《形状记忆合金》PPT课件.pptx

赵寿根航空科学与工程学院固体力学研究所形状记忆合金及其应用1 形状形状记忆合金合金总论形状形状记忆合金合金(Shape Memory Alloys，SMA)是近几十年是近几十年发展起来展起来的一种新型的智能材料，它既有的一种新型的智能材料，它既有传感功能感功能(感知和接收感知和接收应力、力、应变、电、热等信号等信号)，又有，又有驱动功能功能(能能对激励激励产生响生响应)，它具有形状，它具有形状记忆效效应(SME)、超、超弹性效性效应(PE)、高阻尼和、高阻尼和电阻突阻突变等独特的性能，此等独特的性能，此外，外，该合金合金还具有比具有比强度高、无磁性、耐腐度高、无磁性、耐腐蚀、耐磨、耐磨损、生物相容性、生物相容性好等特性。目前已逐步好等特性。目前已逐步应用于航空航天用于航空航天飞行器、空行器、空间结构平台、机器构平台、机器人、核反人、核反应堆、建筑及堆、建筑及桥梁梁结构、海洋构、海洋结构等方面，以构等方面，以实现结构的主构的主被被动变形控制、振形控制、振动控制及在控制及在线监测结构内部的构内部的应力、力、应变、温度、温度、损伤等等状况。状况。SMA的独特性能使其在近几十年来一直是国内外学者研究的的独特性能使其在近几十年来一直是国内外学者研究的热点点和和难点，至今点，至今为止，止，发现具有形状具有形状记忆效效应的合金材料共有二十种，的合金材料共有二十种，大致可分大致可分为NiTi基合金、基合金、Cu基合金和基合金和Fe基合金三大基合金三大类；而如果按添加；而如果按添加不同元素的合金不同元素的合金单独独计算，算，则有上百种。其中有上百种。其中NiTi基合金性能基合金性能稳定、定、可靠，是目前可靠，是目前应用最用最为广泛的形状广泛的形状记忆材料，国内外在航天、航空、材料，国内外在航天、航空、机械、机械、电子、交通、能源、生物医学以及日常生活等子、交通、能源、生物医学以及日常生活等领域中域中SMA的研的研究、究、应用方面用方面积累了大量的累了大量的实际经验。形状形状记忆效效应最早是最早是1932年由年由Olander在研究在研究Au-Cd合金合金时发现的，但一直没有引起足的，但一直没有引起足够的重的重视。直到。直到1963年，美国海年，美国海军武武器器实验室布勒室布勒(W.J.Buehler)等，奉命研制新式装等，奉命研制新式装备，需要，需要TiNi合金合金丝，因，因为领回来的回来的TiNi合金合金丝是弯曲的，使用不方便，于是弯曲的，使用不方便，于是他是他们就将就将细丝拉直，拉直，试验中，当温度升到一定中，当温度升到一定值的的时候，已候，已经被拉直的被拉直的TiNi合金合金丝，突然又全部恢复到原来弯曲的形状，突然又全部恢复到原来弯曲的形状，而且和原来一模一而且和原来一模一样，反复作了多次，反复作了多次试验，结果果证实这些些细丝确确实有有“形状形状记忆力力”。后来他。后来他们研制出具有研制出具有实用价用价值的的TiNi形形状状记忆合金。合金。记忆效效应的的发现形状记忆合金的用途在航天上的应用月球上的“奇葩”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。双程CuZnAl记忆合金花 采用CuZnAl记忆合金片，以热水或热风为热源，开放温度为6585，闭合温度为室温。花蕾直径80mm,展开直径200mm。动作幅度为1800。另外，可据用户要求订做。通过形状记忆合金模仿肌肉的收缩来实现人工肌肉的功能。用背部的金属纤维振动翅膀。2 形状形状记忆合金的四大特性合金的四大特性SMA最具代表性的特性是形状最具代表性的特性是形状记忆效效应和超和超弹性，以及高阻性，以及高阻尼效尼效应和和电阻效阻效应。而。而SMA的特性与的特性与马氏体的相氏体的相变和逆相和逆相变等等密切相关，密切相关，为此定此定义了相了相变的四个特征温度：的四个特征温度：马氏体氏体(M)相相变开开始温度始温度M s及及结束温度束温度M f、奥氏体、奥氏体(A)相相变开始温度开始温度A s及及结束温束温度度A f，一般一般M f M s A sA f。SMA相相变过程中内部晶体程中内部晶体结构构变化的模型如化的模型如图所示。所示。SMA晶体结构变化模型(1)形状形状记忆效效应：指具有：指具有热弹性性马氏体相氏体相变的材料能的材料能记忆它在高温奥氏体下的形状。当它在高温奥氏体下的形状。当环境温度境温度TA f以上一定温度以上一定温度区区间内，外加内，外加应力超力超过弹性极限，性极限，产生塑性生塑性变形后，卸形后，卸载时即即使不加使不加热，应变也会随外也会随外应力的下降而下降，且外力的下降而下降，且外应力力为零零时，应变也恢复到零，也恢复到零，应力就力就变曲曲线呈呈现出滞回效出滞回效应。超。超弹性特性性特性主要是由于主要是由于应力力诱发马氏体相氏体相变的不的不稳定而引起的。在超定而引起的。在超弹性性阶段，段，材料表材料表现为明明显的的强非非线性，具有耗能作用。用于开性，具有耗能作用。用于开发各种各种结构的耗能阻尼器，以控制和减构的耗能阻尼器，以控制和减轻结构的振构的振动。(3)阻尼效阻尼效应：SMA热诱发马氏体相氏体相变及其逆相及其逆相变过程中各程中各种界面种界面(孪晶面、相界面、晶面、相界面、变体界面体界面)的可逆迁移需吸收能量，的可逆迁移需吸收能量，即可逆即可逆马氏体相氏体相变具有阻尼作用。具有阻尼作用。SMA的阻尼可以达到的阻尼可以达到10-1数量数量级，且阻尼随振，且阻尼随振动频率的增大而率的增大而显著减小，当著减小，当频率高于某一率高于某一临界界值时，其阻尼，其阻尼较小且小且趋于于稳定；在一定范定；在一定范围内，阻尼随振幅内，阻尼随振幅和和预应力的增大而增大。用于控制力的增大而增大。用于控制结构振构振动。(4)电阻效阻效应：降温：降温时，当温度到，当温度到SMA马氏体相氏体相变开始温度开始温度(Ms)时，其，其电阻率阻率显著增加；升温著增加；升温时，当温度达到奥氏体相，当温度达到奥氏体相变开始温度开始温度(As)时，其，其电阻率阻率显著降低。用于制作温度著降低。用于制作温度传感器。感器。3 形状形状记忆合金本构方程及参数合金本构方程及参数测量量形状形状记忆材料的特殊行材料的特殊行为给本构关系的描述本构关系的描述带来了很大来了很大难度，度，直到直到1979年年Mulel构造了超构造了超弹性体的相性体的相变模型，关于形状模型，关于形状记忆合合金本构关系的研究才大金本构关系的研究才大规模地展开。在模地展开。在过去的去的20多年，各国学多年，各国学者从各种不同角度构造了不同者从各种不同角度构造了不同类型的本构关系，主要可以分型的本构关系，主要可以分为三大三大类:细观热动力学模型、力学模型、细观力学模型和宏力学模型和宏观唯象模型唯象模型。细观热动力学模型，主要是通力学模型，主要是通过描述一个在有限区域内含有描述一个在有限区域内含有一个无限小的一个无限小的热动力学力学过程来构造相程来构造相变过程中自由能。程中自由能。详细描描述了材料在相述了材料在相变过程中程中马氏体的形核与氏体的形核与长大，两相截面的移大，两相截面的移动等等细观过程，程，这类模型有助于理解材料的相模型有助于理解材料的相变过程，但很程，但很难应用于工程用于工程实际。建立在建立在实验基基础上描述上描述材料宏材料宏观行行为的唯象理的唯象理论模型，由于模型，由于模型模型简单，引入参数少且容易由，引入参数少且容易由实验获得，近得，近10多年来有很大多年来有很大的的发展，在智能展，在智能结构的分析中也构的分析中也发挥了巨大的作用，了巨大的作用，这些模型些模型都是基于都是基于热力学、力学、热动力学和相力学和相变动力学的本构关系。在力学的本构关系。在实际中中应用用较多的模型有多的模型有Tanaka模型、模型、liang and Rogers模型和模型和Brinson 模型模型。这三个模型在本三个模型在本质上是相似的，上是相似的，Liang-Rogers都是基于能量都是基于能量守恒及守恒及Clausius-Duhen不等式，从不等式，从热力学第一、第二定律出力学第一、第二定律出发，利用利用Helmholtz自由能，并将形状自由能，并将形状记忆合金的相合金的相变过程，程，简化化为马氏体体氏体体积百分数杏的百分数杏的变化化过程程。这三个模型的主要区三个模型的主要区别是，他是，他们所采用的描述所采用的描述马氏体体氏体体积百百分数咨分数咨变化化规律的相律的相变演化方程不同。演化方程不同。细观力学模型仍然以力学模型仍然以热力学力学为基基础描述，用相描述，用相变过程中能量的程中能量的变化来描述形状化来描述形状记忆合合金材料的相金材料的相变过程，所不同的是它采用程，所不同的是它采用细观力学的方法来描述力学的方法来描述形状形状记忆合金在相合金在相变过程中两种程中两种组织的相互作用能，因此建立的相互作用能，因此建立在在细观力学基力学基础上的本构模型上的本构模型为形状形状记忆合金材料的宏合金材料的宏观力学力学行行为找到了理找到了理论依据。依据。Tanaka模型模型 Liang and Rogers模型模型 Brinson模型模型 Boyd and Lagoudas模型模型 参数参数测量量为了了获取上面描述形状取上面描述形状记忆合金本构方程的参数，合金本构方程的参数，需要一系列的需要一系列的试验，试验设计的原的原则是尽量使得参数是尽量使得参数测量量过程解耦。程解耦。这一系列的一系列的试验包括：包括：(1)SMA相相变点温度的点温度的测试(2)恒定温度下恒定温度下应力力应变测试(3)自由状自由状态下下应变温度温度测试(4)恒定恒定应变下下应力力温度的温度的测试 基于基于热分析法分析法(DSC)SMA相相变温度的温度的测量量物物质在升温以及降温在升温以及降温过程中，若程中，若发生了物理或化学生了物理或化学上的反上的反应，就会有，就会有热量的量的释放和吸收，从而在温度放和吸收，从而在温度记录曲曲线上有异常反映，我上有异常反映，我们将将这种种现象称之象称之为热效效应。热分析法分析法测相相变的原理的原理为相相变热力学，在力学，在连续冷却冷却过程中，需要有程中，需要有过冷度或者冷度或者过热度才能度才能发生相生相变。因。因此，在其平衡温度上下的相此，在其平衡温度上下的相变点内，两相之点内，两相之间将有自将有自由能差，由能差，这些自由能在些自由能在发生相生相变时，其外，其外观表表现为冷冷却曲却曲线将在此温度将在此温度发生生转变。测试原理原理形状形状记忆合金相合金相变温度主要包括：加温度主要包括：加热时马氏体逆氏体逆转变的开始温度的开始温度As；马氏体逆氏体逆转变的的终了温度了温度Af；冷；冷却却时马氏体氏体转变的开始温度的开始温度Ms；冷却；冷却时马氏体氏体转变的的终了温度了温度Mf。目前的目前的测量方法有：量方法有：变温温X射射线法，法，热分析法（分析法（热差分析法差分析法DTA。差示。差示扫描法描法DSC），膨），膨胀法，声法，声发射法，射法，电阻法。各种方法的阻法。各种方法的优缺点如下：缺点如下：(1)X射射线法法测得的相得的相变温度与温度与实际的相比存在的相比存在较大大偏差，故通常采用偏差，故通常采用X射射线物相分析研究微物相分析研究微观上的位上的位错组态，结合其他的相合其他的相变温度温度测量方法，量方法，寻求相求相变行行为与与位位错组态之之间的关系。的关系。测量方法量方法(2)热分析法的精度与其灵敏度有关，考分析法的精度与其灵敏度有关，考虑到到对试样尺寸的要求，尺寸的要求，对于薄膜或一于薄膜或一维材料的相材料的相变温度多采用温度多采用DSC测量，而量，而对体材料一般把体材料一般把DSC的的转变温度作参考。温度作参考。(3)膨膨胀法法测量量SMA相相变温度受外界干温度受外界干扰小，所小，所测值准确度比准确度比较高，但高，但SMA的的热膨膨胀系数系数对温度不很敏感。温度不很敏感。(4)声声发射技射技术是一种是一种动态检测方法，将此技方法，将此技术用于用于分析形状分析形状记忆合金的合金的马氏体相氏体相变或形状或形状记忆合金智能合金智能结构，目前尚构，目前尚处于初于初级阶段。段。(5)电阻法精度高、阻法精度高、电路路简单，测量量过程程对试样的影的影响小，速度快，以响小，速度快，以单片机片机为核心的形状核心的形状记忆合金相合金相变点点测试系系统，更提高了，更提高了电阻法阻法测量量SMA相相变点的精度、灵点的精度、灵敏度和敏度和稳定性，但是定性，但是测量相量相对复复杂。DSC其其优点是：点是：检测形状形状记忆合金材料不同相合金材料不同相态的灵的灵敏性很高，能很方便地敏性很高，能很方便地测出相出相变热焓等等热动力学参数。力学参数。通通过比比较，选用的是用的是DSC法。法。先加工出先加工出长、宽、高均小于、高均小于1 mm（可（可变）的）的试样(质量在量在17 mg)（降低滞后性），放到（降低滞后性），放到刚玉坩玉坩埚内，以一定的升降温速度内，以一定的升降温速度进行加行加热和冷却，在温度和冷却，在温度变化的同化的同时绘制吸、放制吸、放热曲曲线降温降温过程程发生生马氏体相氏体相变时伴随着一个放伴随着一个放热峰，而升温峰，而升温过程程发生奥生奥氏体相氏体相变时伴随着吸伴随着吸热峰。通常，每次峰。通常，每次测量量记录一条以温度或一条以温度或时间为X轴，热流速率差或流速率差或热工率差工率差为Y轴的曲的曲线,曲曲线出出现峰峰值变化化时即代表即代表马氏体氏体发生逆生逆转变或者或者转变。试验方案方案试验设备差示扫描量热仪差示扫描量热仪(1)试验前，接通前，接通DSC仪器器电源源10min，使，使电器元件温度平衡。器元件温度平衡。(2)取取实验材料以及一材料以及一块对比材料（无相比材料（无相变，无吸，无吸热放放热现象），象），仪器恒温器恒温10min。(3)以以5min的降温速率冷却到的降温速率冷却到-50度，并度，并记录曲曲线。(4)以以5min的升温速率重新加的升温速率重新加热到到100度，并度，并记录曲曲线。(5)恒温恒温5min，再以，再以5min的降温速率冷却到的降温速率冷却到-50度，并度，并记录曲曲线。(6)重复重复试验3次。次。试验步步骤 试验结果果相变温度：马氏体转变结束温度马氏体转变开始温度奥氏体转变开始温度奥氏体转变结束温度-MfMsAsAf-46.66468.588.5NiTi形状记忆合金相变点温度4 形状形状记忆合金作合金作动器器在在结构主构主动振振动控制系控制系统中，控制效果的中，控制效果的优劣很大程度取决于作劣很大程度取决于作动器材料的性能器材料的性能.实际应用中，除了用中，除了SMA外，另外也有外，另外也有许多智能材料，多智能材料，包括包括电致材料、磁致材料、致材料、磁致材料、电流流变体、体、压电材料等等，也常用于作材料等等，也常用于作动器的器的设计。但从材料的性能指。但从材料的性能指标比比较，SMA较之其它智能材料具有之其它智能材料具有许多的多的优越性。越性。(1)SMA作作动器只需器只需SMA单独一种材料，其体独一种材料，其体积可以很小，而且可以很小，而且还能被做成能被做成纤维状。状。SMA作作动器基于自身材料的作器基于自身材料的作动机制也就相机制也就相对简单。而其它作而其它作动器通常需要附加多个器通常需要附加多个组件，作件，作动机理就复机理就复杂得多。得多。SMA作作动器具有很器具有很强的抗疲的抗疲劳破坏能力，每次被破坏能力，每次被驱动所所产生的生的应力、力、应变的的大小都基本相同，而且也不易受大小都基本相同，而且也不易受环境因素如湿度或真空的影响。境因素如湿度或真空的影响。(2)作作为一种新型的智能材料，一种新型的智能材料，SMA的一个非常重要的的一个非常重要的优点是它能点是它能够产生很高的生很高的应力和力和应变，并且具有很，并且具有很强的能量存的能量存储能力和能量能力和能量传输能力。能力。SMA的能量改的能量改变量可以达到量可以达到1.0(GJm-3);磁致材料磁致材料为200(MJm-3)；电致材料致材料为100150(MJm-3)；压电材料陶瓷材料陶瓷为100(MJm-3)；压电聚聚合物只有合物只有1(MJm-3)；电流流变体体则不能不能储备和和释放任何有效能量。放任何有效能量。总结形状形状记忆合金在合金在结构控制中的构控制中的应用的方式可分用的方式可分为以下几以下几种：种：(1)将形状将形状记忆合金埋入合金埋入结构中；利用构中；利用SMA的回复力可增加的回复力可增加结构的等效构的等效刚度，从而改度，从而改变结构的共振构的共振频率。率。该方法可用于方法可用于结构的共振振构的共振振动控制。控制。(2)将形状将形状记忆合金粘合金粘贴在在结构表面；构表面；(3)将形状将形状记忆合金与合金与结构以离散点的形式相构以离散点的形式相联接。利用形接。利用形状状记忆合金合金产生的拉伸或收生的拉伸或收缩力达到控制力达到控制结构振构振动和和变形的目形的目的。的。第一种方式，它的第一种方式，它的优点使得本体点使得本体结构和作构和作动器融器融为一体，外一体，外观也也较为规整；它的缺点是使得被控整；它的缺点是使得被控对象的象的设计、工、工艺更更为复复杂，结构可靠性离散度大，构可靠性离散度大，对形状形状记忆合金合金驱动器而言会造成器而言会造成加加热过程程损伤本体本体结构，散构，散热过程极其程极其缓慢。慢。这种使用方式一种使用方式一般用于般用于结构的构的变形控制中，形控制中，结构的主构的主动振振动控制一般不采用。控制一般不采用。SMA作作动器器类型型第二方式，它的第二方式，它的优点是不会点是不会给本体本体结构构带来附加的工来附加的工艺、设计等方面的等方面的负担，安装方便，加担，安装方便，加热方便，散方便，散热较快，从而快，从而驱动器的响器的响应频率也率也较快；它的缺点是在加快；它的缺点是在加热过程中，由于温度程中，由于温度较高很容易造成脱胶高很容易造成脱胶现象，从而大大降低了系象，从而大大降低了系统的可靠性，另外的可靠性，另外由于由于驱动器通器通过粘粘贴胶与本体胶与本体结构复合，控制力通构复合，控制力通过粘粘贴胶依胶依靠剪切力靠剪切力传递，而一般来，而一般来说，胶的剪切性能，胶的剪切性能较差，差，这样在系在系统工作工作过程中造成胶与形状程中造成胶与形状记忆合金分离，使得系合金分离，使得系统工作失效。工作失效。第三种方式，它的第三种方式，它的优点是安装方便，加点是安装方便，加热方便，散方便，散热快，从快，从而而驱动器能器能够达到达到较高的高的频率响率响应。缺点是。缺点是驱动器与本体器与本体结构构的的连接点需接点需进行加行加强，非，非连接接处需需对形状形状记忆合金合金进行限位行限位设计和和处理，使得系理，使得系统工作工作时变形形规整，不相互干整，不相互干扰。为了了阐述述SMA作作动器器对梁梁板板系系统振振动抑制的作抑制的作动激励，可将激励，可将含含SMA丝的的梁梁板板系系统简化化为下下图所所示的模型，示的模型，A为一端固支梁一端固支梁，S为SMA丝，b为SMA丝到到梁梁中心中心面的距离，面的距离，该系系统动力学模型力学模型推推导如下：如下：SMA作作动器机理解器机理解释加SMA丝的梁系统简化模型 由由SMA丝所所产生的任意生的任意时刻控制力矩刻控制力矩为：