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形状记忆合金恢复形状记忆的原理

发布时间: 03-21

      形状记忆合金(ShapeMemoryAlloys,简称SMA)是一种能够在温度和应力作用下发生相变的新型功能材料,具有独特的形状记忆效应、相变伪弹性等特性,广泛应用于航空航天、医疗器械、机械电器等领域。
      一、什么是形状记忆?

      普通的金属没有形状记忆。如果坐在铝制眼镜架上并且永久的弯曲它们,它们很难回到原来的样子。你必须照着自己记忆中眼镜框的样子辛苦地去调整,就算是这样,也很难保证眼镜框回到以前的样子。而且如果来回弯曲次数太多,镜框达到疲劳强度可能会永远的断裂。

    形状记忆金属与普通金属表现不同。它们是强而轻、具有特殊性能的合金(通常混合两种或更多的金属)。它们可以“编程”记住原来的形状,所以如果弯曲或挤压它们,可以通过加热使它们重新恢复到原来形状。这被称为形状记忆效应(既然加热能使它改变,也可以称之为热形状记忆效应)。某些形状记忆金属在热的时候记住一种形状,但在冷却时候记住另一种形状,所以冷却时它们变成一种形状,但加热时它们“忘记”原来形状,颈缩成一个不同的形状。这被称为双向形状记忆效应。现在,假如可以做一种形状记忆体,即使弯曲和扭曲很多次即使没有加热,但仍然可以恢复成原来形状?这是形状记忆的一个方面叫作伪弹性或超弹性,它适用于那些超级柔软,几乎坚不可摧的眼睛框,制造商说它至少比钢柔韧十倍!

    虽然镍钛合金(又称为镍-钛,Ni-Ti)可能是最广为人知的形状记忆合金,但是实际还有许多其他形状记忆合金,包括铜锌铝合金,铜铝镍合金,铁锰硅合金;还有相当多其他种类的。

    二、形状记忆如何发挥作用?

    最容易理解形状记忆的方式是记住发生在材料内部(即原子和分子的纳米尺度)的变化也许和外部看起来发生的完全不同。

    拉伸橡皮圈,在它内部交联和纠缠的橡胶大分子链打开和分离。撤销拉力,分子链重新聚集到一起,这就是弹性的工作机理。形状记忆是不同的。弯曲形状记忆合金物体使其内部晶体结构变形。不进行处理,它就会保持永久的弯曲形状。然而对其加热,晶体内部结构变成完全不同的形状,推动物体回到原来的形状。超弹性是相似的,但是你变形后使物体恢复到原来形状不需要温度。如果弯曲了一对形状记忆眼镜框,所施加的应力使钛合金变成完全不同的晶体结构;放开手后晶体结构恢复,眼镜框回到原来的形状。

    形状记忆和超弹性发生的是固体材料内部结构在两种不同的晶体形式之间的转换,换句话说,它的分子以完全可逆方式重新排列。这就是固态相变,它听起来比实际情况复杂。其实我们都习惯了相变:你把冰块放到饮料里然后它融化了,你观察到的就是相变。随着冰块融化,其分子从紧密堆积结构转变成更松散和更流动的结构,所以水从固相(冰)转变成液相(平常的液体水)。发生在固态相变中的大致相似的事情是材料在转变前和后都是固体,因为在整个过程中所有分子之间保持的非常近。

    形状记忆合金在奥氏体和马氏体两种结晶态之间转变。在低温时,它们呈现相对柔软、塑性和容易成形的马氏体;在(相对)高温时,它们变成更硬和更难以变形的奥氏体。假设你有一个形状记忆电线,你可以相对容易地把它变成新的形状。它的内部是马氏体,这就是它容易变形的原因。无论你怎么弯曲电线,它都保持新的形状;就像任何普通的电线,它看起来像在进行普通的塑性形变。见证奇迹的时刻!对电线微微加热(高于相变温度),其内部变成奥氏体,在热能作用下内部原子重新排列然后电线恢复到原来形状。冷却下来,电线重新恢复成马氏体,仍然恢复成原来形状。如果整个过程中材料的温度高于相变温度,你可以使其变形,但是当你释放你施加的应力,它立刻恢复到原来的形状。

    形状记忆令人惊奇也可能使人困惑的是奥氏体和马氏体之间的转换不是“对称”的。你可以取一条“编程”的形状记忆电线(有明显易记的形状),然后可以用不同的方式去弯曲它。但是当你加热你刚刚随意弯曲的电线,它总是回到一条单一、明显的形状。我们可以这样理解这一点,材料在马氏体状态下可以愉快地变成任何晶体形式。但是当它在奥氏体时,它只有一种晶体形式。这也是最稳定的状态,也即最低能量状态。

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标签:形状记忆合金 国机金属

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