智能材料 形状记忆材料.ppt

材料科学之智能材料材料科学之智能材料物理1001班 熊超组智能材料之形状记忆材料定义定义 智能材料就是指具有感知环境(包括内环境和外环境)刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料智能材料与普通材料在构造上的区别智能材料与普通材料在构造上的区别结构结构传感器控制器执行器扰动反应控制结构结构执行器传感器控制器扰动反应智能结构分类一般认为，智能材料由传感器或敏感元件等与传统材料结合而成，可分为两大类：（1）嵌入式智能材料，又称智能材料结构或智能材料系统。在基体材料中，嵌入具有传感、动作和处理功能的三种原始材料。传感元件采集和检测外界环境给予的信息，控制处理器指挥和激励驱动元件，执行相应的动作。（2）非嵌入式智能材料。有些材料微观结构本身就具有智能功能，能够随着环境和时间的变化改变自己的性能，如自滤玻璃、受辐射时性能自衰减的Inp半导体等智能材料的特征因为设计智能材料的两个指导思想是材料的多功能复合和材料的仿生设计，所以智能材料系统具有或部分具有如下的智能功能和生命特征：（1）传感功能传感功能 能够感知外界或自身所处的环境条 件，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。（2）反馈功能反馈功能 可通过传感网络，对系统输入与输 出信息进行对比，并将其结果提供给控制系统。（3）信息识别与积累功能信息识别与积累功能 能够识别传感网络得到 的各类信息并将其积累起来。（4）响应功能响应功能 能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地作出相应的反应，并采取必要行动。（5）自诊断能力自诊断能力 能通过分析比较系统目前的状况与 过去的情况，对诸如系统故障与判断失误等问题进 行自诊断并予以校正。（6）自修复能力自修复能力 能通过自繁殖、自生长、原位复合 等再生机制，来修补某些局部损伤或破坏。（7）自调节能力自调节能力对不断变化的外部环境和条件，能 及时地自动调整自身结构和功能，并相应地改变自 己的状态和行为，从而使材料系统始终以一种优化 方式对外界变化作出恰如其分的响应。智能材料的构成一般来说智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料三部分构成。（1）基体材料基体材料 基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质材料。一般基体材料首选高分 子材料，因为其重量轻、耐腐蚀，尤其具有粘 弹性的非线性特征。其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。（2）敏感材料敏感材料 敏感材料担负着传感的任务，其主 要作用是感知环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、PH值等）。常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材 料、电流变体、磁流变体和液晶材料等。（3）驱动材料驱动材料 因为在一定条件下驱动材料可产生 较大的应变和应力，所以它担负着响应和控制的任 务。常用有效驱动材料如形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等研究方向智能材料的出现将使人类文明进入一个新的高度，但目前距离实用阶段还有一定的距离。今后的研究重点包括以下六个方面：（1）智能材料概念设计的仿生学理论研究（2）材料智然内禀特性及智商评价体系的研究（3）耗散结构理论应用于智能材料的研究（4）机敏材料的复合-集成原理及设计理论（5）智能结构集成的非线性理论（6）仿人智能控制理论实际成果在建筑建筑方面，英国科学家已开发出了两种“自愈合”纤维。这两种纤维能分别感知混凝土中的裂纹和钢筋的腐蚀，并能自动粘合混凝土的裂纹或阻止钢筋的腐蚀。在医疗医疗方面，智能材料和结构可用来制造无需马达控制并有触觉响应的假肢。这些假肢可模仿人体肌肉的平滑运动，利用其可控的形状回复作用力，灵巧地抓起易碎物体，如盛满水的纸杯等。在军事军事方面，在航空航天器蒙皮中植入能探测激光、核辐射等多种传感器的智能蒙皮，可用于对敌方威胁进行监视和预警。美国军方发明出一种可涂在潜艇上的智能材料，它可使潜艇噪声降低60分贝，并使潜艇探测目标的时间缩短100倍。除上述几个方面外，智能材料的再一个重要进展标志就是形状记忆合金。一些国家用记忆合金制成了卫星用自展天线。在稍高的温度下焊接成一定形状后，在室温下将其折叠，装在卫星上发射。卫星上天后，由于受到强的日光照射，温度会升高，天线自动展开。形状记忆材料(a)放入热水前 (b)放入热水后(c)得到一定回复后的形状(d)进一步回复后的形状(e)冷至室温后定义指具有一定形状的固体材料,在某种条件下经过一定的塑性变形后,加热到一定温度时,材料又完全恢复到变形前原来形状的现象。即它能记忆母相的形状。比较常见的形状记忆材料有形状记忆合金，形状记忆塑料，形状记忆陶瓷形状记忆合金，形状记忆塑料，形状记忆陶瓷形状记忆效应（1）单程记忆效应单程记忆效应 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。（2）双程记忆效应双程记忆效应 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。（3）全程记忆效应全程记忆效应 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，称为全程记忆效应原理从微观来看，形状记忆效应是晶体结构的固有变化规律。从微观来看，形状记忆效应是晶体结构的固有变化规律。通常金属合金在固态时，原子按照一定规律排列起来；而通常金属合金在固态时，原子按照一定规律排列起来；而形状记忆合金的原子排列规律则是随着环境条件的改变而形状记忆合金的原子排列规律则是随着环境条件的改变而改变。比如，当温度下降到某个临界温度以下时，原子按改变。比如，当温度下降到某个临界温度以下时，原子按某一种规律进行排列，此时的结构称为某一种规律进行排列，此时的结构称为马氏体相马氏体相；而当温；而当温度升高到某个临界温度以上，原子的排列规律就会发生改度升高到某个临界温度以上，原子的排列规律就会发生改变，原子又按另一种规律进行排列，此时又称之为变，原子又按另一种规律进行排列，此时又称之为奥氏体奥氏体相或母相相或母相。形状恢复的推动力是由在加热温度下母相和马。形状恢复的推动力是由在加热温度下母相和马氏体相的自由能之差产生的。氏体相的自由能之差产生的。从宏观来看，材料在高温下被处理成一定形状，再急冷下从宏观来看，材料在高温下被处理成一定形状，再急冷下来，在低温相状态下经塑性变形为另一种形状，然后加热来，在低温相状态下经塑性变形为另一种形状，然后加热到高温相成为稳定状态的温度时，通过马氏体逆相变恢复到高温相成为稳定状态的温度时，通过马氏体逆相变恢复到低温塑性变形前的形状。具有这种效应的金属，通常是到低温塑性变形前的形状。具有这种效应的金属，通常是由两种以上的金属元素构成的合金，故称为形状记忆合金。由两种以上的金属元素构成的合金，故称为形状记忆合金。形状记忆效应微观模型形状记忆合金晶体结构变化模型形状记忆合金晶体结构变化模型具有具有较较低的对低的对称性称性的的正交或正交或单斜晶单斜晶系系具有具有较较高的对高的对称性称性的的立方点立方点阵阵热弹性马氏体相变时伴随有形状的变化。热弹性马氏体相变时伴随有形状的变化。形状记忆效应的实质：形状记忆效应的实质：是在是在温度的作用温度的作用下，材料内部热弹性马氏体形成、下，材料内部热弹性马氏体形成、变化、消失的相变过程的宏观表现。变化、消失的相变过程的宏观表现。马氏体马氏体纯金属或合金从某一固相转变成另一固相时的产物；在转变过程中，原子不扩散，化学成分不改变，但晶格发生变化，同时新旧相间维持一定的位向关系并且具有切变共格的特征。马氏体最先由德国冶金学家 Adolf Martens(1850-1914)于19世纪90年代在一种硬矿物中发现。马氏体的晶体结构为体心四方结构（BCT）。应用应用月面天线月面天线宇宙飞船登月之后，为了将月球上收集到的各种信息发回地球，必须在月球宇宙飞船登月之后，为了将月球上收集到的各种信息发回地球，必须在月球上架设直径为好几米的半月面天线。要把这个庞然大物直接放入宇宙飞船的上架设直径为好几米的半月面天线。要把这个庞然大物直接放入宇宙飞船的船舱中几乎是不可能。但利用形状记忆合金则能使其成为可能。船舱中几乎是不可能。但利用形状记忆合金则能使其成为可能。先用镍钛合金在高温下制成半球形的月面天线，再让天线冷却到先用镍钛合金在高温下制成半球形的月面天线，再让天线冷却到28以下。以下。这时，合金内部发生了结晶构造转变，变得非常柔软，所以很容易把天线折这时，合金内部发生了结晶构造转变，变得非常柔软，所以很容易把天线折叠成小球似的一团，放进宇宙飞船的船舱里。到达月球后，宇航员把变软的叠成小球似的一团，放进宇宙飞船的船舱里。到达月球后，宇航员把变软的天线放在月面上，借助于阳光照射或其他热源的加热使环境温度超过奥氏体天线放在月面上，借助于阳光照射或其他热源的加热使环境温度超过奥氏体相变温度，这时天线犹如一把折叠伞那样自动张开，成为原先定形的抛物状相变温度，这时天线犹如一把折叠伞那样自动张开，成为原先定形的抛物状天线，迅速投入正常的工作。天线，迅速投入正常的工作。记忆铆钉记忆铆钉在飞机的制造工艺中，需要用大量的连接件如铆钉和螺在飞机的制造工艺中，需要用大量的连接件如铆钉和螺栓进行连接或紧固。采用形状记忆合金制作紧固销钉，将栓进行连接或紧固。采用形状记忆合金制作紧固销钉，将是飞机制造业中的一项崭新的工艺技术。它可以在某些很是飞机制造业中的一项崭新的工艺技术。它可以在某些很难进行操作的场合难进行操作的场合(如在密闭真空中如在密闭真空中),较容易地实现材料较容易地实现材料的链接和紧固。的链接和紧固。铆钉尾部记忆成型为开口状铆钉尾部记忆成型为开口状,紧固前紧固前,将铆钉在干冰中冷将铆钉在干冰中冷却后把尾部拉直却后把尾部拉直,插入被紧固件的孔中插入被紧固件的孔中,温度上升产生形状温度上升产生形状恢复恢复,铆钉尾部叉开即可实现紧固。铆钉尾部叉开即可实现紧固。过热保护装置过热保护装置用形状记忆合金弹簧可以设计一种过热保护的用形状记忆合金弹簧可以设计一种过热保护的SMA（形状记忆（形状记忆合金）合金）驱动器，以避免淋浴时意外烫伤。驱动器，以避免淋浴时意外烫伤。正常工作时，热水的温度小于正常工作时，热水的温度小于SMA的奥氏体相变温度，当水温的奥氏体相变温度，当水温达到可能烫伤人的温度达到可能烫伤人的温度(大约大约48)时，时，SMA发生形变，从而驱动发生形变，从而驱动阀门关闭，直到水温降到安全温度，阀门才重新打开。可以转动阀门关闭，直到水温降到安全温度，阀门才重新打开。可以转动手柄手柄(a)让偏压弹簧失效使热水直接流过阀。让偏压弹簧失效使热水直接流过阀。Thank you