镍钛形状记忆合金的应用

如题所述

第1个回答  2022-06-20
形状记忆合金 (简称SMA)特有的形状记忆特性,已经成为各行业创新领域的研究热点

关键词: 形状记忆合金 ;特性:形状记忆效应

一.引言

形状记忆材料 是集感知和驱动于一体的特殊材料,( Shape Memory Alloy 简称SMA)是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性变形并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。

二.形状记忆合金的特性

1.形状记忆效应: 形状记忆合金 经适当的热处理后具有恢复形状的能力,这种能力被称为形状记忆效应( Shape memory effect 简称SME)。形状记忆效应按恢复情况分为单程形状记忆效应、双程形状记忆效应和全程形状记忆效应。

2.超弹性效应:形状记忆合金受到外力时发生形变,去除外力后就恢复原状,这种现象称为超弹性。形状以及合金在发生超弹性形变时,诱发了马氏体相变,去除外力后,又发生马氏体逆相变。

3.阻尼特性:形状记忆合金由于马氏体相变的自协调和马氏体中形成的各种界面及界面运动,而具有很好的阻尼特性。

4.电阻特性:研究表明,对于初始组织为马氏体的 Ni-Ti合金 ,在拉伸过程中电阻于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 Ni-Ti合金 ,当发生应力诱发马氏体相变后,曲线的斜率降低,相变前后电阻-应变关系保持线性关系。

三.形状记忆合金的研究进展

形状记忆效应最早是1932年由Olander在研究Au-Cd合金时发现的。1963年,美国海军武器实验室布勒(Buehler)等发现了钛镍合金具有形状记忆效应。1964年Cu-Al-Ni也被发现有这种效应。70年代以后,科学家又在304奥氏体不锈钢和Fe-18.5Mn中发现了这种效应。

1969年美国Raychem公司生产Ti-Ni-Fe记忆合金管接头用于F14战斗机上的液压管路系统连接,这是SMA第一次成功应用。1970年,美国将 镍钛记忆合金丝 制成宇宙飞船用天线。前苏联在1969年开始对形状记忆合金进行了系统研究。德国于1971年开始探索形状记忆效应的机制及应用,1976年声称有成功的产品问世。日本在70年代也积极开展这方面的研究工作。20世纪70年代,各国相继开发出了Ni-Ti基、Cu-Al-Ni基和Cu-Zn-Al基形状记忆合金。80年代开发出了Fe-Mn-Si基、不锈钢基等铁基形状记忆合金。从20世纪90年代至今,高温形状记忆合金、宽滞后以及合金薄膜等已成为研究热点。美国、日本等国家对形状记忆合金的研究和应用开大已较为成熟,同时也较早地实现了形状记忆合金的产业化。

我国从上世纪70年代末才开始对形状记忆合金展开研究,起步较晚,但起点较高,在材料冶金学方面,特别是实用形状记忆合金的炼制水平已得到国际学术界的认可,在应用开发上也有一些独有的成果。 佩尔科技 作为国内 镍钛 的先驱者,专业从事 镍钛材料 的研究与生产,由数名材料学博士与硕士组成的工程团队,一直以将中国高端 镍钛材料 推向世界为目标,不断学习创新,提高技术,逐渐缩短了形状记忆合金产业化和工程应用方面与国外的差距。

四.形状记忆合金的分类

到目前为止,被开发出来的形状记忆合金主要是Ti-Ni基、Cu基与Fe基三种。在这三大类中,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,使得每一个大类中都有一系列合金被开发出来,应用在各行各业,已满足各种不同的特殊需求。

钛镍形状记忆合金 开发的最早,形状记忆效应最稳定,相对比较成熟,已在航天工业、汽车工业、电子工业、医学以及人类生活领域获得应用。但由于其原材料Ni 、Ti价格昂贵,且加工成本高等因素,其应用受到限制。

五.形状记忆合金的应用

由于形状记忆合金除具有独特的形状记忆功能外还具有超弹性、高阻尼、耐磨损和抗腐蚀等优点,所以在机械、建筑、航空航天、汽车以及医疗等许多领域中得到广泛的应用。

1.机械工程。最早应用是在管接头和紧固件上。在机械零件的连接、管道的连接,飞机的空中加油的接口处,用形 状记忆合金加 工成内径比欲连接管的外径小4%的套管,然后在液氮温度下将套管扩径约8%,装配时将这种套管从液氮取出,把欲连接的管子从两端插入。当温度升高至常温时,利用电加热改变温度,接口处以及合金形变,套管套管收缩即形成紧固密封,使接扣精密滴水(油)不漏,远胜于焊接,特别适合用于航空、航天、核工业及船舰和海底输油管道等。在一些施工不便的部位,用记忆合金制成销钉,装入孔内加热,其尾端自动分开卷曲实现紧固。利用记忆合金的 感温驱动 双重功能,制作机器人、机械手,体型微小,结构紧凑。

2.建筑工程。形状记忆合金具有超弹性特性和高阻尼特性,含形状记忆合金的结构可以显著增加系统阻尼,减小结构的动力反应,可以用它制作各种形式的阻尼耗能装置。还可以利用形状记忆合金设计隔震器,它的工作原理是形状记忆合金装置变形后会产生较大的变形位移耗能,减少下部结构地震能量向上部结构的传输,从而达到保护上部结构的目的,提高结构的抗震性能。

3.航空航天工业。美国F-14型飞机的液压系统中,平均每架要用800个形状记忆合金接头。自1970年以来,美国海军飞机上使用了几十万个这样的管接头,没出现过一次失效的记录。除了做管接头外,形状记忆合金还用在宇宙飞船天线、紧固件、连接部件、电器连接和机电执行元件上。

4.汽车工业。用于发动机防热风扇离合器、排气自动调节喷管、柴油机散热器孔自动开关和喷气发动机抽过滤器的形状记忆弹簧等。

5.医疗器械。形状记忆合金因具有良好的力学性能和生物相容性已在医用领域得到了广泛的医用。尤其是 NiTi 形状记忆合金, 其良好的超弹性和形状记忆效应已成功应用于口腔牙齿的矫正、外科的矫正和整形及心血管的微创介入治疗。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95%的凝血块流向心脏和肺部。已进入医疗临床试用的还有手术缝合线、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、髓内钉、人工关节、避孕环、人造心脏、人造肾脏用微型泵等。

六.形状记忆合金的发展趋势

1.高温形状记忆合金。 NiTi 和CuZnAl合金都只能在100℃以下使用。但在相当多的情况下,如防火装置,汽车发动机的记忆合金元件的工作温度均超过100℃。在核反应堆工程中,记忆合金热动元件的动作温度高达600℃,因而研制高温 形状记忆合金 就成为一个主要发展方向。高温用形状记忆合金在 热驱动器 、继电器及核工业等高温领域具有非常广阔的应用前景。

2.磁性形状记忆合金。磁性形状记忆合金可以在磁场的作用下输出较大应变,同时将记忆合金的工作频率从温控状态的1Hz左右(TiNi记忆合金薄膜的热驱动工作频率最高可达100Hz),提高到磁控状态下的300Hz以上。利用磁 驱动记忆合金 的这些功能特性,制成的传感和驱动元件在石油、电子和航天等工业领域有着重要的应用前景。

除以上所述外,正在研究的还有宽滞后形状记忆合金、 窄滞后形状记忆合金 、形状记忆合金薄膜、高屈服限形状记忆合金、低应力滞后形状记忆合金和低温拟弹性形状记忆合金等。

(原文转自:百度文库)
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