镍钛形状记忆合金材料的应用及发展.doc

本科毕业论文题目：镍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 指引教师： 田静 职称： 讲师 完毕日期： 年 06 月 01 日镍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目前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重要简介了形状记忆合金中的一种合金即Ni-Ti形状记忆合金的某些特性，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形状记忆合金的发展趋势核心字:镍钛合金 ; 　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 …………………………………………………………… 1 2.1 形状记忆合金的分类 ……………………………………………………… 12.1.1 镍-钛基形状记忆合金………………………………………………… 22.1.2 铜基形状记忆合金 …………………………………………………… 22.1.3 铁基形状记忆合金 …………………………………………………… 2 2.2 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 ……………………………………………………… 3 4 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 …………………………………………………… 5 6.1 在航天航空方面的应用 …………………………………………………… 5 6.2 在能源方面的应用 ………………………………………………………… 6 6.3 在医疗器械方面的应用 …………………………………………………… 6 6.4 在建筑方面的应用 ………………………………………………………… 6 6.5 在汽车方面的应用 ………………………………………………………… 7 7 Ni-Ti形状记忆合金的发展趋势 ……………………………………………… 7 参照文献 …………………………………………………………………………… 7 Abstract …………………………………………………………………………… 9道谢 …………………………………………………………………………………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构造。

除了某些合金材料外，尚有某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，应用范畴较广、较为重要的形状记忆材料是形状记忆合金(Shape Memory Alloy简称SMA）这种合金可以记忆原有的形状，并且记忆效果相称好，有些合金甚至反复变化几百万次后仍然可以在一定条件下完全恢复为本来的形状形状记忆合金一般是由两种以上的金属元素构成的，具有一定的初始形状，在低温下通过解决发生形变并固定成另一种形状后，再通过加热、光照或通电等解决使合金升高温度，始终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(Shape Memory Effect ,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镍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一般的金属材料，受到外力作用时，当应力超过屈服强度而产生塑性形变，应力清除后，塑性形变就会永久保存了下来，不能恢复为本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力增长，卸载时会产生残存应变，将合金在一定温度下加热，残存应变降为零，合金就会所有恢复为原状。

某些研究表白,诸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可以产生较大答复应变和较大形状答复力的记忆合金,才具有运用的价值到目前为止,世界上应用得最多的是镍钛基合金和铜基合金目前市场上已经浮现了大量的运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、汽车工业以及平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、抗腐蚀、高阻尼和超弹性等优秀特点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重要有镍钛基、铜基和铁基这三种金属合金在这三大类形状记忆合金中，根据不同的规定和工作环境，分别在基体中加入和调节某些合金元素的量，使得每一种大类的合金中均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，来满足多种不同的特殊需求[1]2.1.1 镍-钛基形状记忆合金镍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镍、钛价格昂贵，并且加工成本高等这些因素，其应用受到了限制[2]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、易于加工和制造等因素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多种在温度变化时导致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[3]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镍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、使用以便等长处，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优势并且这种记忆合金被觉得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[3]2.2 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，在某一低温状态下通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本来的形状，这种效应称为形状记忆效应（Shape Memory Effect简称SME）形状记忆效应按形状恢复状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[4]。

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，清除外力后记忆合金就会恢复本来的形状，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，会诱发马氏体相变，当清除外力后，又会发生马氏逆相变[4]2.2.3 阻尼特性形状记忆合金由于热弹性马氏体相变，生成了大量的构造相似、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孪晶界面能都非常低，比较容易迁移，从而可以有效地削弱震动、冲击等外来的机械能，因此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[5]2.2.4 电阻特性通过研究表白，对于初始组织为马氏体的镍钛合金，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、马氏体两者混合的镍钛合金，当发生应力诱发马氏体相变后，曲线的斜率会减少，相变前后电阻-应变关系保持线性关系[5]3 形状记忆合金的发展历史1951年，美国依利诺斯大学的Riido研究小组在进行的一次实验中偶尔发钞票-镉合金有记忆形状的特性，但在当时这种现象被觉得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，同步还由于这种单晶的造价昂贵等问题的存在，从而未引起应有的注重[6]。

1963年,美国海军军械研究室的成员们在一项实验中需要某些镍钛合金丝,但是她们领回来的合金丝都是弯弯曲曲的为了使用的时候比较以便，于是她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浮现了一种奇怪的现象，当加热这些合金使她们的温度升高到一定值的时候，这些已经被拉直的合金丝忽然又魔术般地迅速恢复到本来弯弯曲曲的形状，并且恢复后的形状和本来的形状几乎没有变化再反复多次进行实验，每次得出的成果都是同样的，被拉直的合金丝只要达到一定的温度，就会立即恢复为本来的形状就仿佛在从前被“冻”得失去知觉的时候被人们变化了形状，而当加热合金丝使温度升高到一定值的时候，它们忽然“苏醒”过来了，又“记忆”起了自己本来的形状，于是便不顾一切地恢复了自己本来的样子镍-钛合金在40℃以上和40℃如下的晶体构造是不同的，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℃就是镍-钛记忆合金的“变态温度”（多种合金均有自己的变态温度）[7]在这次实验中发现镍-钛合金也具有明显的形状记忆效应，并且由于这种合金具有较好的耐腐蚀性、重量比较轻、强度较高等长处，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项讨论会，不断的丰富和完善了马氏体相变理论在理论研究不断进一步的同步，形状记忆合金的应用研究也获得了很大的进步，其应用范畴波及机械、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，并已在许多方面获得了明显效果[8]4 Ni-Ti形状记忆合金的重要性 镍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,有较高的力学性能,优良的耐磨耐腐蚀性能和良好的阻尼特性,同步还具有较好的生物相容性镍钛记忆合金的抗拉强度在1000MPa以上，延伸率在20％以上，疲劳寿命达107次，阻尼特性比一般的弹簧高10倍，其耐腐蚀性优于目前最佳的医用不锈钢，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[9]镍钛记忆合金的应用领域极其广泛，涉及电子、机械、宇航、运送、建筑、化学、医疗、能源、家电以及平常生活用品等方面,几乎波及了产业界的所有领域,应用潜力是非常大的。

国内从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,并且在某些方面获得的成果居世界领先水平但是由于镍钛记忆合金的价格比较高及其加工过程复杂等因素,镍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。