13 第十三章 形状记忆材料.pptx

第1页：形状记忆材料的概念

一、形状记忆材料的概念

第2页：形状记忆材料的概念

一、形状记忆材料的概念形状记忆材料（shapememorymaterials，简称SMM）是指具有一定初始形状的材料经形变并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物理剌激或化学剌激的处理又可恢复成初始形状的材料。包括:形状记忆合金高聚物陶瓷

第3页：形状记忆合金SMA

二、形状记忆合金SMA形状记忆效应是通过热弹性马氏体相变及其反转而产生

第4页：加外力后产生塑性变形ε成为具有另

• 形状记忆机理：（1）具有初始形状L的母相冷却到马氏体相变终了温度以下，实现马氏体相变，变成24种马氏体变体。
• 加外力后产生塑性变形ε成为具有另一种形状L+ε的马氏体单晶。
• 去掉外力后塑性变形保留而形状L+ε不变。
• 再加温到马氏体逆相变终了温度以上时，发生马氏体相变的反转即逆相变，变回初始形状L的母相，其结构和取向与初始母相也完全一样。

第5页：形状记忆合金

二、形状记忆合金（一）形状记忆合金的基本原理1、马氏体相变马氏体相变首先在钢中发现。马氏体，马登斯体martensite马氏体相变是一种无扩散相变或称位移型相变。原子位移以切变方式进行。逆

第6页：马氏体相变和晶体滑移形变形状变化比较

马氏体相变和晶体滑移形变形状变化比较

第7页：马氏体态的形变和加热后

马氏体态的形变和加热后的形状记忆

第8页：形状记忆效应源于马氏体相变及其反转（

形状记忆效应源于马氏体相变及其反转（逆相变）较软的热弹性马氏体.•Ni-Ti合金母相,有序结构的奥氏体.择优取向的有序马氏体.

第9页：第十三章机敏材料和智能材料

第十三章机敏材料和智能材料

第10页：体心立方堆垛

体心立方堆垛：密排面为（110）ABABAB

第11页：Cu-Zn马氏体片群

Cu-Zn马氏体片群

第12页：形状记忆合金

二、形状记忆合金（一）形状记忆合金的基本原理3、形状记忆合金的分类第一个SMA商品名为Nitinol,镍钛诺NiTiNavalOrdnanceLaboratoryNiTiNavalOrdnanceLaboratoryW.J.Bueler毕尤勒Ni:55%,Ti:45%,专利按形状恢复情况分为三类：单程记忆效应（不可逆记忆效应）双程记忆效应全程记忆效应

第13页：形状记忆合金

二、形状记忆合金（二）形状记忆合金的种类CuAlNiCuZnAlNiTi特性25-6050-1001-10晶粒度/μm-200-170-200-170-50-100转变温度/℃20-3010-2030Tas-Taf/℃-200400回复应力／MPa６％５％８％单向形状记忆1.2％0.5%1.0％0.5%6.0％0.5%双向形状记忆107次之后

第14页：形状记忆合金的发展方向主要

形状记忆合金的发展方向主要为：（1）高温形状记忆合金例如：在核反应堆工程中，记忆合金热动元件的动作温度高达600℃，研制高温形状记忆合金就成为一个主要发展方向

第15页：窄滞后形状记忆合金通过热弹性马氏

• 窄滞后形状记忆合金通过热弹性马氏体相变实现记忆效应的合金，相变滞后温度一般在20～30℃，使其热灵敏度较低而应用受限。制成相变滞后温度小于2℃窄滞后形状记忆合金可以大大提高热灵敏度。
• 宽滞后形状记忆合金（4）铁基形状记忆合金成本低，刚性好，且易于加工

第16页：形状记忆合金薄膜

（5）形状记忆合金薄膜形状记忆合金薄膜，表面积大、散热能力高和电阻率高，增加了灵敏度和响应速度，作为敏感兼驱动元件，显示出潜力。除以上所述外，正在研究的还有低温拟弹性形状记忆合金、高屈服限形状记忆合金和低应力滞后形状记忆合金等

第17页：也有人对形状记忆合金具

也有人对形状记忆合金具有形状记忆效应的必备条件进行了研究，认为热弹性马氏体相变并不是合金具有形状记忆效应的必备条件，例如FeMnSi和FeNiC系都通过非热弹性马氏体相变而显示形状记忆效应。

只要能形成单变体马氏体，排除其他阻力，通过马氏体相变和逆相变，材料就会显现形状记忆效应，按照这个原则，将会开发出更多系列的形状记忆合金

第18页：形状记忆合金

二、形状记忆合金（三）形状记忆合金的应用单向形状恢复元件双向形状恢复动作元件拟弹性元件(拟弹性是怎么回事?)

第19页：形状记忆合金拟弹性(pseudo

二、形状记忆合金拟弹性(pseudo-elasticity简写为PE)普通弹性应变一般小于0.5%拟弹性应变可达5%～20%发生拟弹性形变时，诱发了马氏体相变，去除外力后，又发生马氏体逆相变，恢复原状。(为什么)

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第21页：形状记忆合金

二、形状记忆合金（三）形状记忆合金的应用（1）机械工业SMA弹簧逆相变伸长?缩短?

第22页：SMA弹簧元件温度-位移特性测量装置

SMA弹簧元件温度-位移特性测量装置原理图

第23页：SMA弹簧元件在一定负载下的温度-位

SMA弹簧元件在一定负载下的温度-位移曲线怎么用？

第24页：日本工学院八王子专门学校机器人系开发

日本工学院八王子专门学校机器人系开发的教育型机器人“卡菲太太”

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第29页：医护型智能机器人

医护型智能机器人

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第32页：通过形状记忆合金模仿肌肉的收缩来实现

通过形状记忆合金模仿肌肉的收缩来实现人工肌肉的功能。

第33页：超小型马达

超小型马达

第34页：机器人

机器人

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二、形状记忆合金（三）形状记忆合金的应用（2）自控和仪表工业

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第44页：第十三章机敏材料和智能材料

第十三章机敏材料和智能材料

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二、形状记忆合金（三）形状记忆合金的应用（3）汽车工业（4）兵器工业（5）航空航天工业

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二、形状记忆合金（三）形状记忆合金的应用（6）医疗器械用于矫正牙齿拱形金属丝、血凝块过滤器、脊椎矫正棒、人工股关节、接骨板、人工肾微型泵、人工心脏收缩活门，手术固定器和避孕器具等。

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第49页：骨折形状记忆合金环抱式接骨板

骨折形状记忆合金环抱式接骨板

第50页：房间间隔缺损封堵器介入心脏示意图

房间间隔缺损封堵器介入心脏示意图

第51页：形状记忆合金

二、形状记忆合金（三）形状记忆合金的应用（７）其他管道维修

第52页：固态热机Ni-Ti合金加热

固态热机Ni-Ti合金加热时，由形变马氏体加热到逆相变所产生的回复应力高达400MPa。这样的应力比在低温时形变所需要的应力高一个数量级，利用这个力可实现热一机械能的转换。设计制造了许多小型固态热机。

这些固态热机按结构可分为偏心曲轴发动机、透平发动机、旋转斜盘发动机、液压发动机等。固态热机为利用低质能源开辟了新的途径。

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第56页：记忆热处理(1)中温处理

记忆热处理(1)中温处理中温处理是将冷却加工后的合金材料按照所需要的形状加工成型。然后在400℃到500℃之间进行几分钟到几小时的加热保温。中温处理的关键是，处理前的合金材料在轧制、拔丝等冷加工过程中充分的加工硬化.

第57页：记忆热处理(2)低温处理所谓

记忆热处理(2)低温处理所谓低温处理，就是在800℃以上的高温下使合金材料完全退火，然后在室温下成型加工，再放入200--300℃温度下保温数分钟至数十分钟。

由于经过完全退火，合金材料变得十分柔软，非常容易加工成型，特别适合做成形状复杂、曲率半径很小的产品。低温处理的合金材料，其形状记忆特性，特别是反复动作的疲劳寿命要比中温记忆处理的差。

第58页：记忆热处理(3)时效处理

记忆热处理(3)时效处理时效处理就是经过800－1000℃均匀化处理后，将其急剧冷却，再放入400℃左右的温度下经历几个小时保温的方法。

因为是利用了Ni含量较多、有化合物析出、造成析出硬化这一特点，所以时效记忆处理方法只对Ni含量在50.5at%以上的合金才有效

第59页：国内研究生产状况国内的大连理工大学

国内研究生产状况国内的大连理工大学、华南理工大学、沈阳自动化研究所、四川联合大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学等一些高校和科研机构也作了大量的工作。甘肃省的西脉公司是国内较大记忆合金和产品开发研究基地之一。

现在兰州雁滩工业城建设了一条年产量5000kg的TiNi形状记忆合金系列骨科器械(产值约15000万元)生产线。