1、第7章 智能材料與形狀記憶材料 .1智能材料是近年來在世界上興起并迅速發(fā)展的材料技術(shù)的一個(gè)新領(lǐng)域。7.1 智能材料.27.1.1 基本概念 設(shè)想：混凝土能自己發(fā)現(xiàn)混凝土大壩里的裂縫；玻璃能根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)的變化而自行改變透光率，使進(jìn)入室內(nèi)的陽光變暗或變亮；墻紙可以變化顏色以適應(yīng)不同環(huán)境；空中飛行的飛機(jī)能自行診斷其損傷狀態(tài)并自行修復(fù)。 仿生 “活”的材料.3 美國和日本科學(xué)家首先提出的。 1989年日本高木俊宜教授將信息科學(xué)融于材料的特性和功能，提出智能材料 (Intelligent materials) 概念，它是指對環(huán)境具有可感知可響應(yīng)等功能的新材料。美國的RENewnhain教授提出了靈巧 (

2、Smart) 材料的概念，這種材料具有傳感和執(zhí)行功能，他將靈巧材料分為被動(dòng)靈巧材料、主動(dòng)靈巧材料和很靈巧材料三類。 .4 智能材料是高技術(shù)新材料領(lǐng)域中正在形成的一門新的分支學(xué)科，是2l世紀(jì)的先進(jìn)材料，是當(dāng)前工程學(xué)科發(fā)展的國際前沿。 智能材料是一門交叉學(xué)科，它的發(fā)展不僅是材料學(xué)科本身的需要，而且可以帶動(dòng)許多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，如物理、化學(xué)、計(jì)算機(jī)、土木工程和航空航天的發(fā)展的。.5智能材料： 是指能模仿生物體，同時(shí)具有感知和控制等功能的材料或結(jié)構(gòu)。它既能感知環(huán)境狀況又能傳輸、分析有關(guān)信息，同時(shí)作出類似有生命物體的智能反應(yīng)，如自診斷、自適應(yīng)或自修復(fù)等。 這種材料一般具有四種主要功能： 對環(huán)境參數(shù)的敏感；

3、 對敏感信息的傳輸； 對敏感信息的分析、判斷； 智能反應(yīng)。.6.7早期的智能材料往往是一種材料集上述四種功能于一身，因此種類極少，而且適應(yīng)面很狹窄，功能單一。現(xiàn)在對智能材料的四種功能分別進(jìn)行處理，分別按需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，制造多種性能優(yōu)越的智能材料。因此，智能材料往往不是研制一種材料使之具備多種智能特性，而是根據(jù)需要在所使用的基體材料中融入某種新的材料和器件，這種融入的材料或器件一般具有某種或多種智能特性，這樣使智能材料的性能和應(yīng)用得到了很大擴(kuò)展。 .8（1） 敏感特性 融入材料使新的復(fù)合材料能感知環(huán)境的各種參數(shù)及其變化。.9 日本東京大學(xué)工學(xué)系開發(fā)出了世界第一個(gè)用來檢查核電站、高速公路、隧道等是否

4、存在裂紋的光纖傳感器，靈敏度是過去檢測裝置的千倍以上，價(jià)格也很便宜。 這種傳感器使用簡便，靈敏度高。只需將光纖制成的線圈貼在大樓、橋梁等物體的表面，如果這些被檢測物體存在裂紋，傳感器就會(huì)感知到由此產(chǎn)生的微小聲音和振動(dòng)，光纖內(nèi)傳導(dǎo)的光信號波長會(huì)發(fā)生變化，分析這些變化就能發(fā)現(xiàn)裂紋的位置及開裂的程度。 實(shí)驗(yàn)證明，不論裂紋位于建筑物表面、墻壁內(nèi)部還是地下深處，傳感器都能準(zhǔn)確地探測到。增加線圈的數(shù)量還能進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度。如果用玻璃纖維制成的光纖繞成線圈，傳感器的感知效果在600攝氏度的情況下仍然能夠保持不變，適合在核電站和高溫化工廠使用。 日本發(fā)明光纖傳感器新華網(wǎng) （ 2003-02-11 16

5、:48:57 ）.10機(jī)械手柔性三維運(yùn)動(dòng) 形狀記憶合金.11 通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電傳感器.12（2） 傳輸特性 智能材料不僅需要敏感環(huán)境的各種參數(shù)，而且需要在材料與結(jié)構(gòu)中傳遞各種信息，其信息傳遞類似人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，不僅體積微小，而且傳遞信息量特大。目前用于智能材料中信息傳遞的方法很多，最常用的是用光導(dǎo)纖維來傳遞信息。.13（3） 智能特性 智能特性是智能材料的核心，也是智能材料與普通功能材料的主要區(qū)別。要求能分析、判斷其參數(shù)的性質(zhì)與變化，具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)等功能。 由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的高度

6、發(fā)展，智能材料與結(jié)構(gòu)的智能特性已經(jīng)或正在逐步實(shí)現(xiàn)，問題的關(guān)鍵是如何將材料敏感的各種信息通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)。 兩種方法：一種是在大型智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，將智能材料敏感到的各種參數(shù)傳感到結(jié)構(gòu)體系的普通計(jì)算機(jī)內(nèi)；另一種是在智能材料中埋入超小型電腦芯片。.14（4）自適應(yīng)特性 是由智能材料中的各種微型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)是由超小型芯片控制并可作出各種動(dòng)作，使智能材料自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境中應(yīng)力、振動(dòng)、溫度等變化或自行修復(fù)各種構(gòu)件的損傷。 目前常用的微型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有形狀記憶合金，磁致伸縮材料，電流變體等，尤其是電流變體材料在自適應(yīng)材料中的應(yīng)用特別引人注目。 .15電流變體通常情況下，我們看到的液體變成固體或

7、固體變成液體，只與溫度和壓力有關(guān)。然而，你能想像出電流也有這樣的作用嗎？ 1947年，一個(gè)叫溫斯洛的美國人發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象。他把石膏、石灰和炭粉加在橄欖油中，然后加水?dāng)嚦梢环N懸浮液，想看看這種懸浮液能不能導(dǎo)電。在試驗(yàn)中，他意外地發(fā)現(xiàn)，這種懸浮液沒有加上電場時(shí)，可以像水或油一樣自由地流動(dòng)；可是一加上電場，就能立即由自由流動(dòng)的液體變成固體，而且隨著電場強(qiáng)度的增加，固體的強(qiáng)度也在增加。當(dāng)撤消電場時(shí)，它又能立即由固體變回液體。由于這種懸浮液可以用電場來控制，因此科學(xué)家們就把它叫做“電流變體”，并把這種現(xiàn)象稱為“溫斯洛現(xiàn)象”。溫斯洛還為此申請了專利。.16電流變體（續(xù)1）那么，電流變體究竟有什么用處

8、呢？人們最先想到的是用它來制造汽車的離合器和剎車裝置。汽車司機(jī)都知道，改變行車速度要換擋，而換擋至少也需要幾秒鐘的時(shí)間。遇到緊急情況剎車時(shí)，司機(jī)猛踩剎車讓剎車片緊緊“抱住”旋轉(zhuǎn)的輪子，也要用1秒鐘左右的時(shí)間。可在這1秒鐘之內(nèi)，就有可能造成車毀人亡的慘劇。如果用電流變體做成離合器或剎車裝置，那么只需千分之幾秒的時(shí)間，就可以達(dá)到換擋或剎車的目的。因?yàn)椴患与妶鰰r(shí)，電流變體為液體，黏度很小，等于汽車掛不上擋；加上電場后，電流變體的黏度隨電場強(qiáng)度的增加而增大。當(dāng)電流變體變成固體時(shí)，主動(dòng)軸就和滑動(dòng)輪結(jié)合成一個(gè)整體，就相當(dāng)于換上了擋，而這個(gè)過程只需要千分之幾秒的時(shí)間。用電流變體剎車的秘密就在于此。.17近幾

9、年，科學(xué)界正在研究有“感覺”和有“知覺”的仿生智能材料，它能隨外界環(huán)境的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)其功能，而電流變體正好在此可以發(fā)揮作用。由于電流變體能隨電壓的不同而改變自身的強(qiáng)度，所以能充當(dāng)智能材料的“肌肉”。因?yàn)橐皇箘牛由想妷海┘∪饩蜁?huì)變硬，肌肉一放松（撤掉電壓）身子就變軟了。在美國，有的科學(xué)家還用電流變體，研制出一種能自動(dòng)加固的直升機(jī)水平旋翼葉片。在飛行中，當(dāng)葉片突然遇到疾風(fēng)而猛烈振動(dòng)有可能斷裂時(shí)，葉片中事先加入的電流變體就會(huì)使直升機(jī)葉片變成固體，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加固的目的。總之，電流變體的應(yīng)用非常廣泛，它有可能開辟出一個(gè)新材料世界。電流變體（續(xù)2）.18（5）相容性埋置的材料性質(zhì)與原構(gòu)件的材料基質(zhì)的

10、性質(zhì)越相近越好。（）強(qiáng)度相容：埋置材料不能影響原材料的強(qiáng)度或者說影響很小。（）界面相容：埋入材料的表面和原材料有相容性。（）尺寸相容：埋入材料或器件和原材料構(gòu)件相比，體積應(yīng)很小，不影響原構(gòu)件特性。（）場分布相容：埋入材料與器件不影響原材料構(gòu)件各種場分布特性，如應(yīng)力場、振動(dòng)模態(tài)等。 .197.1.2 智能材料的研究內(nèi)容 智能材料是一門綜合性的邊緣科學(xué)，它包括材料科學(xué)、物理、化學(xué)、計(jì)算機(jī)仿生學(xué)、機(jī)電工程等多學(xué)科領(lǐng)域，涉及內(nèi)容很多，主要有下面幾方面內(nèi)容： （1） 基礎(chǔ)智能材料研究 （2） 自診斷智能材料的研究 （3） 自適應(yīng)智能材料研究 下面就分別展開敘述。.20（1） 基礎(chǔ)智能材料研究 基礎(chǔ)智能材

11、料是智能器件的基礎(chǔ)，許多材料本身就具有某些“智能”特性。例如：材料的性能（顏色、形狀、尺寸、機(jī)械特性等）隨環(huán)境或使用條件的變化而改變，具有學(xué)習(xí)、診斷和預(yù)見的能力，以及對信號的識別和區(qū)分能力。材料的結(jié)構(gòu)或成分可隨工作條件變化，從而具有一種對環(huán)境自適應(yīng)、自調(diào)節(jié)的功能。一些材料的電、光以及其它物理或化學(xué)性能隨外部條件的不同而變化，因而除了具有識別和區(qū)分信號、診斷、學(xué)習(xí)和刺激能力外，還可發(fā)展成具有動(dòng)態(tài)自動(dòng)平衡及自維修的功能。.21目前可用于智能器件的智能材料主要有：形狀記憶智能材料壓電智能材料磁致伸縮智能材料自組裝智能材料光纖智能材料電磁流變液智能材料.22（） 形狀記憶基礎(chǔ)智能材料 是一類具有形狀記

12、憶功能的材料。 由于形狀記憶合金材料集自感知、自診斷和自適應(yīng)功能于一體，故具有傳感器、處理器和驅(qū)動(dòng)器的功能，是一類具有特殊功能的智能材料。 人們不但可以利用形狀記憶合金來制備各種智能器件，而且還可以用形狀記憶合金來進(jìn)行智能材料設(shè)計(jì)，并對智能材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)控制。這就進(jìn)一步拓寬了形狀記憶合金智能材料的應(yīng)用領(lǐng)域。 .23記憶型鎳鈦牙弓絲.24（） 壓電基礎(chǔ)智能材料 壓電智能材料是一類具有壓電效應(yīng)的材料。 可實(shí)現(xiàn)傳感元件與動(dòng)作元件的統(tǒng)一，從而可以有效地用于材料損傷自診斷自適應(yīng)，減振與噪聲控制等方面。 常用的壓電材料主要是壓電陶瓷，而最近發(fā)展的壓電復(fù)合材料是將壓電陶瓷、聚合物按一定的比例、連通方式和

13、空間幾何分布復(fù)合而成，具有比常用壓電陶瓷更優(yōu)異的性能。 .25壓電陶瓷主動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，在控制坦克炮塔振動(dòng)方面的應(yīng)用，減輕了顫振。.26（） 磁致伸縮基礎(chǔ)智能材料 磁致伸縮效應(yīng)是指磁性物質(zhì)在磁化過程中因外磁場條件的改變而發(fā)生幾何尺寸可逆變化的效應(yīng)。也就是說，它是一類具有電磁能機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換功能的材料。磁致伸縮材料通常分為金屬磁致伸縮材料和稀土-鐵(RFe2)超磁致伸縮材料兩大類。由于稀土-鐵(RFe2)超磁致伸縮材料具有磁致伸縮值大、機(jī)械響應(yīng)快、功率密度大、耦合系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)，目前這類材料已廣泛用于聲納系統(tǒng)，大功率超聲器件、精密定位控制、機(jī)械制動(dòng)器，各種閥門和驅(qū)動(dòng)器件等方面。 .27（） 自組

14、裝基礎(chǔ)智能材料自組裝智能材料是在特定的基片上，通過化學(xué)鍵、氫鍵或靜電引力將聚合物分子或聚合物與無機(jī)納米粒子的復(fù)合物逐層組裝上去，以形成單層、雙層或多層自組裝薄膜材料。近幾年來，靜電自組裝薄膜材料發(fā)展很快。這種材料具有薄膜厚度可精確控制到分子水平，薄膜與基體以及薄膜與薄膜之間結(jié)合力強(qiáng)、薄膜厚度與成分均勻等特點(diǎn)，在非線性光學(xué)材料、光學(xué)器件等方面有著重要的潛在應(yīng)用。 .28（） 光纖基礎(chǔ)智能材料 光導(dǎo)纖維是一種圓柱介質(zhì)光波導(dǎo)，它能夠約束并引導(dǎo)光波在其內(nèi)部或表面附近沿軸線方向向前傳播。 由于光纖具有感測和傳輸雙重功能，并且有直徑小、柔韌易彎曲、質(zhì)量輕、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，因此，光纖已成為一種非常重要的智

15、能材料，光纖傳感技術(shù)則已成為智能材料的主要技術(shù)基礎(chǔ)之一。 光纖傳感技術(shù)在智能材料與結(jié)構(gòu)中主要用于檢測材料受力、損傷情況，結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測及振動(dòng)主動(dòng)控制等。用光纖組成的各種傳感器可測量溫度、壓力、位移、應(yīng)力、應(yīng)變等多種物理量，并具有極高的靈敏度。 .29單纖雙向光纖收發(fā)器用途城域光纖寬帶網(wǎng)，適用于電信、網(wǎng)通、廣電等數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商 多媒體傳輸：圖像、話音、數(shù)據(jù)綜合傳輸、適用于遠(yuǎn)程教學(xué)、會(huì)議電視、可視電話等應(yīng)用 實(shí)時(shí)監(jiān)控：實(shí)時(shí)控制信號、圖像及數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸 抗惡劣環(huán)境：適用于強(qiáng)電磁干擾、遠(yuǎn)距離的惡劣環(huán)境下組網(wǎng).30（2） 自診斷智能材料的研究自診斷智能材料是智能材料中最簡單最基礎(chǔ)的一種形式。它往往只具備智

16、能特性四個(gè)主要特性中的二種或三種，這一類智能材料能接受和響應(yīng)外部環(huán)境參數(shù)的變化，能夠自診斷內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)，如缺陷或損傷等，并能根據(jù)預(yù)先約定給予報(bào)警或傳輸有關(guān)信息，但不具備驅(qū)動(dòng)和自適應(yīng)的功能。例如對于結(jié)構(gòu)材料，人們期望材料內(nèi)部的劣化和損傷以及表面的微細(xì)裂紋形成時(shí)，能自行監(jiān)測，在形成重大事故或內(nèi)部變異之前能夠有效地預(yù)知或報(bào)警。.31（3）自適應(yīng)智能材料研究自適應(yīng)智能材料是一種完備的智能體系，它具備智能材料的四個(gè)基礎(chǔ)屬性。它不僅能接受和響應(yīng)外部的信息，而且能自動(dòng)改變自身狀態(tài)，以適應(yīng)外部環(huán)境變化。自適應(yīng)包括的含義如： 自我回復(fù)性(形狀和物理、化學(xué)性能能夠自動(dòng)復(fù)原)； 自動(dòng)調(diào)節(jié)性(能夠隨外部環(huán)境的需要而改

17、變自身狀態(tài))； 自我修復(fù)性(能根據(jù)自身損傷狀態(tài)自我修復(fù))等。 .32（）自回復(fù) 形狀記憶智能材料就是一種具有形狀自回復(fù)功能的智能材料。無論將該材料拉伸或彎曲成何種復(fù)雜形狀，只要一加熱，又回復(fù)到原來的初始形狀。其原理是利用了馬氏體相變，受力后材料內(nèi)晶格發(fā)生扭曲變形而顯示出塑性形變，受熱獲得能量后晶格自動(dòng)回復(fù)原狀。這種形狀記憶材料，已經(jīng)應(yīng)用于大型鋼管使其結(jié)合精密和牢固。.33自潔凈功能的溫度和氣體傳感器：日本人研制的一種能夠在所測試的環(huán)境氣體受污染后隨時(shí)自動(dòng)恢復(fù)其新鮮潔凈的表層和界面。其原理是利用CuOZnO兩種陶瓷片緊密接觸制成氣體傳感器，碳?xì)浠衔镌谝粋?cè)被吸附和分解，在另一側(cè)被還原而離開元件材

18、料表層，使材料表面總能接觸到最新進(jìn)入的被檢氣體，縮短了傳感器的響應(yīng)時(shí)間，解決了以往的氣體傳感器中毒劣化的問題，提高了檢測的準(zhǔn)確性，增加了使用壽命。 .34（ ） 自調(diào)節(jié) 一般材料的電阻是恒定的。電流與電壓的關(guān)系服從歐姆定律。但是，有些陶瓷材料的電阻隨著電壓而變化，例如ZnO等，稱為可變電阻。它具有根據(jù)外部電壓的大小而改變自身電阻的能力，故被列入智能材料范疇。它能用作智能性電路開關(guān)；用這種可變電阻制作成加熱元件時(shí)，可以自動(dòng)控制自己的加熱溫度。這種本身具有控溫能力的材料已成為高級轎車空調(diào)的核心元件。 .35 光致變色玻璃（光色玻璃）也是一種能自行調(diào)節(jié)透光性能的智能材料。利用Ag0Ag+化學(xué)狀態(tài)之間

19、的轉(zhuǎn)換，能夠自動(dòng)屏蔽強(qiáng)的光線。最近的所謂智能窗，就是利用光能-電能之間轉(zhuǎn)換，形成能屏蔽光線的大型透明窗口或者能夠顯示亮度和色彩的顯示屏幕。.36 （一）彩色裝飾玻璃：國內(nèi)首創(chuàng)新產(chǎn)品，填補(bǔ)國內(nèi)空白，主要用于各種樓、堂、館、所及廣告裝飾，具有色澤鮮艷，光彩照人，反射性能強(qiáng)，能拼湊成各種圖案，永不褪色等特點(diǎn)。目前，該產(chǎn)品全部出口東南亞地區(qū)，深受外商青睞。 （二）工業(yè)用濾色玻璃、光學(xué)儀器玻璃：主要用于各種儀器儀表盤的濾色防護(hù)，有幾十種顏色規(guī)格 。.37 自調(diào)節(jié)智能材料的另一有趣實(shí)例，就是能夠使藥物定位投放。日本科學(xué)家已經(jīng)研制一種微細(xì)膠囊物質(zhì)材料，能夠?qū)⑺幬锇髱У缴眢w的病變部位。在病變部位膠囊物質(zhì)表

20、皮自行破裂而釋放出藥物，醫(yī)治病變細(xì)胞。 這種定向投藥原理，用于農(nóng)藥和化肥在酸堿土壤中的定位投放，能提高效率，降低成本，減少污染，是農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展的方向。.38（ ） 自適應(yīng)性和自修復(fù)性研究得比較多的是使材料表層的形狀和厚度能根據(jù)需要隨時(shí)自動(dòng)形成。人體皮膚的自適應(yīng)性。如：鈦鋁合金是用于高溫發(fā)動(dòng)機(jī)的重要高溫材料，高溫使用時(shí)，氧化皮層容易裂開和脫落，人們通過加入一些物質(zhì)到材料中，在表皮發(fā)生裂紋時(shí)，能及時(shí)擴(kuò)散進(jìn)表皮的裂紋傷口內(nèi)，充填裂紋，并逐漸隆起形成致密的抗氧化層而保護(hù)材料肌體部件。.39 又如：在高溫真空器件的不銹鋼中，加入B和N元素，在進(jìn)入使用狀態(tài)后，B和N會(huì)向表層擴(kuò)散并相互結(jié)合形成一層致密的BN

21、高溫陶瓷保護(hù)層，保護(hù)層是材料中“自生”出來的，在成分和結(jié)構(gòu)上與基底之間逐漸過渡，所以結(jié)合非常牢固。這一舉解決了以往的陶瓷涂層容易剝落的問題。 .407.2 形狀記憶材料形狀記憶效應(yīng) 形狀記憶合金 形狀記憶陶瓷 形狀記憶聚合物 .417.2.1 形狀記憶效應(yīng) 具有一定形狀（初始形狀）的固體材料，在某一低溫狀態(tài)下經(jīng)過塑性變形后（另一形狀），通過加熱到這種材料固有的某一臨界溫度以上時(shí)，材料又恢復(fù)到初始形狀，這種效應(yīng)稱為形狀記憶效應(yīng)。 .42圖7-2-1 形狀記憶效應(yīng)示意圖 對于普通金屬材料，受到外力作用時(shí)，當(dāng)應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力去除后，塑性變形永久保留下來，不能恢復(fù)原狀。 形狀記憶

22、效應(yīng)，如左圖，材料加載過程中，應(yīng)變隨應(yīng)力增加，OA段為彈性變形的線性段，AB為非線性段，由B點(diǎn)卸載時(shí)，殘余應(yīng)變?yōu)镺C，將此材料在一定溫度加熱，則殘余應(yīng)變降為零，材料全部恢復(fù)原狀。.43形狀記憶材料(shape memory materials，簡稱SMM)： 是指具有一定初始形狀的材料經(jīng)形變并固定成另一種形狀后，通過熱、光、電等物理刺激或化學(xué)刺激的處理又可恢復(fù)成初始形狀的材料。.44形狀記憶效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展： 1951年，應(yīng)用光學(xué)顯微鏡觀察到：Au47.5atCd合金中，低溫馬氏體相和高溫母相之間的界面，隨溫度下降向母相推移（母相-馬氏體），隨溫度上升又向馬氏體推移（逆相變：馬氏體-母相），這

23、是最早觀察到形狀記憶效應(yīng)的極端例子。但沒有命名，也沒有引起功能應(yīng)用的重視。 1964年布赫列等人發(fā)現(xiàn)Ni Ti合金具有優(yōu)良的形狀記憶性能，并研制出實(shí)用的形狀記憶合金Nitinol。命名并發(fā)展。 20世紀(jì)70年代以來已開發(fā)出NiTi基形狀記憶合金、CuAlNi基和CuZnAl基形狀記憶合金；80年代開發(fā)了FeNiCoTi基和FeMnSi基形狀記憶合金。 迄今為止，已有10多個(gè)系列的50多個(gè)品種。這些形狀記憶合金廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、能源、電子、家電、機(jī)械、醫(yī)療和建筑等行業(yè)。 除合金外，也發(fā)現(xiàn)在一些非金屬材料如高聚物和陶瓷中也有形狀記憶現(xiàn)象。.45形狀記憶合金(shape memory al

24、loys簡稱SMA)： 是通過熱彈性與馬氏體相變及其逆變而具有形狀記憶效應(yīng)的由兩種以上金屬元素所構(gòu)成的材料。 形狀記憶合金是目前形狀記憶材料中記憶性能最好的材料。 已發(fā)現(xiàn)10系列50多種。 按照合金組成和相變特征，具有較完全形狀記憶效應(yīng)的合金可分為3大系列： 鈦-鎳系 銅基系 鐵基系7.2.2 形狀記憶合金.46形狀記憶合金的應(yīng)用 SMA可做成單向形狀恢復(fù)元件和雙向形狀恢復(fù)動(dòng)作元件和擬彈性元件，在很多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。（1）連接緊固件 如管接頭、緊固圈、連接套管和緊固鉚釘?shù)?SMA連接件結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、所占空間小，并且安全性高、拆卸方便、性能穩(wěn)定可靠。 其中管接頭是SMA最成功的應(yīng)用之

25、一，如圖7-2-2：.47圖7-2-2 形狀記憶合金管接頭使用示意圖TiNi alloy a待接管 b記憶處理管接頭 c擴(kuò)徑后 d套管 e加熱完成接管 待接管外徑為，內(nèi)徑為(1-4)TiNi合金經(jīng)過單向記憶處理后，在低溫下(Mf) 擴(kuò)孔為(1+4) ，擴(kuò)孔潤滑劑聚乙烯薄膜。保持低溫，插入被接管，去掉保溫材料，室溫時(shí)，內(nèi)徑恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)管路緊固連接。 .48圖7-2-3 Ni-Ti-Nb寬滯記憶合金管接頭與傳統(tǒng)連接的比較 最初管接頭所采用的合金為Ni-Ti和Ni-Ti-Fe合金，安裝前必須保存在液氮中，實(shí)際應(yīng)用很不方便。 后來開發(fā)了Ni-Ti-Nb寬滯后形狀記憶合金，經(jīng)適當(dāng)變形處理相變滯后，制成的管

26、接頭可以在常溫下儲存和運(yùn)輸，十分方便。.49圖7-2-4 記憶合金同軸電纜緊固圈 美國Rachem公司研制生產(chǎn)了Ni-Ti-Nb寬滯后記憶合金同軸電纜緊固圈。由絲材焊接而成，表面涂有一層可隨溫度改變顏色的化學(xué)涂料，安裝前可在常溫下保存，安裝時(shí)用小型加熱器加熱到涂料改變顏色即可。 這種緊固圈在美國通信工程和信號裝置中已廣泛應(yīng)用。與其它機(jī)械緊固法相比：體積小、重量輕、安裝方便、連接無漏絲、安全可靠。.50圖7-2-5 形狀記憶合金緊固鉚釘 工程中常用鉚釘和螺栓進(jìn)行緊固，但有時(shí)候操作困難，例如在密閉真空中很難進(jìn)行操作，可以用SMA緊固鉚釘方便的實(shí)現(xiàn)緊固。 尾部處理成記憶開口狀，緊固前，把鉚釘在干冰中

27、冷卻后把尾部拉直，插入被緊固件的孔中，溫度上升產(chǎn)生形狀恢復(fù)，鉚釘尾部叉開實(shí)現(xiàn)緊固。 .51（2）飛行器用天線 圖7-2-6 人造衛(wèi)星天線的示意圖 由Ti-Ni合金板制成的天線能卷入衛(wèi)星體內(nèi)，當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入軌道后，利用太陽能或其它熱源加熱就能在太空中展開。.52圖7-2-7 形狀記憶合金月面天線的自動(dòng)展開示意圖 美國字航局(NASA) 利用Ti-Ni合金加工制成半球狀的月面天線，先加以形狀記憶熱處理，壓成一團(tuán)，阿波羅運(yùn)載火箭送上月球表面，小團(tuán)天線受太陽照射加熱恢復(fù)原狀，即構(gòu)成正常運(yùn)行的半球狀天線， 用于通訊。.53（3）驅(qū)動(dòng)元件 利用記憶合金在加熱時(shí)形狀恢復(fù)的同時(shí)其恢復(fù)力可對外作功的特性，制成各種驅(qū)

28、動(dòng)元件。 這種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，可靠性好。 .54圖7-2-8 記憶合金空間有用載荷釋放機(jī)構(gòu) 安裝前，記憶合金驅(qū)動(dòng)器被軸向壓縮；釋放時(shí)，加熱記憶合金驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器恢復(fù)原長而產(chǎn)生足夠的軸向拉力拉斷缺口螺栓，使有用載荷釋放。1994年2月3日，美國在Clementine航天器上，用該機(jī)構(gòu)在15s內(nèi)成功釋放了4只太陽能板。 .55圖7-2-9 形狀記憶溫控閥 記憶合金絲可以制成圓柱形螺旋彈簧作為熱敏驅(qū)動(dòng)元件。其特點(diǎn)是利用形狀記憶特性，在一定溫度范圍內(nèi)，產(chǎn)生顯著的位移或力的變化。 SMA溫控閥原理：當(dāng)溫度升到一定溫度時(shí)，形狀記憶彈簧克服偏壓彈簧的壓力，產(chǎn)生位移打開閥門，當(dāng)溫度降低時(shí)，偏壓彈簧

29、壓縮形狀記憶彈簧，使閥門關(guān)閉。 目前，我國已在熱水器等設(shè)備上裝有Cu-Zn-Al記憶元件。 .56機(jī)械手柔性三維運(yùn)動(dòng).57（4）醫(yī)學(xué)應(yīng)用 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的記憶合金除了具備所需要的形狀記憶或超彈性外，還必須滿足化學(xué)和生物學(xué)等方面的可靠性，只有那種與生物體接觸后會(huì)形成穩(wěn)定性很強(qiáng)的鈍化膜的合金才可以進(jìn)入生物體內(nèi)。 在現(xiàn)有的SMA中，僅有TiNi合金滿足條件，是目前醫(yī)學(xué)上使用的惟一的記憶合金 。 我國率先于20世紀(jì)80年代初，成功將TiNi合金應(yīng)用于臨床，最早在口腔和骨科得到應(yīng)用，其后推廣到醫(yī)學(xué)各領(lǐng)域。我國在臨床應(yīng)用上處于國際領(lǐng)先水平。.58圖7-2-10 Ti-Ni合金做成的薄板型牙根結(jié)構(gòu) 在牙齒矯形手術(shù)

30、中，傳統(tǒng)使用不銹鋼和CoCr合金絲，后用Ti-Ni加工硬化后的合金（超彈性）取代不銹鋼絲（1978年）。 1984年日本采用Ti-Ni SMA成功研制出薄板結(jié)構(gòu)型牙根，下圖。低溫下使牙根端部合并，埋入顎骨后，用高頻感應(yīng)熱或在口腔內(nèi)灌入熱生理鹽水，使Ti-Ni SMA上升到42度，這時(shí)牙根端部向兩側(cè)張開30，其結(jié)合力比原來方法提高了40 。.59圖7-2-11 Ti-Ni形狀記憶合金鋸齒臂環(huán)抱內(nèi)固定器(a)環(huán)抱器由體部、臂部和鋸齒部組成 (b)環(huán)抱器橫截面 c)圓柱形環(huán)抱器(上)、圓錐形環(huán)抱器(下) 1994年，有人研制出上圖內(nèi)固定器用于治療長管骨折。這種環(huán)抱器具有良好的抗彎和抗扭作用，對壓縮應(yīng)力的對抗作用明顯低于接骨板，有利于促進(jìn)骨折愈合和減小固定后骨質(zhì)疏松，為長骨干骨折提供了一種新的有效治療手段。.60.617.2.3 形狀記憶陶瓷最先報(bào)道具有形狀記憶效應(yīng)的陶瓷（澳大利亞Swain，1986年）：氧化鎂部分穩(wěn)定氧化鋯（Mg-PSZ）的彎曲試驗(yàn)。.62圖7-2-12 9