管接头，使用的记忆合金为,Cu-10Al-5Mn-4Zn,，变形条件是,Ms,点附近（,-40,）,4-5%,的变形，,声称滞后宽度可达,90K,。日本也进行了类似的报道，并应用于冰箱等管接头连接。但我们的跟踪研究表明，按,Raychem,公司和日本报道的条件去做，可供利用的有效滞后宽度实际上难以达到,90K,，合金延伸率也偏低，仅为,6%,，扩孔时经常开裂，且合金难以冷加工，尚不能真正实用化。,我们新设计的产品具有独立自主的知识产权。,该作品的推广前景及经济效益 预测,宽滞后铜基记忆合金管接头，,克服了传统的记忆合金管接头，需低温扩孔，储存和运输才能满足低温下的使用的缺点，可以在室温下扩孔、室温下贮存，并能满足低温下使用要求，从而简化低温扩孔所需的特殊工装及低温贮存所需的昂贵费用，,因此其将在其将在军工、舰船、民用工业的中、低压的管道连接、异种材料管道或其它紧固件的连接中拥有广阔的市场空间和很强的市场竞争力（以冰箱为例）。,SMA,管接头应用实例,用,该宽滞后记忆合金制备的,8,管接头，应用于美菱电冰箱的铜,-,铝管之间的管路连接，通过了氦气测漏实验，应用与,13,台,样机上，到目前已,将近二,年,多,，无一泄露事故，目前仍在测试中。,本实验研制的相变宽滞后,记 忆 管 接 头,(,已在美菱冰箱试用,2,年,),滞后宽度,90K,大量使用形状记忆合金材料的是各种管件的接头。力大，故连接得很牢固，可防止渗漏，装配时间短，操作方便。美国自,1970,年以来，已在,F11,喷气战斗机的油压系统配管上采用了这种管接头，其数量超过,10,万个，迄今未发现一例泄漏事故。这类形状记忆合金管接头还可用于核潜艇的配管、海底管道，电缆系统的连接等,高技术中的应用 形状记忆合金应用最典型的例子是制造人造卫星天线。由,Ti-Ni,合金板制成的天线能卷入卫星体内，当卫星进入轨道后，利用太阳能或其他热源加热就能在太空中展开。美国宇航局（,NASA,）曾利用,Ti-Ni,合金加工制成半球状的月面天线，并加以形状热处理，然后压成一团，用阿波运载火箭送上月球表面，小团天线受太阳照射加热引起形状记忆而恢复原状，即构成正常运行的半球状天线，可用于通讯。,卫星天线,30,SATELLITE THERMAL ENVIRONMENTS,-,Environmental heating,Type of orbit,Heating rates(W/m,2,),Solar,q,s,Albedo,q,a,Earth-emitted,q,e,Low Earth,1240,380,310,Geosynchronous,1240,10,8,T,=,157C,(Sunlight,q,s,q,a,q,e,),T=,-1C,(Shadow,q,e,),:angle between the solar-flux vector and surface normal to the antenna,a,s:,surface absorption for solar radiation,a,e,:surface,absorption for Earth radiation,AF:,the solar,albedo,factor,The designed Satellite operating altitude 600-700km,Low Earth,31,Locking mechanisms of the Petals,The petals are unable to form the disc shape designed if they are not aligned together.To solve this problem,we need to lock the petals together.,Plan View of the petal locks,由于形状记忆合金马氏体相变的