形状记忆合金PPT参考课件.ppt

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,*,纳米材料与新材料,Nanometer-Materials&New Materials,and,（,5,）,材料科学与工程学院,1,2,第五讲 形状记忆合金,Shape Memory Alloy,3,主要内容,形状记忆合金的发展,形状记忆合金的原理,形状记忆合金的分类,形状记忆合金的制备,形状记忆合金的应用,4,前言,金属具有记忆能力，,乍听起来令人不可思议。然而，人们确已获得了这种具有,“,记忆能力,”,的金属,(Shape Memeory Alloy),。人们把,SMA,合金做成花、鸟、鱼、虫等各种造型，只要浸入不太热的水中，一瞬间，花开放，鸟展翅，鱼摆尾，虫蠕动，并且栩栩如生，真如魔术般使人惊叹，这些都是形状记忆合金特异功能的显示。,采用,CuZnAl,记忆合金片，以热水或热风为热源，开放温度为,65-85,，闭合温度为室温。花蕾直径,80mm,展开直径,200mm,。,5,形状记忆效应实验,原始形状,拉直,加热后恢复变形前形状,6,形状记忆效应,是指具有一定形状的固体材料,(,通常是具有热弹性马氏体相变的材料,),，在某一低温下,(,处于马氏体状态,),进行一定限度的塑性变形后，通过加热到某一温度,(,通常是该材料马氏体消失温度,M,f,),时，材料完全恢复到变形前的初始形状。,具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金。,形状记忆合金材料,7,目前，人们对形状记忆效应的物理本质和各种影响因素已经有了较为清晰的认识，形状记忆合金已被确认为一种,热驱动的功能材料,，人们利用其形状记忆效应，在,仪器仪表、电器、自动控制、汽车、航空航天、医疗、生物工程及机器人,等领域之中实现广泛应用。,8,1.,形状记忆合金的发展,9,形状记忆效应源自材料中发生的,马氏体相变,。,德国金属学家,Martens,发现：钢在,奥氏体,高温区,淬火,时，原来,面心,立方的奥氏体晶粒内以原子,无扩散,形状转变为,体心,立方结构，得到的组织以他的名字被命名为马氏体。,板条马氏体,钢的淬火,10,1938,年，,美国,的格里奈哥和穆拉迪安在,Cu-Zn,合金中发现了马氏体的,热弹性转变,；随后，,俄罗斯,的库究莫夫对这种行为进行了研究。他们的研究在当时并没有受到世界的重视。,1951,年,美国,的,Read,等人在,Au-Cd,合金的研究中首次发现该合金具有形状记忆效应，随后，在,InTi,合金中也发现了形状记忆效应。这些合金价格昂贵，难以实现应用，人们开始寻找成本低廉的形状记忆合金。,11,低成本形状记忆合金的发现完全是偶然的。,1962,年，,美国,海军军械研究所将,NiTi,合金作为对温度敏感的振动衰减合金加以研究，在讨论该项研究经费分配时，,某一成员用手将这种材料制成的细丝一端弯曲，然后在点燃手中雪茄时，忽然发现靠近火焰部分的细丝伸直了,。,1963,年，军械研究所宣布在,NiTi,合金丝中发现了形状记忆效应。,NiTi,合金具有强度高、塑性大、耐腐蚀好、成本相对低廉等许多特点,而引起极大关注。,12,1970,年人们又在成本更为低廉的,CuAlNi,合金中也发现形状记忆现象，并明确这种现象是能够产生,热弹性马氏体相变,的合金所共有的特性。,以此为转折点，迄今人们己在许多合金中相继发现这种现象，如表所示。,现在，人们发现,有机弹性材料，甚至陶瓷,，都可具有形状记忆的功能。,13,形状记忆合金的成分范围和,Ms(,马氏体相变开始温度,),点,合金,成分,M,s,点,/,合金,成分,M,s,点,/,AgCd,11-49at%Cd,-190/-50,InTi,18-23at%Ti,50/100,AuCd,46.5-50at%Cd,30/100,NiAl,36-38at%Al,-100/100,CuAlNi,14-14.5at%Al,3-4.5at%Ni,-140/100,TiNi,49-51at%Ni,-50/100,CuAuZn,23-28at%Au,45-47at%Zn,-150/100,FePt,25at%Pt,/-130,CuSn,15at%Sn,-120/30,FePd,30at%Pd,/-100,CuZn,38.5-41.5at%,-180/-10,MoCu,5-35at%Cu,-250/180,14,2.,形状记忆合金的原理,15,热弹性马氏体相变,钢在高温奥氏体相区淬火时，原来的面心立方点阵的奥氏体晶粒内以原子无扩散形式转变成体心立方的马氏体，这就是,钢的马氏体相变,。,把马氏体开始相变开始和相变结束的温度分别表示为,M,s,和,M,f,，把马氏体逆相变,(,转变成奥氏体,),的温度分别表示为,A,s,和,A,f,。,钢的马氏体转变,16,为使,P(,母相,)M(,马氏体相,),相变产生，,M,相的,化学自由能,必须低于,P,相，,相变需要驱动力,，如不过冷到适当低于,T,0,(P,相和,M,相化学自由能达到平衡的温度,),的温度,M,s,，相变不能进行，,逆相变也需驱动力,，必须过热到适当高于,T,0,的温度,A,s,。,T,o,和,M,s,之差称为过冷废,，钢铁马氏体相变的过冷度为,200,左右，形状记忆合金的过冷度为,5-30,。,马氏体相和母相化学自由能差随温度变化与马氏体相变的关系,17,在低于,M,s,温度下，马氏体片形成以后，,界面上的弹性变形是随着马氏体片长大而增大的,。,长大到一定程度，,弹性变形能及共格界面能等能量消耗的增加与相变化学自由能的减少相等,，马氏体和母相之间达到一种热弹性平衡状态，马氏体停止长大。,热效应和弹性效应之间的平衡态,就是热弹性的由来。,CuAlNi,合金冷却过程中热弹性马氏体相变,(,马氏体长大,),18,温度继续下降，马氏体相变驱动力增加，马氏体又继续长大，也可能出现新的马氏体长大。温度升高，相变驱动力减小，马氏体出现收缩，故称为,热弹性马氏体,，,相变为热弹性马氏体相变,。,CuAlNi,合金加热过程中热弹性马氏体相变,(,马氏体缩小,),19,形状记忆效应原理,形状记忆合金在一定范围内发生塑性变形后，经过加热到某一温度之上，能够恢复变形，其实质是热弹性马氏体相变。形状记忆合金,低温相,为马氏体，,柔软,且易变形；,高温相,为奥氏体，比较,硬,。冷却过程中，母相会转变为孪晶马氏体，在外应力下容易变形成某一特定形状；加热时，已发生形变的马氏体会回到原来奥氏体状态。这就是,宏观形状记忆现象,。,呈现形状记忆效应过程的示意图,20,为了使形状恢复以完全可逆的形式进行，需要具备下列,条件,:,(1),马氏体相变是,热弹性,；,(2),母相和马氏体呈现,有序的点阵结构,；,(3),马氏体点阵的不变切变为孪生，亚结构只能由,孪晶和层错,组成；,(4),马氏体相变在晶体学上是,可逆,的。,21,以上条件根据早期形状记忆材料的特征而提出，,随着形状记忆材料研究的不断深入，发现不完全具备上述条件的合金也可以显示形状记忆效应。,不但温度场、应力场可以诱导形状记忆效应，磁场也可诱导马氏体相变，出现形状记忆效应。,热诱导形状记忆合金,磁诱导形状记忆合金,Magnetic field,22,相变伪弹性和超弹性,外加应力也可引起马氏体消长。这样形成的马氏体叫,应力诱发马氏体,，随应力增加或减小，马氏体也相应长大或缩小。,A,f,温度以上的马氏体只在应力作用下稳定，合金在,A,f,以上进行拉伸，应力除去后，应力诱发马氏体当即逆转变为稳定母相，相变引起的变形即行消失。,这种不通过加热即恢复到原先形状的相变，看起来像弹性变形，但其应力应变曲线是非线性的，因此称为,相变伪弹性,，当其应变完全恢复时称为,相变超弹性,。,23,伪弹性仅与应力诱发相变和热弹性相变有关,AB,段代表马氏体相的纯粹弹性变形,。,B,点为应力诱发马氏体的最小应力，到,C,点相变结束。,BC,段代表奥氏体向马氏体转变后应变增加；其斜率远小于,AB,段，说明相变容易进行，,CD,段表示相变结束后在应力作用下马氏体发生弹性变形,。在,D,点马氏体开始屈服并发生塑性变形直到,E,点断裂。,伪弹性应力应变示意图,24,在,D,点之前应力被取消，例如在点,C,，对应的应变为,c,，则通过几步应变可恢复：,首先发生,马氏体的弹性恢复，如,C,F,段所表示,。,F,点对应的是卸载过程中应力诱发马氏体能够存在的最大应力，在该点,开始发生马氏体向奥氏体的逆相变,，随后马氏体量不断减少直到奥氏体完全恢复,(G,点,),，即,FG,段表示马氏体向奥氏体转换后引起的应变恢复,，,GH,段表示奥氏体的弹性恢复,。,25,3.,形状记忆合金的分类,26,合金成分,呈现形状记忆效应的合金，其基本,合金系,就有,10,种以上，如果把相互组合的合金或者添加适当元素的合金都算在内，则有,100,种以上。但是，,其中得到实用的只有,Ti,基,合金、,Cu,基,合金以及,Fe,基,合金,。其余合金则因为有些化学成分不是常用元素而导致,价格昂贵,，或者有些只能在,单晶,状态下使用，因而不适于工业生产。,27,TiNi,合金是目前形状记忆合金中研究最全面、记忆性能最好的合金材料,。,TiNi,合金由于强度高、塑性大、耐腐蚀性好、稳定性好，尤其是特殊的生物相容性，得到广泛应用，,特别是在医学上的应用是其它形状记忆合金所不能替代的,。,为使形状记忆合金得到应用，其,经济性,是一个重要因素。,铜基合金价格仅为,TiNi,合金的,l/10,，人们希望用它作为,TiNi,合金的替代品，其中研究最多的是,CuAlNi,合金和,CuZnAl,合金。但是，,铜基合金的记忆性能、耐蚀性能、力学性能等比,TiNi,合金差,。因此，在性能要求不高、反复使用次数少，特别是要求降低成本的情况下使用,Cu,基合全。,28,TiNi,合金与,CuZnAl,合金性能对比,合金类型,TiNi,合金,CuZnAl,合金,恢复应变,最大,8%,最大,4%,恢复应力,最大,400MPa,最大,200MPa,循环寿命,10,5,(=0.02),10,7,(=0.005),10,2,(=0.02),10,3,(=0.005),耐蚀性,良好,不良，有,应力腐蚀,破坏,加工性,不良,不太好,记忆处理,较易,相当难,29,铁基形状记忆合金发展较晚，早期的,FePt,和,FePd,合金由于价格昂贵未能得到应用,1982,年有关,Fe-Mn-Si,记忆合金的研究论文的发表，引起了材料研究工作者极大兴趣，目前主要有,Fe-Mn-Si,、,Fe-Ni-Co-Ti,等合金。,与,TiNi,合金和铜基合金相比，,Fe,基合金价格低，加工性能好，力学强度高，在应用方面具有明显的竞争优势，但其形状记忆效应不是很好。,Fe-Ni-Co-Ti,合金，预变形超过,2%,后形状记忆效应下降到,40%,以下。,30,形状记忆效应,形状记忆合金的形状记忆效应按形状恢复情况可以分为三类：,单程形状记忆效应,双程形状记忆效应,全程记忆效应,形状记忆效应的三种形式,(a),单程,(b),双程,(c),全程,31,单程记忆效应：,将母相在高温下制成某种形状，再将母相冷却或加应力，使之发生马氏体相变，然后对马氏体任意变形，再重新加热至,A,s,点以上，马氏体发生逆转变。,当温度升至,A,f,点，马氏体完全消失，材料恢复母相形状，而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状,。,32,双程记忆效应,：若加热时，恢复高温相形状，冷却时恢复低温相形状，,即通过温度升降自发可逆地反复恢复高低温相形状的现象称为双程记忆效应，又称可逆记忆效应,。,33,全程形状记忆效应：,这是一种加热时恢复高温形状，冷却时变为形状相同而取向相反的高温相的现象。,这种现象只有在,Ni,的原子含量不小于,50.5,且又经过时效的,Ti-Ni,合金中出现,。,34,把受过强迫时效的四条薄带在其中心位置上以,45,度的夹角捆扎在一起。如,a,所示，在约,100,开水中呈现具有凸透镜曲率的近圆形。,从开水中缓慢提起来时自行变化成,b,形状。,当从热水中完全提上来且于,室温,下时,变化成近直线形状,c,。,TiNi,合金的全程记忆效应,100,-,室温,35,ac,之间的自发形状变化是由马氏体的相变导致。接着浸泡在,冰水,中时，在下部开始呈现凸透镜曲率，变化成,d,形状。,在干冰,-,酒精液中冷却到约,-40,时变化成,e,形状，,同,a,相比完全是其相反的形状,，,然后再次返回到,开水,中时立刻变化成,f,形状，其形状与,a,完全相同,。,TiNi,合金的全程记忆效应,低温,-,100,36,4.,形状记忆合金的,制备和使用,37,形状记忆处理,形状记忆合金的制备通常是先制备,合金锭,，之后进行,热轧,、,模锻,、,挤压,，然后进行,冷加工,。,制备合金锭时合金元素的配比以及杂质元素的控制十分重要，,O,、,N,、,C,等元素都希望能得到严格控制。,为把形状记忆合金用做元件，有必要使它记住给定形状。因此,形状记忆处理是实现合金形状记忆功能方面不可或缺，至关重要的一环,。为此要进行一定的热处理,(,形状记忆处理,),。,38,TiNi,合金单程形状记忆处理,单程记忆处理方法有三种,中温处理,低温处理,时效处理,中温处理,是将轧制或拉丝加工后充分加工硬化的合金成形给定形状，在,400-500,温度下保温几分钟到几小时，使之记住形状的方法。此方法由于工艺简单而被广泛采用。,39,低温处理,是在高于,800,的温度下保温后进行,快冷,使合金材料具有退火状态组织，然后在室温下成形成给定形状，在,200-300,的低温下保温几分钟到几十分钟，以记忆其形状进行形状的方法。由于在完全退火的软状态下进行加工成形，有利于使合金记住复杂形状或者曲率很小的形状。,时效处理,是一种在,800-1000,温度下,固溶处理,后进行,淬火,，然后在,400,的温度下进行几小时时效处理的方法，这只对,Ni,含量高于,50.5at,的富,Ni,合金有效。,40,TiNi,合金双程记忆处理,合金具有双程记忆效应是因为合金中存在方向性的,应力场或晶体缺陷,。相变时，马氏体容易在这种缺陷处形核，同时发生择优生长。,记忆训练,：,先获得单程记忆效应，此时可以记忆高温相的形状；随后在低于,M,s,温度，根据需要的形状进行一定限度的可恢复变形；加热到,A,s,以上温度，试样恢复到高温态形状后，又降低到,M,s,以下，再变形试件使之成为低温所需要的形状,；,如此反复多次以后，就可获得双向记忆效应。这种记忆训练实际就是强制变形。,41,TiNi,合金全程记忆处理,全程记忆效应的出现是由于与基体共格的,Ti,11,Ni,14,析出相产生的某种固定的,内应力,所导致，,应力场控制了马氏体可逆相变的路径，使马氏体的可逆相变按照固定路径进行,。因此全程记忆处理的关键是,限制性时效,，必须根据需要选择合适的约束时效工艺。,42,形状记忆合金使用中的问题,形状记忆合金并不是无论承受怎样的变形只要受热就都可以回到原状，有时可残留,永久变形,。,为了保持良好的形状记忆特性，有必要使变形应变量不超过一定值。,适宜的,应变量决定于,热处理、循环使用次数、载荷、元件的形状和尺寸等许多因素。,当循环使用次数少时，,TiNi,合金,变形量,约为,6,，,CuZnAl,合金约为,2,；当循环使用次数多时分别低于,2,和,0.5,。,43,形状记忆合金要避免过热,，即在形状记忆合金受约束状态下，不要达到比,A,f,点高很多的温度。,线圈过热，相变引起的形状恢复应力超过丝材本身的,屈服应力,，与变形应变过大时的情况相同，合金的形状记忆特性变坏。,合金长时间置于,高温,时，会产生不完全记住该温度下形状的现象，不能回到正确的原始形状，即,记忆力减退,。,当,TiNi,合金和,CuZnAl,合金分别长时间置于,250,和,90,以上的温度时，不管载荷大小如何，都出现,不良影响,。,44,5.,形状记忆合金的应用,45,工业应用,宇航天线可由,NiTi,合金丝制成。将天线冷至低温，使其转变为马氏体。,NiTi,合金的,马氏体硬度较低,，将,TiNi,合金板或棒卷成竹笋状或旋涡状发条，收缩后安装在卫星内。卫星进入轨道后，团状天线被弹出，在阳光照射下，温度升高到,A,s,以上，团状天线自动张开，恢复到原来的形状。温度升高到,A,f,温度以上则完全恢复到原来的形状，向宇宙空间撑开。,美国宇航局根据达一想法研究了安放在月球表面上的抛物面天线组件。,宇航天线,46,NiTI,形状记忆合金折叠发射,自动张开的宇航天线原理图,47,连接件和紧固件,形状记忆合金管接头采用相变点比室稳低得多、约,-150,的,TiNiFe,合金，把内径加工成比被接管径约小,4,。进行连接操作时，先把管接头浸泡在液态氮气中，在低温保温状态下把锥形芯模压入管接头内壁，使内径扩大约,7-8%,。扩径后的管接头用保温材料保持低温，把被接管从管接头两侧插入，去掉保温材料，,管接头温度上升到室温，内径恢复到扩径前状态，牢牢箍紧被按管,。,形状记忆管接头,48,这种管接头在,F,14,喷气战斗机上使用了,10,万个,以上，从未出现过漏油等事故。采用形状记忆合金的管接头，除这种高可靠性外还有其他优点，因不需熔焊那样的高温高热，故,不会损害周围材料,，而且在低温下,易拆卸,，,便于进行检修,。,这类管接头在核潜艇的管路连接上也可应用。,150mm,大口径管接头在海底,输油管道的修补工程上,得到应用。,F14,战斗机,战略核潜艇,49,在密闭的中空结构件中，很难进行紧固操作。形状记忆紧固铆钉依靠三维形状恢复可以进行这种操作。,A,f,点低于室温的合金用来制造紧固铆钉，如下图,(a),所示，用尾部形状记忆处理成开口形状。在进行紧固操作前，把紧固铆钉浸泡在干冰或液态空气中进行充分冷却，然后把尾部拉直,(b),，插入被紧固孔,(e),，经一段时向，温度回升到室温，产生形状恢复。铆钉尾部叉开，把物体固紧,(d),。,(a),开口,(b),拉直,(c),插入,(d),加热,形状记忆紧固螺钉,50,智能机器人,形状记忆合金可制成驱动器、控制器等应用在智能机器人中。,形状记忆控制器能使机器人微型化。,形状记忆控制机构同传统伺服控制机构相比，,个形状记忆元件就可起到传统机构中,传感、驱动和传递,三系统功能的作用。,智能控制器,51,形状记忆驱动器通过适当加热和控制，可完成往返或旋转运动，兼之具有,感温,功能，所以能有效地用作,热敏兼驱动,的元件。,形状记忆驱动器的第一个特点是可以实现结构小型化，这一点从动作机构简单、元件为单一合金构成等特征来看，是理所当然的。,实际上已经试制出可动行程达,6mm,的微型机械手。这种机械手是把直径,0.2mm,的,TiNi,合金丝记忆处理成圆弧形状后包覆在硅橡胶中而做成的，硅橡胶起偏动弹簧作用。,52,具有相当于肩、肘、腕、指等的,5,维自由度的微型机器人试制品。,靠形状记忆合金动作的微型机器人结构图,53,形状记忆合金可制造,能量转换装置,。在低于,A,f,点的温度下把重,W,的重物挂在形状记忆线圈上。丝材伸长到丝材屈服力和重物力达到平衡。然后把线圈加热到,A,f,点以上，温度上升使合金产生形状恢复，形状恢复力大于重物重力，丝材在保留弹性应变的状态下收缩,L,，提起重物做了,WgL,的功。重物被提上去后降低温度使丝材伸长，接上重物，再升高温度把重物提上去，实现热机循环。,形状记忆热机原理,能量转换热机,54,形状记忆合金可制成偏心曲型热机。,利用冷热水的温差使,NiTi,形状记忆元件伸缩，就象发动机的活塞一样作往返返动，使轮子转动。,装有,20,相直径,1.2mm,、长,150mmTiNi,合金条的热机在用太阳能加热的,48,度温水和,24,度冷水之间，以,60-80r/min,的转速和,0.2W,以上的输出功率运转了,10,6,次，未发现,TiNi,合金条特性有任何下降。,形状记忆合金制备的偏心曲柄热机,55,保险器和继电器,用形状记忆合金制造的,温度保险器,不同于熔断保险丝，可产生很强的力拉断接点，消弧效应明显，适合于作大功率、高电压用保险器。,形状记忆合金温度保险器,56,医学应用,金属埋植入人体内时必须考虑其生物相容性。,如果埋植体对人体组织是一种活性物质，那么它周围的组织和细胞会发生变性，出现炎症充血和血循环障碍，坏死人体组织；,如果埋植体是一种非活性物质，那么由纤维细胞分泌的骨胶原纤维在它周围形成纤维组织，这种纤维组织在埋植体上生成薄膜，使它在人体组织中能够稳定存在,。,TiNi,合金的生物相容性,57,Castleman,等人用,TiNi,合金,(Ti-49at,Ni),试制接骨板埋植,在,20,只小猎犬股骨上，时间最长达,17,个月，,通过生物组织学分析利中子激活分析研究了埋植周围肌肉、骨和内脏的生物组织反应。,覆膜形状：,接骨板表面都覆盖一层纤维结缔组织覆膜，覆膜厚度和形状随埋植时间不同而有一定的差异。覆膜形状随埋植时间变长而变得更薄更致密，埋植,12,个月后覆膜厚度的不均匀性十分明显，许多地方形成滑液囊。埋植,17,个月后覆膜变成薄而光滑的纤维织缔组织，只在接骨板螺钉部位存在少量不均匀覆膜。,NiTi,合金接骨板,58,覆膜组织：,埋植,3,个月后，,TiNi,合金接骨板上形成的覆膜很厚，其成份由细胞质,(,嗜碱性细胞质、嗜酸性细胞质,),和纤维组织构成，而纤维组织成份几乎为骨胶原组织。埋植,6,个月后所形成的覆膜厚度比,3,个月的薄，,这是因为理膜中的细胞质成份减少后主要由致密的骨胶原纤维组织构成的缘故。,随着埋植时间的增加，覆膜厚度更加变薄，这是因为随着致密纤维组织增加，细胞质减少的结果。埋植,17,个月后细胞质减少到在由骨胶原纤维构成的致密结缔组织中仅存一点的程度。,59,埋植周围的骨骼和肌肉：,埋植,TiNi,合金接骨板和正常犬的骨骼相比，没有观察到骨骼和形状的变化，在埋植周围和接触部位的骨胳上并末发现成骨细胞和的变化，剥离接骨板后在剥离部位上可看到成骨细胞和新生骨膜的生成。就对肌肉的影响而言，埋植后,12,个月以前没有产生结缔组织的变性或者脂肪变性，埋植,17,个月后在螺钉头部所接触的部位上形成薄肌纤维束，,最引人注目的是这些组织中具有许多富有脂肪的细胞和血管,。,60,耐蚀性,：在,TiNi,合金接骨板表面上都没有发现任何均匀腐蚀和局部腐蚀的现象，表明对动物组织的耐蚀性非常好。,游离原子,：埋植,TiNi,合金时，,Ni,游离在骨内的有效误差微小，同样也研究了渗入在各内脏器官内的游离原子状态，其结果表明，埋植期间内积累起来的游离原子的有效误差等于零。,这些结果表明，,TiNi,合金的生物相容性很好，在医学领域具有巨大的应用价值。,61,牙科领域,矫治牙颌畸形，通常利用金属丝材进行矫正。,牙齿矫形用金属丝有不锈钢丝和,CoCr,合金丝，,这些材料具有弹性模量高、弹性应变小的缺点。用微小变形可获得很大矫正力，对患者造成疼痛和不适，同时还容易产生塑性变形。,为了给出适宜的矫正力，最初就要加工成弓形，操作比较复杂。,牙齿矫形丝,62,利用,NiTi,形状记忆合金的超弹性使得在加载和卸载过程中,压力恒定,，即使应变高达,10,也不会产生塑性变形，,应力诱发马氏体相变使弹性模量呈现非线性特性，,即便应变增大，矫正力却增加很少,，永久应变远远小于不锈钢丝。,TiNi,丝是一种可以稳定地利用极大能量的材料，,在大的变形范围内可持续释放比其他材料更加恒定的矫正力,。,NiTi,合金牙齿矫形丝,63,矫形外科,采用,形脊柱人造关节可在颈椎治疗中替代传统的骨融合。,先在低温下将,形器的弓形臂展平,(,图,a),并置于颈椎椎体的中间部位,(,图,b),。由于体温的影响，,形器的臂部恢复原状，从而保持了颈椎高度,(,图,c),。,这种关节成形术提高了病人功能恢复的程度，最大程度上减小了进一步的恶化，减轻了痛苦，同时避免了并发症的发生。,形脊柱人造关节,形脊柱人造关节应用示意图,64,脊柱侧弯矫形用哈伦顿棒,各种脊柱侧弯一旦导致高度畸变，不仅身心受到剧烈痛苦，而且内脏也受到压迫，所以必须进行外科矫形手术。,脊柱侧弯病症,65,目前，这种矫形手术采用不锈钢哈伦顿棒。,不锈钢矫形棒安装固定后使脊柱受到的矫正力在,30-40kg,以下，但有时脊柱会受到更大的力，会破坏固定器。结果不仅是脊柱，连神经也有受到损伤的危险。,即使安放的矫正力达到,30-40kg,，固定后,20min,后矫正力就下降,20%,之多，再过,10-15,天下降到最初固定力的,30%,。一到这时必须再进行手术，调整矫形力，使患者在精神和肉体上受到极大的痛苦。,66,如果把形状记忆合金用做哈伦顿棒，只要进行一次安放固定手术就行，不需要第二次手术。,将,NiTi,合金矫形棒先在低温下弯折，使其变形为弓形或,s,形，其曲率与脊柱相吻合，然后固定在椎板的棘突上。在温生理盐水作用下，,NiTi,合金矫形棒恢复到原来形状，此时产生较大的恢复力来推动脊杠进行矫正，达到治疗目的。,利用,NiTi,记忆合金矫形体进行脊柱矫形的最大特点是在体内始终有一个较大的弯曲力矩作用在脊柱上，使畸形得到矫正，并且疗效高，矫形后角度丢失较小，无骨折、无神经损伤等严重并发症。术后不用牵引，也不用石膏固定。,67,NiTi,合金聚髌器,治疗粉碎性髌骨骨折比较困难，我国设计了一种用于治疗髌骨骨折的形状记忆,NiTi,聚髌器，现已成功用于临床治疗之中。聚髌器由,1-2,个髌底功能爪枝、,2-3,个髌尖功能爪枝和,1,个连接的功能腰组成，它能从,5-9,个方向产生恢复力并作用于髌骨，向心、主动、持续地以纵向聚合加压，将粉碎的髌骨聚合于解剖位直至骨性愈合。,聚髌器,68,临床应用中，通常在,低温下将爪渐渐展开,，以减少爪和连接腰形成曲率，从而使得爪间距稍大于髌骨的纵向直径；骨折复位后，爪的自由端固定在髌骨周围。,用,热生理盐水升温，聚髌器的形状恢复,，髌骨周围产生的会聚压力抵消了股四头肌的张力，在关节运动时，骨折部位可得到稳固的保护。聚髌器作用在骨折碎片的压力将它们牢牢聚合在,起，加快骨折的愈合。,NiTi,合金聚髌器,应用示意图,69,NiTi,合金聚髌器在临床使用中具有如下,特点,：,操作简单，省时省力，暴露的切口较常规膝部内,弧形切口小,；,有些病例在,局麻,下即可完成手术，这对于有心血管疾病或糖尿病的高龄老人尤为适宜；,在固定效果上，不但术中易达到髌关节面的解剖复位，而且术后能有效地将其维持，固定于解剖位直至骨折愈合；,术后处理简单，绝大多数病例,无需石膏固定,；,功能,恢复既快又好。,70,接骨用骑缝钉,连接碎骨,，治疗骨折，有时要使用起绊紧作用的,U,字形骑缝钉。,现用骑缝钉，插进后使骨骼不分离，只起固定作用，但经不住身体运动所产生的剪切力，有时固定力在人体活动过程中甚至减半。,用形状记忆加压,U,形钉对治疗近关节骨折具有独特优势。,形状记忆加压骑缝钉,71,先在低温下将加压部分伸展开，减少波形曲率，增加长度，同时增大夹角至,90,度以延长两爪间跨距。,骨折复位后，将,U,形钉插入钻好的孔中，,用热纱布对手术部位进行热敷，使其升温，,U,形钉恢复到原始形状，产生的恢复力将骨折碎片牢牢固定，从而对骨折部分施加恒定的压力，,即使关节部位运动产生压力或张力时，,U,形钉也能牢牢地压缩在骨折部位。,这种骑缝钉在,德国,已经实现应用，没有出现任何事故。,形状记忆加压骑缝钉,72,形状记忆锯齿臂环抱内固定器,在长管状骨骨折的治疗中，除了需要牢固地固定，还要求其能够有效地抗弯曲、抗剪切、抗扭转，同时保持轴向压缩力，以促进骨折愈合及骨的重塑。,形状记忆锯齿臂环抱内固定器,具有固定抓紧功能，特别适用于治疗十分困难的假体周围骨折或髓内钉周围骨折。,形状记忆锯齿臂环抱内固定器,73,根据,X,光片选择合适长度的环抱器，锯齿臂环袍内固定器的内径应比患者的骨直径小约,10,-20,；,将环抱器消毒后，置于,0-5,的消毒冰盐水中，用撑开钳逐渐均匀地撑开各锯齿背，使每对锯齿臂之间的距离略大于骨干直径；,自冰盐水中取出已撑开的环抱器，迅速正确置入已整复好的骨折段，使骨折部位于环抱器中部；,用热盐水冲洗环抱器及各锯齿臂，由于形状记忆效应，环抱器迅速恢复原状，锯齿臂闭合，抱紧患骨,。,各种尺寸的形状记忆,锯齿臂环抱内固定器,74,医疗装置,当心脏出现毛病，不可能手术治疗时，不得不依赖于心脏移植或人工心脏。人工心脏传统驱动源主要采用利用气压的隔膜泵和吸入泵。,可以用形状记忆合金制造人工心脏用,人造肌肉,，用以充当人造心脏的驱动猿。,人工心脏用人造肌肉,人造心脏,75,把直径,0.5mm,的,TiNi,合金丝记忆处理成正弦曲线形状，贴在弹性质,(,乙烯基醋酸脂橡胶,),人工心室外壁上制成人工心脏用收缩性人造肌肉。以,6,根,TiNi,丝构成一个驱动节，以平行或串并联形式贴在心室壁上用作收缩驱动器。,TiNi,丝采用,脉冲通电加热,方式，冷却依靠自然降温，,利用形状记忆效应，通过,TiNi,丝的伸缩来实现心脏的收缩,。,体外用水进行试制的人工心脏的性能检验，结果表明，用每分钟,12-15,次的加热冷却循环可获得高达,1600mm,水柱的压力。,76,血栓过滤器,在心脏、下肢和骨盘静脉中形成的血栓被剥离后通过血管游动到肺时便发生肺栓塞。通常必须通过服用抗凝剂或者外科切除术进行治疗，但这两种治疗法都有危险，特别是内出血时用抗凝剂不能止血。,美国,用,TiNi,合金丝试制了用来阻止游动于腔静脉中的凝血块的过滤器,。,血栓过滤器,77,把,TiNi,丝记忆处理成能阻止凝血块的罗网形状，然后在低温下技直，通过导管插入腔静脉。进入腔静脉的,TiNi,丝被体温加热变成原先复杂的罗网形状而成为血栓过滤器，阻止凝血块游动。,血栓过滤器的伸展过程,78,NiTi,合金支架,理想的冠状动脉内支架应具有,x,射线下可视性、柔软性、稳定性、非致血栓性等特征。,NiTi,合金支架在,x,射线下清晰可见，植入中具有低的变形模量，膨胀后具有高的变形模量。,由于应力诱发马氏体的形成，支架大变形卸载后仅产生很小的永久变形，甚至不变形。,形状恢复后,NiTi,合金支架直径比管腔大，加强对血管壁的支撑作用。,冠状动脉内支架,冠状动脉支架,植入示意图,79,食管、贲门支架,癌症或化学性损伤造成食管、贲门部位狭窄、手术后吻合口狭窄、放疗后引起的,食管狭窄,及十二指肠及幽门狭窄，将造成病人吞咽困难，威胁生命。,食管网格支架在人体温下能,自扩展成原来形状，,产生持续柔和的径向扩张力，作用在食管内壁上，使狭窄部位恢复通畅。内支架在体温下，具有良好的超弹性，整体性好，纵向顺应性好，能随正常食管蠕动而起伏，使食管既保持通畅，又无不舒适感。,形状记忆合金食管网格支架,80,胃、十二指肠支架,NiTi,合金支架可采用单丝编织，具有良好的顺应性，宜在弯曲肠管中应用。支架低温处理后柔软性好易输送，体温下超弹性及支撑力强。可用来对狭窄或阻塞的胃、十二指肠段进行,扩张疏通,，重新建立通道。,支架法已用于一切导丝导管可达到的管腔，对其狭窄进行治疗。如鼻泪管、胆管、气管、前列腺输尿管狭窄、输卵管狭窄造成的不孕症等。,形状记忆支架膨胀前后,大直径,NiTi,合金支架,81,多点注射器,多点注射器由超弹性的,NiTi,合金管制成，用于对,肿瘤部位的多点药物治疗,。将弯曲的,NiTi,合金管束缚到导入针管中，输送到肿瘤部位，加温后推出多点注射器，通入药物进行治疗,多点注射器工作原理图,治疗,引入,展开,82,日常生活,为了提高制冷和取暖两方面的效率，在几乎所有冷热两用空调机排气口上都装有百叶板以便风向在制冷时向上、取暖时向下。,利用形状记忆元件的传感和驱动双重功能，制造上下自动转换的百叶板。,安装在排气口上的形状记忆线圈随排气温度变化收缩或张开，和另一侧的偏动弹簧一起完成双程动作，自动控制百叶板上下运动。,经,10,万次以上的动作后证实，形状记忆线圈特性没有任何下降,空调百叶板,空调百叶板,83,自动干燥箱,自动干燥箱主要采用加热能产生动作的形状记忆元件。,干燥剂长期吸湿后吸湿能力下降，需要加热排水。,形状记忆元件用干燥剂加热器作驱动源，可以完成内外闸门的自动开闭。,加热干燥剂时关闭内闸门，打开与排气相通的外闸门，排除水分；停止加热后关闭外闸门，打开内闸门，让干燥剂继续吸湿。,自动干燥器工作,原理,图,84,形状记忆路灯,法国巴黎用形状记忆合金制造的城市照明灯，有两瓣随着灯的亮、灭而逐渐张开或合上的叶片。白天，路灯熄灭，叶片合上，傍晚之后，叶片受灯泡热度的作用而逐渐张开，让灯泡显露出来。,形状记忆路灯,