形状记忆材料与智能材料培训课件.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,*,*,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,*,*,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,*,2.1,形状记忆合金发觉,2,形状记忆材料和智能材料,20,世纪,50,年代初，美国,T.A.Read,在,Au-Cd,合金中发觉形状记忆现象,20,世纪,60,年代初，美国马里兰州海军军械研究所科学家比勒，用,镍钛合金,丝做试验。这些合金丝弯弯曲曲，为了使用方便，他把这些合金丝弄直了。不过，当他无意中把合金丝靠近火时候，奇迹发生了：已经弄直合金丝竟然完全恢复了它们原来弯弯曲曲形状,形状记忆材料与智能材料培训课件,第1页,2.2,形状记忆效应,形状记忆效应,（,SME,）：将材料在一定条件下进行一定程度内变形后，再对材料适当施加外界条件，材料变形随之消失而回复到变形前形状现象。,含有形状记忆效应合金称,形状记忆合金（,Shape Memory Alloy,SMA,）,形状记忆材料分为：,形状记忆合金、形状记忆陶瓷、形状记忆聚合物,形状记忆材料与智能材料培训课件,第2页,合金形状记忆效应实质上是在,温度和应力,作用下，合金内部,热弹性马氏体,形成、改变、消失,相变过程宏观表现。,这种热弹性马氏体不像,Fe-C,合金中马氏体那样，在加热转变成它母相（奥氏体）之前即发生分解，而是,加热时直接转成它母体,。,热弹性马氏体冷却时马氏体长大，加热时马氏体收缩，热弹性马氏体,相变,是可,逆,，且相变过冷度很小。,2.3,形状记忆合金,形状记忆材料与智能材料培训课件,第3页,图,2-1,随温度改变发生马氏体相变时电阻改变,热滞回线间热滞大小普通为,20K,40K,（奥氏体）,2.3.1,热弹性马氏体形状记忆效应,形状记忆材料与智能材料培训课件,第4页,当温度下降到,M,s,点时，合金电阻随温度改变呈偏离线性下降直线，表明马氏体开始形成；温度降低到,M,f,点以下时，合金电阻随温度改变又呈线性下降直线，表明母相完全转变为马氏体,类似地，将合金从低于,M,f,点以下温度加热到,A,s,点时，开始逆转变为母相，加热到,A,f,点时马氏体完全转变为母相。,形状记忆材料与智能材料培训课件,第5页,M,s,、,M,f,、,A,s,、,A,f,是表征记忆合金热弹性马氏体相变特征温度，也是形状记忆过程中变形及形状恢复特征温度,（,A,s,-M,s,）为热滞后,，表征马氏体逆相变相对于马氏体相变滞后，也是一个主要参量,形状记忆材料与智能材料培训课件,第6页,图,2-2,母相和马氏体相化学自由能随温度改变与马氏体相变关系,过冷度,相变需要过冷度，以得到一定相变驱动力,形状记忆材料与智能材料培训课件,第7页,将一定形状记忆合金试样冷却到,M,f,点以下，对之进行一定程度变形，卸去载荷后，变形被保留下来；,将变形了试样加热到,A,s,以上，试样开始恢复，加热到,A,f,点，试样恢复到变形前形状。,形状记忆材料与智能材料培训课件,第8页,2.3.2,应力诱发马氏体相变与记忆合金超弹性,对母相状态样品在,A,f,温度以上,施加外力，将出现以下列图所表示应力,-,应变曲线,a,c,b,d,e,g,f,加载过程,卸载过程,形状记忆材料与智能材料培训课件,第9页,形状记忆合金发生超弹性变形应力,-,应变曲线,a-b,：,母相弹性变形阶段,b-c,：,应力诱发马氏体形成阶段,c-d,：,马氏体弹性变形阶段,d-e,：,马氏体弹性变形回复阶段,e-f,：,马氏体逆转变母相阶段,f-g,：,母相弹性变形回复阶段,a,c,b,d,e,g,f,形状记忆材料与智能材料培训课件,第10页,超弹性变形,特点：这种弹性变形应变量远远超出通常意义上弹性变形，其实质与弹性变形不一样，又称为,伪弹性变形,所施加应力,不能超出滑移临界应力，,超出话合金会发生塑性变形，形状记忆效应和超弹性效应都会被破坏,形状记忆材料与智能材料培训课件,第11页,超弹性变形产生本质,超弹性变形是,应力诱发马氏体相变造成,，由马氏体相变热力学方程能够推导外加应力对马氏体相变影响：,伴随外加应力增加，,M,s,和,A,f,也会增加,以,Cu-34.1,Zn-1.8,Sn,（原子百分数）合金为例,环境温度,330K,，不施加外力,M,s,为,275K,（低于环境温度不能发生马氏体相变）,施加外力,M,s,升高，当应力为,80Mpa,时,M,s,约为,330K,（到达环境温度马氏体开始形成）,伴随应力增加，,M,s,高于环境温度幅度增大，马氏体转变量随之增加,M,s,不能远低于环境温度这么会使应力太大，材料先发生严重塑性变形,形状记忆材料与智能材料培训课件,第12页,形状记忆效应与超弹性变形效应比较,形状记忆效应,:,对样品在,M,f,温度下变形,加热到,A,f,温度以上取得,超弹性变形效应,:,在,A,f,以上,温度变形,然后去除外力展现,形状记忆材料与智能材料培训课件,第13页,形状记忆效应和超弹性效应与温度、应力和滑移临界切应力间关系,形状记忆材料与智能材料培训课件,第14页,2.3.3,惯用形状记忆合金,当前用量最大,优点：抗拉强度高、疲劳强度高、耐蚀性好、密度小、与人体有生物相容性,缺点：成本高、加工困难,缺点：功效不如镍,-,钛系,优点：成本低、加工轻易,缺点：功效不如铜系,优点：含有价格竞争优势,形状记忆材料与智能材料培训课件,第15页,2.3.4,形状记忆合金应用,已发觉形状记忆合金种类很多，能够分为,Ti-Ni,系、铜系、铁系合金,三大类。当前已实用化形状记忆合金只有,Ti-Ni,系合金和铜系合金。,1,、工程应用,形状记忆合金在工程上应用很多，最早应用就是作各种,结构件,，如紧固件、连接件、密封垫等。另外，也能够用于一些,控制元件,，如一些与温度相关传感及自动控制。,2,、医学应用,利用,Ti-Ni,合金与生物体良好,相容性,，可制造医学上凝血过滤器、脊椎矫正棒、骨折固定板等。利用合金超弹性可代替不锈钢作齿形矫正用丝等。,形状记忆材料与智能材料培训课件,第16页,记忆合金应用实例,将记忆合金制成在,A,f,温度以上含有（,a）,所表示形状铆钉，铆接时先将其冷却到,M,f,温度以下，这时合金处于完全马氏体态很轻易变形，略施加一点力将铆钉扳成（,b）,所表示并插入铆钉孔（,c），,然后随温度回升到,A,f,以上，铆钉回复到变形前形状到达铆接目标（,d）。,T,M,s,T,M,f,T,A,s,T,A,f,形状记忆材料与智能材料培训课件,第17页,用钛,-,镍形状记忆合金制造人造卫星天线,T,M,s,or T,A,f,T,M,f,T,A,s,T,A,f,形状记忆材料与智能材料培训课件,第18页,2.4,形状记忆陶瓷,20世纪60年底人们确认陶瓷材料也存在马氏体相变，一个著名例子就是,ZrO,2,陶瓷,中马氏体相变，这一相变现象能够使陶瓷材料含有形状记忆效应。,形状记忆陶瓷机理可分为：,马氏体形状记忆陶瓷,铁电形状记忆陶瓷,粘弹性形状记忆陶瓷,铁磁性形状记忆陶瓷等,形状记忆材料与智能材料培训课件,第19页,随温度改变,纯,ZrO,2,有三种晶型：单斜晶系（,m,）、四方晶系（,t,）、立方晶系（,c,）,温度改变,能够使四方相和单斜相之间发生可逆马氏体转变，四方向单斜转变有5体积改变。而且,应力也可诱发四方向单斜,转变,四方向单斜转变体积效应太大，须加入,CaO,、,MgO,、,Y,2,O,3,、,CeO,2,等稳定剂，进行晶化稳定化处理,m,t,c,形状记忆材料与智能材料培训课件,第20页,12%CeO,2,稳定氧化锆陶瓷形状记忆效应,第一步：加载。在室温下施加压力，样品首先发生,弹性变形,，接着在近乎恒定应力下发生,流变,；,第二步：卸载。卸载后,弹性变形消失,而,塑性变形则保留,下来。,第三步：加热到,A,f,以上，样品从60,o,C,开始,逆转变,，到200,o,C,逆转变结束，变形也伴随消失。,形状记忆材料与智能材料培训课件,第21页,2.5,形状记忆聚合物,形状记忆聚合物不一样于马氏体相变，而是基于高分子材料中,分子链取向与分布,改变过程；,这种聚合物含有两相结构，即,固定相和可逆相,；,可逆相是能够随温度改变在结晶与熔融态间，或者在玻璃态与高弹状态间可逆转变相，随温度升高或降低，可逆相结构发生改变，使之发生软化、硬化。,固定相（,热固性或热塑性）,则在工作温度范围内保持不变。,形状记忆材料与智能材料培训课件,第22页,玻璃态、高弹态和粘流态称为聚合物力学三态。,形状记忆材料与智能材料培训课件,第23页,形状记忆材料与智能材料培训课件,第24页,2.5.1,聚合物形状记忆原理,两相结构：固定相,(,热固性或热塑性,）,+,可逆相,冷却,加热,冷却,加热,TTf(,粘流态）,进行首次成型,TTg(,玻璃态）使制成品变形，固定相分子链缠绕确定了制成品首次形状,TgTTf,(,高弹态），可逆相软化，施加应力,TTg,，可逆相软化，固定相在回复应力作用下使制品恢复到初始形状,形状记忆材料与智能材料培训课件,第25页,形状记忆高分子,(shape memory polymer,简称,SMP),热塑性,SMP,形状记忆原理,(1),热成形加工：,将颗粒状树脂加热融化使固定相和软化相都处于软化状态，然后使材料成形并冷却，固定相硬化，可逆相结晶，材料成形为,3,形状。,(2),变形：,将材料加热至可逆相发生软化，固定相保持硬化温度，施加外力使可逆相分子链被拉长，材料变为,5,形状。,(3),冻结变形：,在外力作用下保持,5,形状同时进行冷却，使可逆相结晶硬化，然后卸除外力材料仍保持,5,，,6,形状、,(4),形状恢复：,将材料再加热到可逆相软化温度，因为固定相作用可逆相分子链回复到变形前状态，形状也随之,6,回复到,3,，将之冷却到可逆相结晶硬化，材料保待,3,形状,形状记忆材料与智能材料培训课件,第26页,例：形状记忆聚合物作为不一样直径管子接头示意图,从,TT,f,(,粘流态）冷却,TT,g,(,玻璃态）使首次成型,T,g,TT,f,(,高弹态）可逆相软化,降温至,TTg,，可逆相软化，制品恢复到初始形状,形状记忆材料与智能材料培训课件,第27页,例：形状记忆聚氨酯应用于火灾报警器,TT,f,(,粘流态）,T,g,TT,f,(,高弹态）,TT,g,(,玻璃态）,形状记忆材料与智能材料培训课件,第28页,密度小、强度较低、塑韧性较高,形状恢复可能允许变形量大,形状恢复温度范围窄,形状恢复应力及形状改变所需要外力小,成本低,2.4.2,形状记忆聚合物特点,形状记忆材料与智能材料培训课件,第29页,普通金属材料与形状记忆合金应力,-,应变比较,形状记忆材料与智能材料培训课件,第30页,（,1,）,单程记忆效应,：形状记忆合金在较低温度下变形，加热后可恢复变形前形状，这种只在加热过程中存在形状记忆现象称为单程记忆效应。,（,2,）,双程记忆效应,：一些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。,（,3,）,全程记忆效应,：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反低温相形状，称为全程记忆效应，是一个特殊双程形状记忆效应。,普通在富镍,Ni-Ti,合金中出现,形状记忆合金分类,形状记忆材料与智能材料培训课件,第31页,双程记忆效应中样品完全转变为母相后，它形状不能完全回复到母相未经变形前形状（双程记忆效应不完全），即有一定残余应变,形状记忆材料与智能材料培训课件,第32页,双程记忆训练方法：,（,1,）在母相态对记忆合金元件施加变形,（,2,）在马氏体态对记忆合金元件施加变形,（,3,）既在母相态又在马氏体态对记忆合金元件施加变形,（,4,）约束加热法，将样品变形，并在合金析出第二相温度进行适当加热,前三种方法需重复一定次数后才能得到稳定双程记忆效应，在合金中主要引入,定向排列位错,（马氏体中）,后一个方法只需一次，在合金中引入,特定分布第二相,形状记忆材料与智能材料培训课件,第33页,全程记忆效应（,Ti-Ni51%,400,时效,100h,）,四条互成,45,夹角薄条带，在,100,开水中展现结扎点在上圆球形,a,，从开水中迟缓提起来时形状,b,，在室温时变成近似直线,c,，浸泡在冰水中，反方向弯曲,d,，在干冰,-,酒精液中冷却到,-40,时，形状变成结扎点在圆球内部下方与,a,相同圆球形,e,，放入,100,水中，则又恢复成形状,a,。,形状记忆材料与智能材料培训课件,第34页,形状记忆材料应用,机械工程领域 热套,生物医学方面 接骨板、人工关节等,空间技术 压缩天线,形状记忆材料与智能材料培训课件,第35页,