智能材料与形状记忆材料综述.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,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,第,7,章,智能材料与形状记忆材料,智能材料与形状记忆材料综述,第1页,智能材料是近年来在世界上兴起并快速发展材料技术一个新领域。,7.1,智能材料,智能材料与形状记忆材料综述,第2页,7.1.1,基本概念,构想：,混凝土能自己发觉混凝土大坝里裂缝；,玻璃能依据环境光强改变而自行改变透光率，使进入室内阳光变暗或变亮；,墙纸能够改变颜色以适应不一样环境；,空中飞行飞机能自行诊疗其损伤状态并自行修复。,仿生 “活”材料,智能材料与形状记忆材料综述,第3页,美国和日本科学家首先提出。,1989,年日本高木俊宜教授将信息科学融于材料特征和功效，提出,智能材料,(,Intelligent materials),概念，它是指,对环境含有可感知可响应等功效,新材料。,美国,R,E,Newnhain,教授提出了,灵巧,(,Smart),材料,概念，这种材料含有传感和执行功效，他将灵巧材料分为被动灵巧材料、主动灵巧材料和很灵巧材料三类。,智能材料与形状记忆材料综述,第4页,智能材料是高技术新材料领域中正在形成一门新分支学科，是,2,l,世纪先进材料，是当前工程学科发展国际,前沿,。,智能材料是一门,交叉学科,，它发展不但是材料学科本身需要，而且能够带动许多相关学科发展，如物理、化学、计算机、土木工程和航空航天发展。,智能材料与形状记忆材料综述,第5页,智能材料：,是指能,模仿,生物体，同时含有,感知和控制,等功效材料或结构。它既能感知环境情况又能传输、分析相关信息，同时作出类似有生命物体智能反应，,如自诊疗、自适应或自修复等。,这种材料普通含有四种主要功效：,对环境参数,敏感,；,对敏感信息,传输,；,对敏感信息,分析、判断,；,智能,反应。,智能材料与形状记忆材料综述,第6页,智能材料与形状记忆材料综述,第7页,早期智能材料往往是一个材料集上述四种功效于一身，所以种类极少，而且适应面很狭窄，功效单一。,现在对智能材料四种功效分别进行处理，分别按需要进行设计，制造各种性能优越智能材料。,所以，智能材料往往不是研制一个材料使之具备各种智能特征，而是依据需要在所使用基体材料中融入某种新材料和器件，这种融入材料或器件普通含有某种或各种智能特征，这么使智能材料性能和应用得到了很大扩展。,智能材料与形状记忆材料综述,第8页,（1）敏感特征,融入材料使新复合材料能,感知环境,各种参数及其改变。,智能材料与形状记忆材料综述,第9页,日本东京大学工学系开发出了世界第一个用来检验核电站、高速公路、隧道等是否存在裂纹光纤传感器，灵敏度是过去检测装置千倍以上，价格也很廉价。,这种传感器使用简便，灵敏度高。只需将光纤制成线圈贴在大楼、桥梁等物体表面，假如这些被检测物体存在裂纹，传感器就会感知到由此产生微小声音和振动，光纤内传导光信号波长会发生改变，分析这些改变就能发觉裂纹位置及开裂程度。,试验证实，不论裂纹位于建筑物表面、墙壁内部还是地下深处，传感器都能准确地探测到。增加线圈数量还能深入提升传感器灵敏度。假如用玻璃纤维制成光纤绕成线圈，传感器感知效果在,600,摄氏度情况下依然能够保持不变，适合在核电站和高温化工厂使用。,日本创造光纤传感器,新华网（-02-11 16:48:57）,智能材料与形状记忆材料综述,第10页,机械手柔性三维运动,形状记忆合金,智能材料与形状记忆材料综述,第11页,通常使用压力传感器主要是利用压电效应制造而成，这么传感器也称为压电传感器。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等测量中。,压电传感器,智能材料与形状记忆材料综述,第12页,（2）传输特征,智能材料不但需要敏感环境各种参数，而且需要在材料与结构中,传递各种信息,，其信息传递类似人,神经网络,，不但,体积微小，而且传递信息量特大,。当前用于智能材料中信息传递方法很多，最惯用是用,光导纤维,来传递信息。,智能材料与形状记忆材料综述,第13页,（3）智能特征,智能特征是智能材料,关键,，也是智能材料与普通功效材料主要区分。要求能,分析、判断,其参数性质与改变，含有自学习、自适应等功效。,因为计算机技术高度发展，智能材料与结构智能特征已经或正在逐步实现，问题,关键,是怎样将材料敏感各种信息经过神经网络传输到计算机系统。,两种方法,：一个是在大型智能结构系统中，将智能材料敏感到各种参数传感到结构体系,普通计算机内,；另一个是在智能材料中埋入,超小型电脑芯片,。,智能材料与形状记忆材料综述,第14页,（4）自适应特征,是由智能材料中各种,微型驱动系统,来实现。该系统是由超小型芯片控制并可作出各种动作，使智能材料自动适应环境中应力、振动、温度等改变或自行修复各种构件损伤。,当前惯用微型驱动系统有形状记忆合金，磁致伸缩材料，电流变体等，尤其是,电流变体材料,在自适应材料中应用尤其引人注目。,智能材料与形状记忆材料综述,第15页,电流变体,通常情况下，我们看到液体变成固体或固体变成液体，只与温度和压力相关。然而，你能想像出电流也有这么作用吗？,1947,年，一个叫温斯洛美国人发觉了一个奇怪现象。他把石膏、石灰和炭粉加在橄榄油中，然后加水搅成一个悬浮液，想看看这种悬浮液能不能导电。在试验中，他意外地发觉，这种悬浮液没有加上电场时，能够像水或油一样自由地流动；可是一加上电场，就能马上由自由流动液体变成固体，而且伴随电场强度增加，固体强度也在增加。当撤消电场时，它又能马上由固体变回液体。因为这种悬浮液能够用电场来控制，所以科学家们就把它叫做“,电流变体,”，并把这种现象称为“,温斯洛现象,”。温斯洛还为此申请了专利。,智能材料与形状记忆材料综述,第16页,电流变体（续,1,）,那么，电流变体终究有什么用处呢？,人们最先想到是用它来制造汽车离合器和刹车装置。,汽车司机都知道，改变行车速度要换挡，而换挡最少也需要几秒钟时间。碰到紧急情况刹车时，司机猛踩刹车让刹车片紧紧“抱住”旋转轮子，也要用,1,秒钟左右时间。可在这,1,秒钟之内，就有可能造成车毁人亡惨剧。假如用电流变体做成离合器或刹车装置，那么只需千分之几秒时间，就能够到达换挡或刹车目标。因为不加电场时，电流变体为液体，黏度很小，等于汽车挂不上挡；加上电场后，电流变体黏度随电场强度增加而增大。当电流变体变成固体时，主动轴就和滑动轮结合成一个整体，就相当于换上了挡，而这个过程只需要千分之几秒时间。用电流变体刹车秘密就在于此。,智能材料与形状记忆材料综述,第17页,近几年，科学界正在研究有“感觉”和有“知觉”仿生智能材料，它能随外界环境改变而自动调整其功效，而电流变体恰好在此能够发挥作用。因为电流变体能随电压不一样而改变本身强度，所以能充当智能材料“肌肉”。因为一使劲（加上电压）肌肉就会变硬，肌肉一放松（撤掉电压）身子就变软了。,在美国，有科学家还用电流变体，研制出一个能自动加固直升机水平旋翼叶片。在飞行中，当叶片突然碰到疾风而猛烈振动有可能断裂时，叶片中事先加入电流变体就会使直升机叶片变成固体，从而实现自动加固目标。,总之，电流变体应用非常广泛，它有可能开辟出一个新材料世界。,电流变体（续,2,）,智能材料与形状记忆材料综述,第18页,（5）相容性,埋置材料性质与原构件材料基质性质越相近越好。,（,）,强度相容,：埋置材料不能影响原材料强度或者说影响很小。,（,）,界面相容,：埋入材料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构件相比，体积应很小，不影响原构件特征。,（）,场分布相容,：埋,入,材料与器件不影响原材料构件各种场分布特征，如应力场、振动模态等。,智能材料与形状记忆材料综述,第19页,7.1.2,智能材料研究内容,智能材料是一门综合性边缘科学，它包含材料科学、物理、化学、计算机仿生学、机电工程等多学科领域，包括内容很多，主要有下面几方面内容：,（,1,）,基础智能材料研究,（,2,）,自诊疗智能材料研究,（,3,）自适应智能材料研究,下面就分别展开叙述。,智能材料与形状记忆材料综述,第20页,（1）基础智能材料研究,基础智能材料是智能器件基础，许多材料本身就含有一些“智能”特征。比如：,材料性能,（颜色、形状、尺寸、机械特征等）,随环境或使用条件改变而改变，含有学习、诊疗和预见能力，以及对信号识别和区分能力。,材料,结构或成份,可随工作条件改变，从而含有一个对环境自适应、自调整功效。,一些材料,电、光以及其它物理或化学性能,随外部条件不一样而改变，因而除了含有识别和区分信号、诊疗、学习和刺激能力外，还可发展成含有动态自动平衡及自维修功效。,智能材料与形状记忆材料综述,第21页,当前可用于智能器件智能材料主要有：,形状记忆智能材料,压电智能材料,磁致伸缩智能材料,自组装智能材料,光纤智能材料,电磁流变液智能材料,智能材料与形状记忆材料综述,第22页,（,）,形状记忆基础智能材料,是一类含有形状记忆功效材料。,因为形状记忆合金材料,集自感知、自诊疗和自适应功效于一体,，故含有,传感器、处理器和驱动器,功效，是一类含有特殊功效智能材料。,人们不但能够利用形状记忆合金来制备各种智能器件，而且还能够用形状记忆合金来进行智能材料设计，并对智能材料与结构进行主动控制。这就深入拓宽了形状记忆合金智能材料应用领域。,智能材料与形状记忆材料综述,第23页,记忆型镍钛牙弓丝,智能材料与形状记忆材料综述,第24页,（,）,压电基础智能材料,压电智能材料是一类含有压电效应材料。,可实现,传感元件与动作元件统一,，从而能够有效地用于材料损伤自诊疗自适应，减振与噪声控制等方面。,惯用压电材料主要是,压电陶瓷,，而最近发展压电复合材料是将压电陶瓷、聚合物按一定百分比、连通方式和空间几何分布复合而成，含有比惯用压电陶瓷更优异性能。,智能材料与形状记忆材料综述,第25页,压电陶瓷主动控制驱动器系统，在控制坦克炮塔振动方面应用，减轻了颤振。,智能材料与形状记忆材料综述,第26页,（,）,磁致伸缩基础智能材料,磁致伸缩效应是指磁性物质在磁化过程中因外磁场条件改变而发生几何尺寸可逆改变效应。,也就是说，它是一类含有电磁能机械能相互转换功效材料。,磁致伸缩材料通常分为金属磁致伸缩材料和稀土,-,铁,(,RFe,2,),超磁致伸缩材料两大类。,因为,稀土,-,铁,(,RFe,2,),超磁致伸缩材料,含有磁致伸缩值大、机械响应快、功率密度大、耦合系数高优点，当前这类材料已广泛用于声纳系统，大功率超声器件、精密定位控制、机械制动器，各种阀门和驱动器件等方面。,智能材料与形状记忆材料综述,第27页,（,）,自组装基础智能材料,自组装智能材料是在特定,基片,上，经过化学键、氢键或静电引力将聚合物分子或聚合物与无机纳米粒子,复合物逐层组装,上去，以形成单层、双层或多层自组装,薄膜材料,。,近几年来，静电自组装薄膜材料发展很快。这种材料含有薄膜厚度可准确控制到分子水平，薄膜与基体以及薄膜与薄膜之间,结协力强、薄膜厚度与成份均匀,等特点，在非线性光学材料、光学器件等方面有着主要潜在应用。,智能材料与形状记忆材料综述,第28页,（,）,光纤基础智能材料,光导纤维是一个圆柱介质光波导，它能够约束并引导光波在其内部或表面附近沿轴线方向向前传输。,因为光纤含有,感测和传输,双重功效，而且有直径小、柔韧易弯曲、质量轻、抗电磁干扰等优点，所以，光纤已成为一个非常主要智能材料，光纤传感技术则已成为智能材料主要技术基础之一。,光纤传感技术在智能材料与结构中主要用于检测材料受力、损伤情况，结构状态监测及振动主动控制等。用光纤组成各种传感器可,测量温度、压力、位移、应力、应变,等各种物理量，并含有极高灵敏度。,智能材料与形状记忆材料综述,第29页,单纤双向光纤收发器用途,城域,光纤宽带网,，适合用于电信、网通、广电等数据网络运行商,多媒体传输,：图像、话音、数据综合传输、适合用于远程教学、会议电视、可视电话等应用,实时监控,：实时控制信号、图像及数据同时传输,抗恶劣环境,：适合用于强电磁干扰、远距离恶劣环境下组网,智能材料与形状记忆材料综述,第30页,（2）自诊疗智能材料研究,自诊疗智能材料是智能材料中,最简单最基础,一个形式。,它往往只具备智能特征四个主要特征中,二种或三种,，这一类智能材料能接收和响应外部环境参数改变，能够自诊疗内部运行状态，如缺点或损伤等，并能依据预先约定给予报警或传输相关信息，但,不具备驱动和自适应功效,。,比如对于结构材料，人们期望材料内部劣化和损伤以及表面微细裂纹形成时，能自行监测，在形成重大事故或内部变异之前能够有效地预知或,报警,。,智能材料与形状记忆材料综述,第31页,（3）自适应智能材料研究,自适应智能材料是一个,完备,智能体系，它具备智能材料四个基础属性。,它不但能接收和响应外部信息，而且能自动改变本身状态，以适应外部环境改变。,自适应包含含义如：,自我回复性,(,形状和物理、化学性能能够自动复原,),；,自动调整性,(,能够随外部环境需要而改变本身状态,),；,自我修复性,(,能依据本身损伤状态自我修复,),等。,智能材料与形状记忆材料综述,第32页,（,）,自回复,形状记忆,智能材料就是一个含有形状自回复功效智能材料。不论将该材料拉伸或弯曲成何种复杂形状，只要一加热，又回复到原来初始形状。其原理是利用了马氏体相变，受力后材料内晶格发生扭曲变形而显示出塑性形变，受热取得能量后晶格自动回复原状。这种形状记忆材料，已经应用于大型钢管使其结合精密和牢靠。,智能材料与形状记忆材料综述,第33页,自洁净功效温度和气体传感器：,日本人研制一个能够在所测试环境气体受污染后随时自动恢复其新鲜洁净表层和界面。,其原理是利用,CuO,ZnO,两种陶瓷片紧密接触制成气体传感器，,碳氢化合物,在一侧被吸附和分解，在另一侧被还原而离开元件材料表层，使材料表面总能接触到最新进入被检气体，缩短了传感器响应时间，处理了以往气体传感器中毒劣化问题，提升了检测准确性，增加了使用寿命。,智能材料与形状记忆材料综述,第34页,（,）自调整,普通材料电阻是恒定。电流与电压关系服从欧姆定律。,不过，有些陶瓷材料电阻伴随电压而改变，比如,ZnO,等，称为,可变电阻,。它含有依据外部电压大小而改变本身电阻能力，故被列入智能材料范围。,它能用作智能性,电路开关,；用这种可变电阻制作成,加热元件,时，能够自动控制自己加热温度。,这种本身含有控温能力材料已成为高级轿车空调关键元件。,智能材料与形状记忆材料综述,第35页,光致变色玻璃（,光色玻璃）也是一个能自行调整透光性能智能材料。利用,Ag,0,Ag,+,化学状态之间转换，能够自动屏蔽强光线。最近所谓,智能窗,，,就是利用光能-电能之间转换，形成能屏蔽光线大型透明窗口或者能够显示亮度和色彩显示器幕。,智能材料与形状记忆材料综述,第36页,（一）彩色装饰玻璃,：国内首创新产品，填补国内空白，主要用于各种楼、堂、馆、所及广告装饰，含有色泽鲜艳，光彩照人，反射性能强，能拼凑成各种图案，永不褪色等特点。当前，该产品全部出口东南亚地域，深受外商青睐。,（二）工业用滤色玻璃、光学仪器玻璃,：主要用于各种仪器仪表盘滤色防护，有几十种颜色规格。,智能材料与形状记忆材料综述,第37页,自调整智能材料另一有趣实例，就是能够使,药品定位投放,。日本科学家已经研制一个微细胶囊物质材料，能够将药品包裹后带到身体病变部位。在病变部位胶囊物质表皮自行破裂而释放出药品，医治病变细胞。,这种定向投药原理，用于农药和化肥在酸碱土壤中定位投放，能提升效率，降低成本，降低污染，是农业技术发展方向。,智能材料与形状记忆材料综述,第38页,（,）,自适应性和自修复性,研究得比较多是使,材料表层形状和厚度,能依据需要随时,自动形成,。人体皮肤自适应性。,如：钛铝合金,是用于高温发动机主要高温材料，高温使用时，氧化皮层轻易裂开和脱落，人们经过加入一些物质到材料中，在表皮发生裂纹时，能及时扩散进表皮裂纹伤口内，充填裂纹，并逐步隆起形成致密抗氧化层而保护材料肌体部件。,智能材料与形状记忆材料综述,第39页,又如：在高温真空器件不锈钢中，加入,B,和,N,元素，在进入使用状态后，,B,和,N,会向表层扩散并相互结合形成一层致密,BN,高温陶瓷保护层,，保护层是材料中“自生”出来，在成份和结构上与基底之间逐步过渡，所以结合非常牢靠。这一举处理了以往陶瓷涂层轻易剥落问题。,智能材料与形状记忆材料综述,第40页,7.2,形状记忆材料,形状记忆效应,形状记忆合金,形状记忆陶瓷,形状记忆聚合物,智能材料与形状记忆材料综述,第41页,7.2.1,形状记忆效应,含有,一定形状（初始形状）,固体材料，在某一低温状态下经过,塑性变形,后（,另一形状,），经过,加热,到这种材料固有某一临界温度以上时，材料又,恢复到初始形状,，这种效应称为形状记忆效应。,智能材料与形状记忆材料综述,第42页,图,7-2-1,形状记忆效应示意图,对于普通金属材料，受到外力作用时，当应力超出屈服强度时，产生塑性变形，应力去除后，塑性变形永久保留下来，不能恢复原状。,形状记忆效应，如左图，材料加载过程中，应变随应力增加，,OA,段为弹性变形线性段，,AB,为非线性段，由,B,点卸载时，残余应变为,OC,，将此材料在一定温度加热，则残余应变降为零，材料全部恢复原状。,智能材料与形状记忆材料综述,第43页,形状记忆材料,(shape memory materials,，简称,SMM),：,是指含有一定初始形状材料经形变并固定成另一个形状后，经过热、光、电等物理刺激或化学刺激处理又可恢复成初始形状材料。,智能材料与形状记忆材料综述,第44页,形状记忆效应发觉和发展：,1951,年，应用光学显微镜观察到：,Au47.5at,Cd,合金中，低温马氏体相和高温母相之间界面，随温度下降向母相推移（母相,-,马氏体），随温度上升又向马氏体推移（逆相变：马氏体,-,母相），这是最早观察到形状记忆效应极端例子。但没有命名，也没有引发功效应用重视。,1964,年布赫列等人发觉,Ni,Ti,合金含有优良形状记忆性能，并研制出实用形状记忆合金,Nitinol,。命名并发展。,20,世纪,70,年代以来已开发出,Ni,Ti,基形状记忆合金、,Cu,Al,Ni,基和,Cu,Zn,Al,基形状记忆合金；,80,年代开发了,Fe,Ni,Co,Ti,基和,Fe,Mn,Si,基形状记忆合金。,迄今为止，已经有,10,多个系列,50,多个品种。这些形状记忆合金广泛应用于航空、航天、汽车、能源、电子、家电、机械、医疗和建筑等行业。,除合金外，也发觉在一些非金属材料如高聚物和陶瓷中也有形状记忆现象。,智能材料与形状记忆材料综述,第45页,形状记忆合金,(shape memory alloys,简称,SMA),：,是经过热弹性与马氏体相变及其逆变而含有形状记忆效应由两种以上金属元素所组成材料。,形状记忆合金是当前形状记忆材料中记忆性能最好材料。已发觉,10,系列,50,各种。,按照合金组成和相变特征，含有较完全形状记忆效应合金可分为,3,大系列：,钛,-,镍系 铜基系 铁基系,7.2.2,形状记忆合金,智能材料与形状记忆材料综述,第46页,形状记忆合金应用,SMA,可做成单向形状恢复元件和双向形状恢复动作元件和拟弹性元件，在很多领域含有广泛应用前景。,（,1,）连接紧固件,如管接头、紧固圈、连接套管和紧固铆钉等,SMA,连接件结构简单、重量轻、所占空间小，而且安全性高、拆卸方便、性能稳定可靠。,其中管接头是,SMA,最成功应用之一，如图,7-2-2,：,智能材料与形状记忆材料综述,第47页,图,7-2-2,形状记忆合金管接头使用示意图,Ti,Ni alloy,a,待接管,b,记忆处理管接头,c,扩径后,d,套管,e,加热完成接管,待接管外径为,，内径为,(1-4,),TiNi,合金,经过单向记忆处理后，在低温下,(M,f,),扩孔为,(1+4,),，扩孔润滑剂聚乙烯薄膜。保持低温，插入被接管，去掉保温材料，室温时，内径恢复，实现管路紧固连接。,智能材料与形状记忆材料综述,第48页,图,7-2-3,Ni-Ti-Nb,宽滞,记忆合金管接头与传统连接比较,最初管接头所采取合金为,Ni-Ti,和,Ni-Ti,-,Fe,合金，安装前必须保留在液氮中，实际应用很不方便。,以后开发了,Ni-Ti-Nb,宽滞后形状记忆合金，经适当变形处理相变滞后，制成管接头能够在常温下储存和运输，十分方便。,智能材料与形状记忆材料综述,第49页,图,7-2-4,记忆合金同轴电缆紧固圈,美国,Rachem,企业研制生产了,Ni-Ti-Nb,宽滞后记忆合金同轴电缆紧固圈。由丝材焊接而成，表面涂有一层可随温度改变颜色化学涂料，安装前可在常温下保留，安装时用小型加热器加热到涂料改变颜色即可。,这种紧固圈在美国通信工程和信号装置中已广泛应用。与其它机械紧固法相比：体积小、重量轻、安装方便、连接无漏丝、安全可靠。,智能材料与形状记忆材料综述,第50页,图,7-2-5,形状记忆合金紧固铆钉,工程中惯用铆钉和螺栓进行紧固，但有时候操作困难，比如在密闭真空中极难进行操作，能够用,SMA,紧固铆钉方便实现紧固。,尾部处理成记忆开口状，紧固前，把铆钉在干冰中冷却后把尾部拉直，插入被紧固件孔中，温度上升产生形状恢复，铆钉尾部叉开实现紧固。,智能材料与形状记忆材料综述,第51页,（,2,）飞行器用天线,图,7-2-6,人造卫星天线示意图,由,Ti-Ni,合金板制成天线能卷入卫星体内，当卫星进入轨道后，利用太阳能或其它热源加热就能在太空中展开。,智能材料与形状记忆材料综述,第52页,图,7-2-7,形状记忆合金月面天线自动展开示意图,美国字航局,(NASA),利用,Ti-Ni,合金加工制成半球状月面天线，先加以形状记忆热处理，,压成一团,，阿波罗运载火箭送上月球表面，小团天线受太阳照射,加热恢复原状,，即组成正常运行半球状天线，,用于通讯。,智能材料与形状记忆材料综述,第53页,（,3,）驱动元件,利用记忆合金在加热时形状恢复同时其恢复力可,对外作功,特征，制成各种驱动元件。,这种驱动机构结构简单，灵敏度高，可靠性好。,智能材料与形状记忆材料综述,第54页,图,7-2-8,记忆合金空间有用载荷释放机构,安装前，记忆合金驱动器被,轴向压缩,；释放时，,加热,记忆合金驱动器，驱动器,恢复原长,而产生足够,轴向拉力,拉断缺口螺栓，使有用载荷释放。,1994,年,2,月,3,日，美国在,Clementine,航天器上，用该机构在,15s,内成功释放了,4,只太阳能板。,智能材料与形状记忆材料综述,第55页,图,7-2-9,形状记忆温控阀,记忆合金丝能够制成圆柱形螺旋弹簧作为热敏驱动元件。其特点是利用形状记忆特征，在一定温度范围内，产生显著位移或力改变。,SMA,温控阀原理：当温度升到一定温度时，形状记忆弹簧克服偏压弹簧压力，产生位移打开阀门，当温度降低时，偏压弹簧压缩形状记忆弹簧，使阀门关闭。,当前，我国已在,热水器等设备上装有,Cu-Zn-Al,记忆元件。,智能材料与形状记忆材料综述,第56页,机械手柔性三维运动,智能材料与形状记忆材料综述,第57页,（,4,）医学应用,医学领域记忆合金除了具备所需要形状记忆或超弹性外，还必须满足化学和生物学等方面可靠性，只有那种与生物体接触后会形成稳定性很强钝化膜合金才能够进入生物体内。,在现有,SMA,中，仅有,TiNi,合金满足条件，是当前医学上使用惟一记忆合金,。,我国率先于,20,世纪,80,年代初，成功将,TiNi,合金应用于临床，最早在口腔和骨科得到应用，其后推广到医学各领域。我国在临床应用上处于国际领先水平。,智能材料与形状记忆材料综述,第58页,图,7-2-10 Ti-Ni,合金做成薄板型牙根结构,在牙齿矫形手术中，传统使用不锈钢和,Co,Cr,合金丝，后用,Ti-Ni,加工硬化后,合金（超弹性）取代不锈钢丝（,1978,年）。,1984,年日本采取,Ti-Ni SMA,成功研制出薄板结构型牙根，下列图。低温下使牙根端部合并，埋入颚骨后，用高频感应热或在口腔内灌入热生理盐水，使,Ti-Ni SMA,上升到,42,度，这时牙根端部,向两侧张开,30,，其结协力比原来方法提升了,40,。,智能材料与形状记忆材料综述,第59页,图,7-2-11 Ti-Ni,形状记忆合金锯齿臂环抱内固定器,(a),环抱器由体部、臂部和锯齿部组成,(b),环抱器横截面,c),圆柱形环抱器,(,上,),、圆锥形环抱器,(,下,),1994,年，有些人研制出上图内固定器用于治疗长管骨折。这种环抱器含有良好抗弯和抗扭作用，对压缩应力反抗作用显著低于接骨板，有利于促进骨折愈合和减小固定后骨质疏松，为长骨干骨折提供了一个新有效治疗伎俩。,智能材料与形状记忆材料综述,第60页,智能材料与形状记忆材料综述,第61页,7.2.3,形状记忆陶瓷,最先报道含有形状记忆效应陶瓷（澳大利亚,Swain,，,1986,年）：氧化镁部分稳定氧化锆（,Mg-PSZ,）弯曲试验。,智能材料与形状记忆材料综述,第62页,图,7-2-12 9.4,mol MgO-PSZ,形状记忆效应,(,示意图,),200MPa,拉应力载荷，,100,/h,加热至,800,保温,2h,，然后同速冷却后发觉：,a),烧结态试样；,b),热处理试样,(1100,9h),；,将,b,）在无载荷作用下重新加热到,800,得到,c),智能材料与形状记忆材料综述,第63页,形状记忆陶瓷应用,图,7-2-13,用,PNZST,陶瓷为驱动器闭锁继电器,50um,位移可触动开关，尺寸紧凑，仅为通常电磁继电器,1,10,，用脉冲电压操纵，节约能量,；在,350V,电压下,4ms,接通，在,-50V,断开。,智能材料与形状记忆材料综述,第64页,图,7-2-14,应用形状记忆叠层装置机械夹持器,20,层形状记忆材料制成，可用于夹持显微试样。,200V,，,4ms,脉冲电压使,4mm,叠层陶瓷位移,4um,，经杠杆放大作用，尖端位移,30um,，可稳定夹持几个小时。,智能材料与形状记忆材料综述,第65页,7.2.4,形状记忆聚合物,形状记忆高聚物,(shape memory polymers,，简写,SMP),或称,形状记忆高分子,：,由固定相或称硬相,(hard domain),和软化,-,硬化可逆相或称软相,(soft domain),组成，经过可逆相可逆改变而含有形状记忆效应。,于,20,世纪,80,年代开始对,SMP,研究。,1984,法国,CdF,Chimie,企业成功开发出世界首例形状记忆聚合物,聚降冰片烯以后，,SMP,进入高速发展阶段。,智能材料与形状记忆材料综述,第66页,形状记忆高聚物应用,(1),土木建筑：用于固定铆钉、空隙密封和异径管连接等。,异径管连接,：,先将,SMP,树脂加热软化制成管状，趁热向内插入直径比该管子内径稍大棒状物，以扩大口径，然后冷却成型抽出棒状物，得到,热收缩管,制品。,使用时，将直径不一样金属管插入热收缩管中，用热水或热风加热，套管收缩紧固，使各种异径金属管或塑料管有机地结合。,智能材料与形状记忆材料综述,第67页,(2),机械制造：用于自动启闭阀门、防音辊、防震器、连接装置、衬里和缓冲器等。,SMP,树脂可用来制作,火灾报警感温装置,、自动开闭阀门、残疾病人行动使用感温轮椅等。,当汽车突然受到冲撞，,SMP,树脂制作,保护装置,变形后，只需加热就可恢复原状。,智能材料与形状记忆材料综述,第68页,(3),医疗卫生,：夹板、矫形器、扩张血管器和固定器等。,将,SMP,树脂加工成创伤部位形状，用热风加热使其软化，在外力作用下变形为易装配形状，冷却固化后装配到创伤部位，再加热便恢复原状起固定作用。取下时也极为方便，只需热风加热软化。,图,7-2-15,医疗固定器具示意图,智能材料与形状记忆材料综述,第69页,(4),印刷包装：,用于热收缩膜和商标等。,(,5,),智能材料：,用于传感和执行元件等。,智能材料与形状记忆材料综述,第70页,