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功能材料概论

《功能材料概论》期末小论文

记忆金属的原理与应用
学院:电子信息学院 专业:电子信息工程 学号:12041619 姓名:黎定豪

我曾经有一次去眼镜店里配眼镜,当时店内工作人员向我推荐一种具有“记 忆”功能的眼镜框架,其镜腿由“记忆金属”制成,即使掰弯到 180 度,也能恢 复原样,不会变形。 记忆金属又叫形状记忆合金,大概在上个世纪 70 年代,材料科学中出现了 这种具有“记忆”形状功能的合金。如果它在较冷环境下变形,然后将它置于相 对温度较高坏境下,它则会恢复原状。这种合金在高温下可以变成任意形状,在 较低温度合金可以被拉伸,但若对它重新加热,它会“记”起它原来的形状,变 回原来的形状。 那么为什么这种合金能“记”住它原来的形状呢? 首先我们知道合金的形成是在高温条件下液态金属的互熔, 由于液态金属的 结构元排异, 导致了这种元素的结构元与另一种金属的结构元相互均布, 凝固后, 其微观结构是不同种类的结构元成比例的有序排列, 电磁力是构成合金物体的主 要内聚力。 电磁力是由价和电子的运转所形成,而电子的运转速率随温度条件而变化 的,所以,物体内的电磁力(大小、方向、作用点)也是随温度条件而变化。由 此导致了金属物体的内力随温度条件而变化, 只是这些变化在小温差范围内不明 显,只有在较大温度变化(几百摄氏度)时才有表现。 一般金属在受力后,能产生塑性变形,即变形不可逆转。如一根铁丝被折弯 后,在折弯部位,电磁力受到外力的干扰,导致产生电磁力的价和电子的运转平 面作出微量调整,完成一次塑性变形。 记忆合金在受到外力后,电磁力受到外力的干扰,价和电子的运转平面作出 微量角度调整,物体产生塑性变形,在此塑性变形中,部分调整后的价和电子的 运转是不舒展的。当温度条件变化时价和电子的速率随之变化,当温度回复到相 安舒展的 (转变温度) 条件时, 不舒展的价和电子的运转立即回复到当时的速率, 电磁力随之发生变化,使相邻结构元的价和运转也都作出相应的调整,全部回复 到原来的舒展态。 并且记忆合金的高温相具有较高的结构对称性,通常为有序立方结构。在 Ms 温度以下,单一取向的高温相转变成具有不同取向的马氏体变体。当在 Ms 温 度以下使这种材料变形以制成元件时, 材料内与应力方向处于不利地位的马氏体

变体不断消减;处于有利地位的则不断生长。最后转变成具有单一取向的有序马 氏体的元件。如再度加热到 As 点以上,这种对称性低的、单一取向的马氏体发 生逆转变时,又形成先前的单一取向的高温相。 对应于这种微观结构的可逆性转变,便恢复了材料在高温时的宏观形状,这 就是所谓的单程形状记忆。经过某种工艺处理的记忆元件,冷却到 Ms 以下时, 可恢复到低温时的形状,则称为双程形状记忆效应。而还有一种全程记忆效应, 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。 简而言之,就是利用这些合金在固态时其晶体结构随温度发生变化的规律。 这种合金具有一个“变态温度”。高于变态温度金属处于稳定状态,低于变态温 度处于不稳定状态。 正因为记忆合金有这种独特的性质, 它在很多行业中都有应用。 在工业行业, 记忆合金最早在 1969 年上应用,利用单程形状记忆效应的单向形状恢复作用制 成的管道接头在低于变态温度时内径会稍加扩大, 再把连接好的管道放到该接头 的变态温度时,接头就自动收缩而扣紧被接管道,形成牢固紧密的连接。这种接 头经常在飞机的油压系统中使用,几乎从未发生过漏油、脱落或破损事故。欧洲 和美国正在研制用于直升飞机的智能水平旋翼中的记忆合金。 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。目前已开发出一种叶片的轨迹控制器,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,使其震动降到最低。 阿波罗登月计划中也应用到了这种合金, 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。 在机械电子行业上,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。 生物医疗方面,记忆合金经常用于做支架。如接骨用的骨板,不但能将两段 断骨固定,而且在恢复原形状的过程中产生压缩力,迫使断骨接合在一起。齿科 用的矫齿丝,结扎脑动脉瘤和输精管的长夹,脊柱矫直用的支板等,都是在植入 人体内后靠体温的作用启动,血栓滤器也是一种记忆合金新产品。被拉直的滤器 植入静脉后,会逐渐恢复成网状,从而阻止大部分的凝血块流向心脏和肺部。 另外我们也可利用它对温度的敏感性,用来做阀门或警报的传感器。如果水 龙头流出的水温达到可能烫伤人的温度时,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。 另外,我们平时生活中最易见到的应用就是眼睛框架了,记忆合金大多非常 柔韧,在眼镜框架的鼻梁和耳部装配记忆合金可使人感到舒适并抗磨损。由于记 忆合金所具有的“记忆”性,用超弹性合金丝做眼镜框架,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。 当然,记忆合金的应用肯定不会就止于此,在未来,记忆合金定能更加好的 应用于各处,更好的服务于人类。


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