浅谈记忆材料_智能记忆
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浅谈形状记忆合金
引言：时代的发展与材料的发展是相辅相成的。随着科学技术的进步,材料研究变得尤为重要。现如今材料的研究越来越专业化，并且逐渐倾向于功能化、多样性。例如形状记忆材料就是一种典型的新型功能材料。形状记忆材料是指具有形状记忆效应的金属、陶瓷和高分子等材料,在高温下材料形成一种形状,在冷却到低温时会塑性变形成为另外一种形状,如果对材料进行加热,通过马氏体的逆相变,又可以恢复到高温时的形状,这就是形状记忆效应。
一、形状记忆合金及形状记忆效应
形状记忆材料是集感知和驱动于一体的特殊功能材料,其中形状记忆合金是形状记忆材料中较为重要的材料之一。形状记忆合金(Shape Memory Alloy简称SMA)是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。
1、形状记忆合金分类
到目前为止，被开发出来的形状记忆合金主要是Ti-Ni基、Cu基与Fe基三种。在这三大类中，根据不同的要求和工作环境，分别在基体中加入和调整一些合金元素的量，使得每一个大类中都有一系列合金被开发出来，应用在各行各业，以满足各种不同的特殊需求。
（a）Ti-Ni形状记忆合金开发的最早，形状记忆效应最稳定，相对比较成熟，已在航天工业、汽车工业、电子工业、医学及人类生活领域获得应用。但由于其原材料Ni、Ti价格昂贵，且加工成本高等因素，其应用受到限制。
（b）Cu基形状记忆合金因价格便宜、原材料来源广泛、易于加工和制造等原因而得到迅速发展。铜基形状记忆合金是这三类合金中种类最多的一类，但有实际应用价值的目前只有Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni两种。
（c）Fe基形状记忆合金发展较晚，成本较Ti-Ni系和铜系合金低得多，易于加工，在应用方面具有明显的竞争优势，被认为是一种具有广泛应用前景的功能材料，受到广泛的关注。
2、呈现形状记忆效应的合金的必备条件
（a）马氏体相变只限于驱动力极小的热弹性型，即马氏体与母相之间的界面的移动是完全可逆的（b）合金中的异类原子在母相与马氏体中必须为有序结构（c）马氏体相变在晶体学上是完全可逆的3、状记忆效应的分类（a）单程记忆效应
形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。
（b）双程记忆效应
某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。
（c）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的低温相形状，称为全程记忆效应。
二、形状记忆金属材料的发展历程
1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。
1963年，美国海军军械研究所的比勒在研究工作中发现，在高于室温较多的某温度范围内，把一种镍-钛合金丝烧成弹簧，然后在冷水中把它拉直或铸成正方形、三角形等形状，再放在40 ℃以上的热水中，该合金丝就恢复成原来的弹簧形状。后来陆续发现，某些其他合金也有类似的功能。这一类合金被称为形状记忆合金。每种以一定元素按一定重量比组成的形状记忆合金都有一个转变温度；在这一温度以上将该合金加工成一定的形状，然后将其冷却到转变温度以下，人为地改变其形状后再加热到转变温度以上，该合金便会自动地恢复到原先在转变温度以上加工成的形状。
1969年，镍--钛合金的“形状记忆效应”首次在工业上应用。人们采用了一种与众不同的管道接头装置。为了将两根需要对接的金属管连接，选用转变温度低于使用温度的某种形状记忆合金，在高于其转变温度的条件下，做成内径比待对接管子外径略微小一点的短管(作接头用)，然后在低于其转变温度下将其内径稍加扩大，再把连接好的管道放到该接头的转变温度时，接头就自动收缩而扣紧被接管道，形成牢固紧密的连接。美国在某种喷气式战斗机的油压系统中便使用了一种镍-钛合金接头，从未发生过漏油、脱落或破损事故。1969年7月20日，美国宇航员乘坐“阿波罗”11号登月舱在月球上首次留下了人类的脚印，并通过一个直径数米的半球形天线传输月球和地球之间的信息。这个庞然大物般的天线是怎么被带到月球上的呢?就是用一种形状记忆合金材料，先在其转变温度以上按预定要求做好，然后降低温度把它压成一团，装进登月舱带上天去。放置于月球后，在阳光照射下，达到该合金的转变温度，天线“记”起了自己的本来面貌，变成一个巨大的半球。
再来看一看我国对形状记忆合金的研究。我国从上世纪70年代末才开始对形状记忆合金展开研究,起步较晚,但起点较高,在材料冶金学方面,特别是实用形状记忆合金的炼制水平已得到国际学术界的认可,在应用开发上也有一些独到的成果。但是,由于研究条件的限制,在形状记忆合金的基础理论和材料科学研究方面,我国与国际先进水平尚有一定差距,尤其是在形状记忆合金产业化和工程应用方面与国外差距较大。
三、形状记忆合金的特性
1、形状记忆效应：合金在某一温度下受外力而变形，当外力去除后，仍保持其变形后的形状，但当温度上升到某一温度，材料会自动回复到变形前原有的形状，似乎对以前的形状保持记忆，这种效应称为形状记忆效应。
2、超弹性：在高于Af点、低于Md点的温度下施加外应力时产生应力诱发马氏体相变,卸载就产生逆相变,应变完全消失,回到母相状态,表观上呈现非线性拟弹性应变,这种现象称为超弹性。
3、高阻尼特性：形状记忆合金在低于Ms点的温度下进行热弹性马氏体相变，生成大量马氏体变体(结构相同、取向不同)，变体间界面能和马氏体内部孪晶界面能都很低，易于迁移，能有效地衰减振动、冲击等外来的机械能，因此阻尼特性特别好。
4、耐磨性：在形状记忆合金中，Ti-Ni合金在高温(CsCl型体心立方结构)状态下同时具有很好的耐腐蚀性和耐磨性。可用作在化工介质中接触滑动部位的机械密封材料，原子能反应堆中用做冷却水泵机械密封件。
5、逆形状记忆特性：将Cu-Zn-Al记忆合金在Ms点上下的很小温度范围内进行大应变量变形,然后加热到高于Af点的温度时形状不完全恢复，但再加热到高于200ºC时却逆向地恢复到变形后的形状，称为逆形状记忆特性。
6、电阻特性：对于初始组织为马氏体的Ni-Ti合金,在拉伸过程中电阻与应变之间呈线性关系;对于初始组织为奥氏体或奥氏体、马氏体两者混合的Ni-Ti合金,当发生应力诱发马氏体相变后,曲线的斜率降低,相变前后电阻-应变关系保持线性关系。
四、形状记忆合金材料的应用
形状记忆合金由于具有许多优异的性能，因而广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域。
1、航空航天工业
形状记忆合金已应用到航空和太空装置。如用在军用飞机的液压系统中的低温配合连接件，欧洲和美国正在研制用于直升飞机的智能水平旋翼中的形状记忆合金材料。由于直升飞机高震动和高噪声使用受到限制，其噪声和震动的来源主要是叶片涡流干扰，以及叶片型线的微小偏差。这就需要一种平衡叶片螺距的装置，使各叶片能精确地在同一平面旋转。欧洲和美国还正在研制用于直升飞机的智能水平旋翼中的形状记忆合金材料，一种叶片的轨迹控制器是现在已有的产品，它是用一个小的双管形状记忆合金驱动器控制叶片边缘轨迹上的小翼片的位置，大大改善了震动情况。形状记忆合金材料还可用于制造探索宇宙奥秘的月球天线，人们利用形状记忆合金在高温环境下制做好天线，再在低温下把它压缩成一个小铁球，使它的体积缩小到原来的千分之一，这样很容易运上月球，太阳的强烈的辐射使它恢复原来的形状，按照需求向地球发回宝贵的宇宙信息。
形状记忆合金材料广泛地应用于航天航空领域不但可以提高相关设备的性能，也可以为远距离的信息传输架设桥梁，为我们更好了解地球以外的广阔天地做出贡献。
2、机械电子产品
1970 年美国用形状记忆合金制作 F-14 战斗上的低温配合连接器，随后有数以百万以上的连件的应用。形状记忆合金作为低温配合连接在飞机的液压系统中及体积较小的石油、石化、电工业产品中应用。另一种连接件的形状是焊接的网状金属丝，用于制造导体的金属丝编织层的安全接头。这种接件已经用于密封装置、电气连接装置、电子工程机械装置，并能在-65~300℃可靠地工作。已开出的密封系统装置可在严酷的环境中用作电气件连接[6]。将形状记忆合金制作成一个可打开和关闭快门的弹簧，用于保护雾灯免于飞行碎片的击坏。用于制造精密仪器或精密车床，一旦由于震动、碰撞等原因变形，只需加热即可排除故障。在机械制造过程中，各种冲压和机械操作常需将零件从一台机器转移到另一台机器上，现在利用形状记忆合金开发了一种取代手动或液压夹具，这种装置叫驱动汽缸，它具有效率高灵活，装夹力大等特点。
3、生物医疗
用于医学领域的 Ni-Ti合金是医用生物材料的佼佼者，在临床医学和医疗器械等方面广泛应用。除了拥有形状记忆效应或超弹性外，还满足化学和生物学等方面的要求，即良好的生物相容性。TiNi 可与生物体形成稳定的钝化膜。在医学上 TiNi 合金主要应用有：
(a)牙齿矫形丝 用超弹性 TiNi 合金丝和不锈钢丝做的牙齿矫正丝，其中用超弹性 TiNi 合金丝是最适宜的。通常牙齿矫形用不锈钢丝 CoCr 合金丝，但这些材料有弹性模量高，弹性应变小的缺点。为了给出适宜的矫正力，在矫正前就要加工成弓形，而且结扎固定要求熟练。如果用 TiNi 合金作牙齿矫形丝，即使应变高达10%也不会产生塑性变形，而且应力诱发马氏体相变(stre-induced martensite)使弹性模量呈现非线型特性，即应变增大时矫正力波动很少。这种材料不仅操作简单，疗效好，也可减轻患者不适感。
(b)脊柱侧弯矫形 各种脊柱侧弯症(先天性、习惯性、神经性、佝偻病性、特发性等)疾病，不仅身心受到严重损伤，而且内脏也受到压迫，所以有必要进行外科手术矫形。目前这种手术采用不锈钢制哈伦敦棒矫形，在手术中安放矫形棒时，要求固定后脊柱受到的矫正力保持在30~40kg以下，一但受力过大，矫形棒就会破坏，结果不仅是脊柱，而且连神经也有受损伤的危险。同时存在矫形棒安放后矫正力会随时间变化，大约矫正力降到初始时的30%时，就需要再进行手术调整矫正力，这样给患者在精神和肉体上都造成极大痛苦。采用形状记忆合金制作的哈伦顿棒，只需要进行一次安放矫形棒固定。如果矫形棒的矫正力有变化，以通过体外加热形状记忆合金，把温度升高到比体温约高5℃，就能恢复足够的矫正力。
另外，外科中用 TiNi 形状记忆合金制做各种骨连接器、血管夹、凝血滤器以及血管扩张元件等。同时还广泛应用于口腔科、骨科、心血管科、胸外科、肝胆科、泌尿科、妇科等，随着形状记忆的发展，医学应用将会更加广泛。
4、建筑和工业 利用形状记忆合金的伪弹性性能和动阻尼特性，形状记忆合金被用于被动控制结构受地震影响，起到抗震的作用。应运于结构振动的主动阻尼控制等。
在机械零件的连接、管道的连接,飞机的空中加油的接口处，用形状记忆合金加工成内径比欲连接管的外径小4%的套管，然后在液氮温度下将套管扩径约8%，装配时将这种套管从液氮取出,把欲连接的管子从两端插入。当温度升高至常温时，利用电加热改变温度,接口处记忆合金变形，套管收缩即形成紧固密封，远胜于焊接，特别适合用于航空、航天、核工业及船舰和海底输油管道等。[1]利用记忆合金的感温驱动双重功能，制作机器人、机械手，体型微小，结构紧凑。在建筑领域，利用形状记忆合金制成阻尼耗能装置、隔震装置、结构加固元件。
5、日常生活
(a)防烫伤阀 在家庭生活中，已开发的形状记忆阀可用来防止洗涤槽中、浴盆和浴室的热水意外烫伤；这些阀门也可用于旅馆和其他适宜的地方。如果水龙头流出的水温达到可能烫伤人的温度(大约 48℃)时，形状记忆合金驱动阀门关闭，直到水温降到安全温度，阀门才重新打开。
(b)眼镜框架 在眼镜框架的鼻梁和耳部装配 TiNi 合金可使人感到舒适并抗磨损，由于 TiNi 合金所具有的柔韧性已使它们广泛用于改变眼镜时尚界。用超弹性 TiNi 合金丝做眼镜框架，即使镜片热膨胀，该形状记忆合金丝也能靠超弹性的恒定力夹牢镜片。这些超弹性合金制造的眼镜框架的变形能力很大，而普通的眼镜框则不能做到。
(c)移动电话天线和火灾检查阀门 使用超弹性TiNi金属丝做蜂窝状电话天线是形状记忆合金的另一个应用。过去使用不锈钢天线，由于弯曲常常出现损坏问题。使用TiNi形状记忆合金丝移动电话天线，具有高抗破坏性受到人们普遍欢迎。因此常用来制作蜂窝状电话天线和火灾检查阀门。火灾中，当局部地方升温时阀门会自动关闭，防止了危险气体进入。这种特殊结构设计的优点是，它具有检查阀门的操作，然后又能复位到安全状态；这种火灾检查阀门在半导体制造业中得到使用，在半导体制造的扩散过程中使用了有毒的气体；这种火灾检查阀也可在化学和石油工厂应用。
五、形状记忆合金材料的未来前景
在形状记忆合金的实用化进程中,急需积累并分析关于材料特性、功能可靠性、生物相容性和细胞毒性等方面的基础数据资料。可以预言,随着对SMA 研究 的进一步深化,传统的机电一体化系统完全有可能发展成为材料电子一体化系统。用途：航天领域在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线，然后把它揉成直径5厘米以下的小团，放入阿波罗11号的舱内，在月面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状。这样就能用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线了。
1、形状记忆合金在各方面的具体发展：
（a）汽车：后雾灯罩、手动变速箱的防噪音装置、燃料蒸发气体排出控制阀（b）电子设备：电子炉灶换气门的开闭器、空调风向自动调节器、咖啡牛奶沸腾感知器、电饭锅压力调节器、电磁调理器过热感知器、温泉浴池调理器等（c）安全器具：过热报警器、火灾报警器、烟灰缸灭火栓等（d）医疗方面：人工牙根、牙齿矫正丝、导线等
（e）生活用品：自动干燥库门开闭器、卫生间洗涤器水管转换开关、空调进出口风向调节器、浴池保温器、玩具、路标方向指示转换器、家庭换气门开闭器、防火挡板、净水器热水防止阀、恒温箱混合水栓温度调节阀、眼镜固定件、眼镜框架、胸罩丝、钓鱼线、便携电话天线、装饰品等。
2、形状记忆合金的发展趋势
（a）铁基形状记忆合金。因其很好的可加工性和低廉的价格而备受关注.最近的研究工作包括相变机制和影响因素,主要是通过选择合适的合金成分配比和摸索恰当的制备工艺提高和改善Fe-Mn-Si系合金性能..（b）高温形状记忆合金。NiTi和CuZnAl合金都只能在100℃以下使用。但在相当多的情况下，如防火装置，汽车发动机的记忆合金元件的工作温度均超过100℃。在核反应堆工程中，记忆合金热动元件的动作温度高达600℃，因而研制高温形状记忆合金就成为一个主要发展方向[3]。高温用形状记忆合金在热驱动器、继电器及核工业等高温领域具有非常广阔的应用前景.（c）磁性形状记忆合金。磁性形状记忆合金可以在磁场的作用下输出较大应变,同时将记忆合金的工作频率从温控状态的1Hz左右(TiNi记忆合金薄膜的热驱动工作频率最高可达100Hz),提高到磁控状态下的300Hz以上。利用磁驱动记忆合金的这些功能特性,制成的传感和驱动元件在石油、电子和航空航天等工业领域有着重要的应用前景。
除以上所述外，正在研究的还有宽滞后形状记忆合金、窄滞后形状记忆合金、形状记忆合金薄膜、高屈服限形状记忆合金、低应力滞后形状记忆合金和低温拟弹性形状记忆合金等。
六、我对记忆合金以及新材料的看法和感想
通过对“走进材料世界”的学习，我对新型材料有了系统全面的了解，同时开阔了视眼，对新型材料在生活中应用充满期待。材料、能源和住处是当今国际社会公认的人类现代化文明的三大支柱。纵观人类发展的历史，可以清楚地看到，材料是人类进行生产斗争最根本的物质基础。每一种重要的新材料的发现和应用，都可以把人类与自然的斗争的能力提高到一个新的水平。每一项重大的新技术的创造与发明，往往都有赖于新材料的发展。反之，材料科学技术的每一次重大突破，都会引起一场生产技术的革命，从而大大加速社会发展的进程，并给社会生产和人类生活带来巨大的变化。
从课上老师对材料世界的讲解，我粗略了解了一些新材料，它们有着无穷的魅力，它们的各种性能就像是魔术一样奇妙，让人觉得不可思议，在继续深入的学习中，我看到了新材料在各个领域的作用，更是让我感觉到未来世界是新材料的世界，人类的发展更是离不开新材料。据统计记忆合金目前已发展到几十种，在航空、军事、工业、农业、医疗等领域有着用途，而且发展趋势十分可观。从这些研究可以看出我们正在向新材料世界大步迈进，不过我们仍需要将这一步迈的更大更远。
其实，科技已经融入了我们的生活中。科技的飞速发展使我们的生活发生着日新月异的变化，形状记忆合金作为一种新型材料早已渗透到我们生活当中。现如今如何发掘出其更加优越的技能，如何使其应用到更为广阔的领域，是科学工作者目前所要攻克的难题。并且我始终坚信我国在记忆合金或者其他新材料方面会有更好的发展，更美好的前景。
通地这次学习，我对新材料在现代生活中的应用充满希望，作为一名专业不与此课程相关的学生，这段时间的学习让我大开眼界，我会在以后的学习中保持对新型材料的关注，并将新型材料观念传播给更多的人。
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