镍钛形状记忆合金材料的应用及发展.docx

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1、龈物奏飘契号本科毕业论文题目：镇钛形状记忆合金材料的应用及发展学院：化学与化工学院班级：09化学六班姓名：赵凤指导教师：田静职称:讲师完成日期：2013年06月01镇钛形状记忆合金材料的应用及发展摘要：随着科技的发展，形状记忆合金（简称SMA）作为一种新型的功能材料广泛应用于各个领域。形状记忆合金现在已经成为功能材料领域中的研究热点之一，它是二十年代发展起来的一种新型功能材料。本文主要介绍了形状记忆合金中的一种合金即Ni-Ti形状记忆合金的一些特性，综述了Ni-Ti形状记忆合金的发展历史，研究现状，及其在航天航空、能源、医疗器械、建筑、汽车等各个领域的应用特点，最后分析了Ni-Ti形状记忆合金

2、的发展趋势。关键字：银钛合金；形状记忆合金；形状记忆效应；应用；发展目录1引言12形状记忆合金的简介12.1 形状记忆合金的分类11.1 .1银-钛基形状记忆合金21.2 .2铜基形状记忆合金22.1.3铁基形状记忆合金22.2形状记忆合金的特性22.2.1形状记忆效应22.2.2超弹性效应22.2.3阻尼特性22.2.4电阻特性33形状记忆合金的发展历史34 Ni-Ti形状记忆合金的重要性45 Ni-Ti形状记忆合金的研究现状46 Ni-Ti形状记忆合金的应用56.1 在航天航空方面的应用56.2 在能源方面的应用66.3在医疗器械方面的应用66.4 在建筑方面的应用66.5 在汽车方面的应

3、用77Ni-Ti形状记忆合金的发展趋势7参考文献7Abstract9致谢101引言形状记忆材料是具有形状记忆效应的一种特殊功能材料，这种集感知和驱动于一体的新型功能材料可以成为智能材料结构。除了一些合金材料外，还有一些非金属材料如高聚物和陶瓷也具有形状记忆效应，也属于形状记忆材料。在这些材料中，应用范围较广、较为重要的形状记忆材料是形状记忆合金(ShaPeMemoryAUoy简称SMA)。这种合金能够记忆原有的形状，而且记忆效果相当好，有些合金甚至反复改变几百万次后仍然能够在一定条件下完全恢复为原来的形状。形状记忆合金通常是由两种以上的金属元素构成的，具有一定的初始形状，在低温下经过处理发生形

4、变并固定成另一种形状后，再通过加热、光照或通电等处理使合金升高温度，一直升到某一临界温度以上，然后就可以恢复成初始的形状，而这种效应就称为形状记忆效应(ShaPeMemoryEffect,简称为SME)。形状记忆效应最早是由Chang和Read在研究金镉的相变可逆性时发现的。随后在铜基合金和银钛合金中也发现了形状记忆效应。形状记忆合金是一种有记忆能力的金属材料,具有形状记忆效应。对于普通的金属材料，受到外力作用时，当应力超过屈服强度而产生塑性形变，应力去除后，塑性形变就会永久保留了下来，不能恢复为原来的形状。而对于具有形状记忆效应的金属合金，当合金受到外力作用产生塑性形变，在加载过程中应变随应

5、力增加，卸载时会产生残余应变，将合金在一定温度下加热，残余应变降为零，合金就会全部恢复为原状。一些研究表明，很多金属合金材料都具有形状记忆效应,但是只有那些在形状变化过程中能够产生较大回复应变和较大形状回复力的记忆合金,才具有利用的价值。到目前为止,世界上应用得最多的是银钛基合金和铜基合金。现在市场上已经出现了大量的利用形状记忆合金的特殊性能而制造的产品。形状记忆合金在空间技术、医疗器械、机械器具、电子设备、能源开发、汽车工业以及日常生活各方面都得到了广泛的应用。形状记忆合金是能将自身的塑性变形在某一特定温度下自动恢复为原始形状的合金。形状记忆合金除了具有独特的形状记忆功能外，还具有耐磨损、抗

6、腐蚀、高阻尼和超弹性等优异特点。2形状记忆合金的简介2.1 形状记忆合金的分类到目前为止，已经被开发出来的形状记忆合金主要有银钛基、铜基和铁基这三种金属合金。在这三大类形状记忆合金中，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，使得每一个大类的合金中都有一系列合金被开发出来，将这些形状记忆合金应用在各行各业，来满足各种不同的特殊需求。2.1.1 镁-钛基形状记忆合金银钛形状记忆合金是开发的最早的一种记忆合金，它的形状记忆效应最稳定，相对比较成熟。这种记忆合金已经在航天工业、能源、医疗、建筑、汽车工业、电子工业及人类生活的各个领域获得应用。但是由于它的原材料银、钛价格昂贵，

7、并且加工成本高等这些因素，其应用受到了限制。2.1.2 铜基形状记忆合金铜基形状记忆合金由于价格便宜、原材料来源广泛、易于加工和制造等原因而得到了迅速的发展。这种合金可以应用于机械、能源、宇航、电气、医学、日用工程等方面用于制作各种在温度变化时造成形状记忆效应的敏感元件。铜基形状记忆合金是这三类合金中种类最多的的一类，但有实际应用价值的目前只有Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni两种。2.1.3 铁基形状记忆合金铁基形状记忆合金虽然发展较晚，但是由于它的成本较银钛基和铜基合金低得多、强度较高、记忆性能适中、塑性好、易于加工、使用方便等优点，使得铁基记忆合金在石油、机械、化工等应用方面有明显的竞争

8、优势。而且这种记忆合金被认为是一种具有广泛应用前景的特殊功能材料，受到了广泛的关注。2.1.4 2形状记忆合金的特性2.2.1形状记忆效应具有一定初始形状的形状记忆合金，在某一低温状态下经过塑性形变并固定成另一形状后，通过加热合金使温度升高到一定值，然后合金又恢复到了原来的形状，这种效应称为形状记忆效应（ShaPeMemOryEffeCt简称SME）。形状记忆效应按形状恢复情况可以分为单程形状记忆效应、双程形状记忆效应和全程记忆效应。2.2.2超弹性效应当形状记忆合金受到外力作用时就会发生塑性形变，去除外力后记忆合金就会恢复原来的形状，这种效应就称为超弹性效应。形状记忆合金在发生超弹性形变时，

9、会诱发马氏体相变，当去除外力后，又会发生马氏逆相变。2.2.3阻尼特性形状记忆合金由于热弹性马氏体相变，生成了大量的结构相同、取向不同的马氏体变体，并且变体之间的界面能和马氏体内部的挛晶界面能都非常低，比较容易迁移，从而能够有效地减弱震动、冲击等外来的机械能，所以形状记忆合金的阻尼特性特别好，可以用来做防震材料和消声材料。2.2.4电阻特性经过研究表明，对于初始组织为马氏体的银钛合金，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、马氏体两者混合的银钛合金，当发生应力诱发马氏体相变后，曲线的斜率会降低，相变前后电阻-应变关系保持线性关系。3形状记忆合金的发展历史1951年，

10、美国依利诺斯大学的Riido研究小组在进行的一次试验中偶然发现金-镉合金有记忆形状的特性，但在当时这种现象被认为是这一合金的特殊现象，并且只有在做成单晶时才会产生这种现象，同时还因为这种单晶的造价昂贵等问题的存在，从而未引起应有的重视。1963年,美国海军军械研究室的成员们在一项实验中需要一些银钛合金丝,但是他们领回来的合金丝都是弯弯曲曲的。为了使用的时候比较方便，于是他们就将这些弯弯曲曲的合金细丝一根一根的拉直后使用。在后来的实验中出现了一种奇怪的现象，当加热这些合金使他们的温度升高到一定值的时候，这些已经被拉直的合金丝突然又魔术般地快速恢复到原来弯弯曲曲的形状，而且恢复后的形状和原来的形状

11、几乎没有变化。再反复多次进行试验，每次得出的结果都是一样的，被拉直的合金丝只要达到一定的温度，就会立即恢复为原来的形状。就好像在从前被“冻”得失去知觉的时候被人们改变了形状，而当加热合金丝使温度升高到一定值的时候，它们突然“苏醒”过来了，又“记忆”起了自己原来的形状,于是便不顾一切地恢复了自己本来的样子。银-钛合金在40以上和40C以下的晶体结构是不同的，但温度在40上下变化时，合金就会收缩膨胀，使得它的形态发生变化。在这里，40就是银-钛记忆合金的“变态温度”（各种合金都有自己的变态温度）。在这次试验中发现银-钛合金也具有明显的形状记忆效应,并且因为这种合金具有很好的耐腐蚀性、重量比较轻、强

12、度较高等优点，从而引起了人们的极大关注。近年来，有关形状记忆合金的研究已逐渐成为国际相变会议和材料会议的重要议题，并且为此召开了多次专题讨论会，不断的丰富和完善了马氏体相变理论。在理论研究不断深入的同时，形状记忆合金的应用研究也取得了很大的进步，其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。在美国、日本、英国、苏联、联邦德国、瑞士、比利时等许多国家都投入了大量的人力、物力，积极开展了这种合金的研制和应用方面的研究工作，并已在许多方面取得了显著效果网。4 Ni-Ti形状记忆合金的重要性银钛形状记忆合金是最具工业实用价值的形状记忆材料,它具有良好的形状记忆效应和超弹性行为，有较高的力

13、学性能,优良的耐磨耐腐蚀性能和良好的阻尼特性，同时还具有较好的生物相容性。银钛记忆合金的抗拉强度在IoOOMPa以上，延伸率在20%以上，疲劳寿命达107次，阻尼特性比普通的弹簧高10倍,其耐腐蚀性优于目前最好的医用不锈钢，因此可以满足各类工程和医学的应用需求，它是一种非常优秀的功能材料。银钛记忆合金的应用领域极其广泛，包括电子、机械、宇航、运输、建筑、化学、医疗、能源、家电以及日常生活用品等方面,几乎涉及了产业界的所有领域,应用潜力是非常大的。我国从1978年开始对形状记忆合金进行理论研究,与形状记忆合金有关的马氏体相变理论、形状记忆与超弹性的微观机制等研究发展迅速,并且在某些方面取得的成果

14、居世界领先水平。但是由于银钛记忆合金的价格比较高及其加工过程复杂等原因,银钛记忆合金的工程应用及其产业化进程较为缓慢,与美国、日本等国家相比还存在一定的差距。我国的银钛记忆合金的应用及产业化进程大致可分为3个阶段：1978年-1986年,研究主要集中在大学以及科研机构中，研究的主要内容为形状记忆效应与超弹性的基本规律及生物相容性基础研究；1987年-1997年,研究主要集中在大学以及科研机构中，主要为银钛记忆合金构件的设计、制造以及应用研究；1998年至现在,除大学及科研机构外,一些企业也进入了记忆合金的应用领域,并且研究开发出许多具有市场前景的银钛记忆合金。随着时代的不断发展，越来越多的银钛

15、记忆合金的产品出现在人们的生活中，它的应用领域也在不断地扩大。5 Ni-Ti形状记忆合金的研究现状从银钛形状记忆合金的发现到现在已经有几十年的历史了，美国、日本等一些发达国家对银钛记忆合金的研究和应用开发已经较为成熟，同时也较早地实现了银钛记忆合金的产业化。我国对银钛记忆合金的研究起步较晚，但起点较高。在材料冶金学方面，特别是我国的实用形状记忆合金的炼制水平已经得到国际学术界的公认，在其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，在银钛记忆合金的基础理论和材料科学方面的研究，我国与国际水平还有一定的差距,尤其是在银钛记忆合金产业化和工程应用方面与国外差距较大。近十年来,我国在银钛记忆

16、合金基础理论研究方面有了很大的发展，在银钛记忆合金的应用和开发方面更是取得了巨大的进步。现在，我国的银钛记忆合金产业化进程正方兴未艾，国内涌现了一大批以银钛记忆合金原料及产品为主要生产、经营项目的高科技公司。可以预见，未来几年我国银钛记忆合金的研究和应用将会有新的突破。6 Ni-Ti形状记忆合金的应用6.1 在航天航空方面的应用银钛形状记忆合金在航空航天方面最早应用是在管接头、紧固件、连接部件、电器连接和机电执行元件上。在机械零件的连接、管道的连接、飞机的空中加油的接口处，用银钛形状记忆合金加工成内径比将要连接的管的外径小4%的套管，然后在液氮的温度下将套管扩径约8%,装配时要将这种套管从液氮中取出，把将要连接的管的管子从两端插入。