形状记忆合金的应用_高志刚

现代制造技术与装备 2007第1期 总第176期 形状记忆合金的应用 高志刚 (中国海洋大学工程学院,青岛 266071) 摘 要：形状记忆合金是一种新型的功能材料,目前在许多领域都得到了应用。本文首先讨论了 SMA 材料的形状记忆原理,针对现行损伤模拟方法无法模拟结构损伤形成积累过程的不足之处,提出了将形状 记忆合金 SMA材料应用于损伤可控构件制作的方法,并介绍了形状记忆合金在机械、工程、电子以及医学 领域的应用,并对前景作了 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 。 关键词：形状记忆合金 形状记忆效应 应用 ApplicationoftheShapeMemoryAlloys GAOZhigang (CollegeofEngineering,OceanUniversityofChina,Qingdao266071) Abstract:Theshapememoryalloysarequitfascinatingfunctionalmaterialscharacterizedbyashapememory effect,whichlendthemselvestoavarietyofapplications.Inthisarticle,thememoryprincipleofshapememory alloysisfirstlydiscussedandthenanewmethodusingitsshapememoryeffecttomakethedamage-controllingtest specimenisputforwardagainstthedeficiencyofstimulatingthedamageprocessofformationandaccumulation.The applicationsofshapememoryalloysinmachines,medicineandvariousinelectricfieldwereintroduced,ananalysis hasbeenmadeaboutthedevelopmentfutureofshapememoryalloymaterials. Keywords:Shapememoryalloys,Shapememoryeffect,Application 形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy,SMA)是一 种特殊的新型功能材料,它是集传感、驱动和执行机 构于一体的新型功能材料,其制件具有结构简单,成 本低廉和控制方便等独特的优点。金属中发现形状 记忆效应可追溯到 1938年,当时美国的 Greningerh 和Mooradian在Cu-Zn合金中发现了形状记忆效应, 但这些都未引起人们的重视,直到 1962年,美国海 军军械研究所的Buechler发现了TiNi合金中的形状 记忆效应,才开创了“形状记忆”的实用阶段。在 80 年代初,科研工作者们终于突破了TiNi合金研究中 的难点。从那以后,形状记忆合金开始广泛应用在生 产、生活的各个领域。形状记忆合金在应用开发中申 请的专利也逾万件,在市场中付诸实际应用的例子 已有上百种。同时,智能机构研究的兴起,又将 SMA 的应用推向更广泛的领域。从SMA的发现至今已有 四十余年的历史了,发达国家对SMA的研究和应用 开发已经比较成熟,同时也比较早地实现了SMA的 产业化。我国从 1976年以后才开始 SMA的研究工 作,起步比较晚,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,早已得到国际 学术界的公认,在应用开发上也有独到的成果。但在 形状记忆合金的基础理论和材料科学方面的研究, 由于研究条件的限制,距国际先进水平尚有一定的 差距。随着近十年来社会主义市场经济的发展,我国 SMA的基础理论研究有了很大发展,SMA的应用和 开发更是取得了长足的进步[1]。 形状记忆合金是具有记忆形状并能自动恢复形 状能力的一种新型合金材料。当把这种合金在高温 加工定形后,低温时使其改变形状,然后,再加热到 一定温度时,合金可以自动恢复到原高温定形的形 状,合金的这种功能特性称为形状记忆效应(Shape MemoryEffect,SME)。显示这种特性的金属大都是两 种以上的金属元素组成的合金,称作形状记忆合金 (ShapeMemoryAlloy)。 形状记忆合金作为一种新型的热致变形材料, 由于其变形原理独特,故与其它材料相比不仅具有 更大的热致变形量,而且可以实现感温、驱动及多维 空间的热致变形等功能[2]。因此,形状记忆合金被认 为是一种应用前景很广的、新型的热致变形材料。 1形状记忆效应原理[3,4] 44 (下转第58页) SMA之所以产生形状记忆效应是因为合金中发 生了热弹性马氏体相变和伪相变,这是在通过多晶 和单晶Cu-Zn合金的实验时发现的。相变时,马氏体 常围绕母相的一个特定位向形成4种变体,合称为一 个“马氏体片群”。变体的惯习面以这一特定位向对称 排列。在光学显微镜下采用偏振光观察,每个马氏体 片群具有4种不同的颜色,这表征各个变体的位向不 同。之所以形成这种结构,是因为每片马氏体形成时, 在其周围的基体中造成了一定方向的应力场,变体沿 这个方向长大很困难。如果有另一个马氏体变体在此 应力场中形成,它将沿阻力小的取向长大,使应变能 降低。宏观上看,由4种变体组成片群的总应变能趋 近于零,此即称为“马氏体相变的自适应”。在通常的 形状记忆合金中,根据马氏体与母相的晶体学关系, 共有6个片群,24种马氏体变体。在外力作用下,形状 记忆合金可以把马氏体相变的自适应互相抵消的变 形能量提供出来。这存在两种情况:(1)呈马氏体状态 的试样,在单向外力作用下自适应排列的马氏体的择 优取向,整个试样呈明显的形变;(2)呈母相状态的试 样,在单向外力作用下能诱发马氏体相变,所生成的 马氏体都顺应力方向作择优取向,整个试样也会呈现 明显的形变。马氏体择优取向是通过孪生和界面移 动实现的。这种变体的择优生长称为马氏体的再取 向过程。当加热温度在 As-Af之间时,马氏体发生逆 转变。由于马氏体晶体的对称性低,因此在逆转变时 马氏体中只形成几个母相的晶体位向,有时只形成 一个母相的原来位向。当母相为长程有序时,形成单 一母相原来位向的倾向更大,使马氏体完全回复了 原来母相的晶体,宏观变形也就完全回复。正是基于 这种机理,SMA即会产生形状记忆效应。 2形状记忆合金的应用 在形状记忆合金的应用中,最早获得专利的是 美国的 Muidawer小组,他们早在 1960年就利用 Cu-AgAu合金制作了温度开关[5]。自从TiNi合金的形 状记忆效应被发现后,应用开发的速度大大加快,申 请获得专利的项目剧增。最典型的应用例子是航天 飞机的伞型天线,为方便发射把它压扁附在船体上, 飞船升空后受阳光的辐射而升温,于是天线便记忆 起原来的形状,重新支起。此外,形状记忆合金在电 气、机械、运输、工程、化学、医疗、能源、生活用品等 领域都得到了应用。 2.1记忆合金在各领域已有的应用 在机械上,近年来日本用形状记忆元件制作出 了具有 17个自由度的机械手,通过温度变化使其动 作。这种机械手的最大特点是小型化,另一个重要特 征是动作柔软,非常接近人手的动作,对取出落入水 中的纸杯等工作十分合适。 在工业上,形状记忆合金首先用于单向零件上, 最初用在各种管子接头,据国外资科介绍,美国在 F-14战斗机液压管道使用 10万个以上这种接头没 有发生任何漏油事故。这种接头还可以用在核潜艇 或水上军舰的管道及150mm左右大口径的海底输油 管道的保修工程上。 在医学领域上TiNi记忆合金在医学上应用较广 的有口腔牙齿矫形丝及外科手术中各种矫形棒骨连 接器、血管夹等。 2.2记忆合金应用探索 结构损伤诊断技术是顺应时代潮流发展起来的 一门应用科学,目前已经成功地开发出了一系列用于 损伤诊断的算法,如矩阵游标法、灵敏度分析法、残余 力向量法、模态应变能法、小波分析法、神经网络法 等,而这些方法在应用于实际工程结构的损伤诊断之 前,需要经过有效性的检验。只要经过检验有效的方 法,才能应用于工程实际中。数值计算、实验室模型试 验和利用实物现场测试是目前检验损伤诊断方法有 效性的三种常用手段,在其中关键性的环节(损伤状 态模拟)上,一般采用在结构模型上拆除构件或制造 缺口、裂纹、裂缝的方式或利用报废的实物结构进行 现场试验,所模拟的结构损伤是以一种突变的形式出 现的,这将导致检验过程的不连续,使得对识别方法 有效性的检验演变为对识别方法在损伤前后是否有 效性的检验,而忽略了损伤积累过程中损伤识别方法 有效性的检验及损伤积累过程对识别方法的影响。在 与实物所处环境最为接近的模型实验中,现有实验方 法在实验过程中需停止外加环境荷载,以便变换构件 来制造损伤状态,这也与结构的实际损伤状态不同。 同时,以不可恢复的方式制造的结构损伤构件在试 验中无法重复使用,花费巨大,经济效益差。 作为一类新型功能智能材料,热致型形状记忆 合金(SMA)最显著的特点是其弹性模量 E随着温度 T的升高而降低,宏观表现为形状记忆效应。SMA具 有超弹性,这是指SMA在特定温度范围内,受外力而 产生变形,当卸载后,SMA恢复原来形状,其弹性变 形量很大,它比普通合金高出几倍甚至十几倍,借用 弹性理论,对形状记忆合金的形状记忆特性及其影 响材料形状记忆特性的因素进行分 工 艺 与 装 备 45 现代制造技术与装备 2007第1期 总第176期 (上接第45页)析,因材料的弹性模量可理解为材料 的弹性系数,故形状记忆合金SMA的热收缩性能可 用材料的弹性模量E值来特性化。 记忆特性∝模量E=3Vk!·2g/T T为绝对温度(Tm以上);g为纠缠因子;k为玻兹 曼常数;!为线性扭曲因子(dialationfactor),满足!= 定向时的平均链长/非定向时的平均链长;V为单位 体积的链数目,V=ρN/Mc(1-2Mc/Mn),ρ 为密度,N 为阿佛加德罗常数,Mn为链的数均分子量,Mc为交 联链之间的分子量。 从上面的公式可以看出,形状记忆合金的记忆 特性与温度 T有关,同时还受到金属构成成分的影 响;!可以理解为定向度,形成定向交联后,定向度增 加,!可以大于1,E值也就越大,形变恢复力也越大。 形状记忆合金的形状记忆效应可以用 E-T关系 曲线来描述,如图4-3所示。由此得出SMA(TiNi)的 弹性模量E值随着温度T的升高而减少。 图4-3SMA的E-T关系曲线 温度 /℃ 结构构件局部出现了损伤,对外则表现为刚度 降低,若利用 SMP的弹性模量 E-T特性,制成结构 构件,通过控制其温度,可以人为地调节构件的整体 刚度,就能解决解决进行损伤识别方法有效性检验 时,无法模拟结构损伤形成、积累到完全损伤过程的 不足。同时损伤可控构件在实验过程中可重复使用, 损伤程度任意调节,应用效率高,经济效益明显。 3应用前景 SMA作为一种新型的功能材料,仍存在不少问 题,就材料本身来说,其加工和制备较难控制,没有 形成一条SMA自动生产线,材料成本昂贵,还有待于 进一步开拓和完善。 近些年,人们开始设想利用一种新型结构即智 能结构来解决工程问题。所谓智能结构就是指 SMA 与普通受力构件相结合而形成的结构,由于SMA的 存在,该结构被称为智能结构。以前SMA的应用都局 限于单个 SMA制成元件的应用,而智能结构将是 SMA与普通材料复合成整体的应用,它将是 SMA应 用的一个重要发展。国内外对智能结构的研究都十 分的活跃,根据初步实验研究,智能结构能显著减少 普通结构的振动的噪声,同时对疲劳构件的裂纹具 有止裂作用。通过智能结构与计算机终端的联系,可 以对受力构件的裂纹及一些缺陷进行遥控监测。这 些研究正处在试验阶段,有望很快进入实用。可以预 料,随着记忆合金品种的日益增多,尤其是新型的适 合工程推广应用的宽滞后记忆合金及廉价的便于加 工制造的实用化新型铁基形状记忆合金的出现,必 将有力地推动记忆合金工程应用的深入发展。 参考文献： [1]谷南驹,吕玉申,马志红,等。智能材料的发展[J].金属 热处理,1998,7:15～17. [2]李亚东,薛青,诸葛兰剑。一种新型的热致变形材料[J]. 传感技术,1996,1(1):55～57. [3]刘庆锁,形状记忆合金及其工程应用[J].天津理工学院 报,2001,3:3～6. [4]姚兴田,邱自学,袁江,等.形状记忆合金在智能材料结 构中的应用[J].南通工学院学报,2001;17(1):16—19. [5]杨杰,吴月华.形状记忆合金及其应用[M].合肥:中国科 学技术大学出版社,1993. Eg Em Tg Ts Tm 弹 性 模 量 ( E ) /G Pa (3)定位销(孔)副———定位精度高,制造容易, 且最常见。 (4)活动定位销(孔)副———适用定位销(孔)轴 向与夹具有角度(不为零度),便于拆卸。 (5)“让位—到位—夹紧”的复合式辅助连杆机构。 (6)水平回转、翻转、顶升卸件机构等。 总之,只有充分建立车身装焊夹具规格化和标 准化的夹具元件库,包括国家 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 、企业标准及规格 化夹具结构图册等,才能大大缩短夹具设计制造的 周期,节约了原材料,节省了夹具的加工费用,从而 降低夹具的制造成本。同时,便于夹具改型和更新换 代,另外使用标准化和规格化的元件约有50%~70% 元件能重新复制用,从而便于设计人员集中精力解 决夹具设计问题,提高其设计质量。 参考文献： [1]《汽车装焊技术及夹具设计》,北京理工大学出版社。 [2]《汽车拖拉机制造工艺》,合肥工业大学出版社 """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 58