【材料課堂】神奇的材料——形狀記憶合金!

2021-02-08 新材料智庫


隨著人類社會的不斷探索,現今社會有許多神奇的新材料。下面直接看實驗吧!


實驗一:將「金屬絲」揉卷後,放置於熱水中,迅速變直!

實驗二:將「塑料片」拉扯後,放置於熱水中,迅速變回原來的形狀!

實驗三:被拉伸後的彈簧,在蠟燭加熱條件下,彈簧慢慢變回原來形狀!

實驗四:用兩根被拉伸的彈簧製作成一個平衡杆,下端的木條上放置一個可以滑動的點燃蠟燭,隨著加熱彈簧變回原形,失去平衡,蠟燭滑到另一端,加熱另一根彈簧...

這種材料就是「記憶合金」,航空航天,生物醫療等領域!


航空航天工業


形狀記憶合金已應用到航空和太空裝置。如用在軍用飛機的液壓系統中的低溫配合連接件,歐洲和美國正在研製用於直升飛機的智能水平旋翼中的形狀記憶合金材料。由於直升飛機高震動和高噪聲使用受到限制,其噪聲和震動的來源主要是葉片渦流幹擾,以及葉片型線的微小偏差。這就需要一種平衡葉片螺距的裝置,使各葉片能精確地在同一平面旋轉。目前已開發出一種葉片的軌跡控制器,它是用一個小的雙管形狀記憶合金驅動器控制葉片邊緣軌跡上的小翼片的位置,使其震動降到最低。


還可用於製造探索宇宙奧秘的月球天線,人們利用形狀記憶合金在高溫環境下製做好天線,再在低溫下把它壓縮成一個小鐵球,使它的體積縮小到原來的千分之一,這樣很容易運上月球,太陽的強烈的輻射使它恢復原來的形狀,按照需求向地球發回寶貴的宇宙信息。


另外,在衛星中使用一種可打開容器的形狀記憶釋放裝置,該容器用於保護靈敏的鍺探測器免受裝配和發射期間的汙染。


機械電子產品


1970 年美國用形狀記憶合金製作 F-14 戰鬥上的低溫配合連接器,隨後有數以百萬以上的連件的應用[5]。形狀記憶合金作為低溫配合連接在飛機的液壓系統中及體積較小的石油、石化、電工業產品中應用。另一種連接件的形狀是焊接的網狀金屬絲,用於製造導體的金屬絲編織層的安全接頭。這種接件已經用於密封裝置、電氣連接裝置、電子工程機械裝置,並能在-65~300℃可靠地工作。已開出的密封系統裝置可在嚴酷的環境中用作電氣件連接。


將形狀記憶合金製作成一個可打開和關閉快門的彈簧,用於保護霧燈免於飛行碎片的擊壞。用於製造精密儀器或精密車床,一旦由于震動、碰撞等原因變形,只需加熱即可排除故障。在機械製造過程中,各種衝壓和機械操作常需將零件從一臺機器轉移到另一臺機器上,現在利用形狀記憶合金開發了一種取代手動或液壓夾具,這種裝置叫驅動汽缸,它具有效率高靈活,裝夾力大等特點。


生物醫療


用於醫學領域的 TiNi 形狀記憶合金,除了利用其形狀記憶效應或超彈性外,還應滿足化學和生物學等方面的要求,即良好的生物相容性。TiNi 可與生物體形成穩定的鈍化膜。在醫學上 TiNi 合金主要應用有:


(a)牙齒矯形絲 用超彈性 TiNi 合金絲和不鏽鋼絲做的牙齒矯正絲,其中用超彈性 TiNi 合金絲是最適宜的。通常牙齒矯形用不鏽鋼絲 CoCr 合金絲,但這些材料有彈性模量高,彈性應變小的缺點。為了給出適宜的矯正力,在矯正前就要加工成弓形,而且結紮固定要求熟練。如果用 TiNi 合金作牙齒矯形絲,即使應變高達10%也不會產生塑性變形,而且應力誘發馬氏體相變(stress-induced martensite)使彈性模量呈現非線型特性,即應變增大時矯正力波動很少。這種材料不僅操作簡單,療效好,也可減輕患者不適感。


(b) 脊柱側彎矯形 各種脊柱側彎症(先天性、習慣性、神經性、佝僂病性、特發性等)疾病,不僅身心受到嚴重損傷,而且內臟也受到壓迫,所以有必要進行外科手術矯形。目前這種手術採用不鏽鋼製哈倫敦棒矯形,在手術中安放矯形棒時,要求固定後脊柱受到的矯正力保持在30~40kg以下,一但受力過大,矯形棒就會破壞,結果不僅是脊柱,而且連神經也有受損傷的危險。同時存在矯形棒安放後矯正力會隨時間變化,大約矯正力降到初始時的30%時,就需要再進行手術調整矯正力,這樣給患者在精神和肉體上都造成極大痛苦。採用形狀記憶合金製作的哈倫頓棒,只需要進行一次安放矯形棒固定。如果矯形棒的矯正力有變化,以通過體外加熱形狀記憶合金,把溫度升高到比體溫約高5℃,就能恢復足夠的矯正力。


另外,外科中用 TiNi 形狀記憶合金製做各種骨連接器、血管夾、凝血濾器以及血管擴張元件等。同時還廣泛應用於口腔科、骨科、心血管科、胸外科、肝膽科、泌尿科、婦科等,隨著形狀記憶的發展,醫學應用將會更加廣泛。


建築結構


利用形狀記憶合金的偽彈性性能和動阻尼特性,形狀記憶合金被用於被動控制結構受地震影響,起到抗震的作用。應運於結構振動的主動阻尼控制等。


日常生活


(a) 防燙傷閥 在家庭生活中,已開發的形狀記憶閥可用來防止洗滌槽中、浴盆和浴室的熱水意外燙傷;這些閥門也可用於旅館和其他適宜的地方。如果水龍頭流出的水溫達到可能燙傷人的溫度(大約 48℃)時,形狀記憶合金驅動閥門關閉,直到水溫降到安全溫度,閥門才重新打開。


(b) 眼鏡框架 在眼鏡框架的鼻梁和耳部裝配 TiNi 合金可使人感到舒適並抗磨損,由於 TiNi 合金所具有的柔韌性已使它們廣泛用於改變眼鏡時尚界。用超彈性 TiNi 合金絲做眼鏡框架,即使鏡片熱膨脹,該形狀記憶合金絲也能靠超彈性的恆定力夾牢鏡片。這些超彈性合金製造的眼鏡框架的變形能力很大,而普通的眼鏡框則不能做到。


(c) 行動電話天線和火災檢查閥門 使用超彈性TiNi金屬絲做蜂窩狀電話天線是形狀記憶合金的另一個應用。過去使用不鏽鋼天線,由於彎曲常常出現損壞問題。使用TiNi形狀記憶合金絲行動電話天線,具有高抗破壞性受到人們普遍歡迎。因此常用來製作蜂窩狀電話天線和火災檢查閥門。火災中,當局部地方升溫時閥門會自動關閉,防止了危險氣體進入。這種特殊結構設計的優點是,它具有檢查閥門的操作,然後又能復位到安全狀態;這種火災檢查閥門在半導體製造業中得到使用,在半導體製造的擴散過程中使用了有毒的氣體;這種火災檢查閥也可在化學和石油工廠應用。


其它


在工程和建築領域用 TiNi 形狀記憶合金作為隔音材料及探測地震損害控制的潛力已顯示出來。已試驗了橋梁和建築物中的應用,因此作為隔音材料及探測損害控制的應用已成為一個新的應用領域。


隨著薄膜形狀記憶合金材料的出現和開發利用,形狀記憶合金在智能材料系統中受到高度重視,應用前景更廣闊。

(來源:材料科學與工程)


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