智能驱动材料综述.docx

智能驱动材料综述.docx

《智能驱动材料综述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能驱动材料综述.docx（73页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

智能驱动材料综述

智能驱动材料综述

摘要：

材料的智能化是未来材料科学发展的重要趋势，而智能材料系统本身是一个范围很广，涉及众多学科领域的交叉综合研究领域。

本文从智能材料系统的概念引出了驱动材料的概念，对现今研究最多应用最广的几类驱动材料进行了分类并简述了相关的发展历程、工作原理和实际应用。

本文最后对智能驱动材料研究和应用中存在的问题进行了归纳，并对未来的发展进行了展望。

关键词：

智能材料驱动材料形状记忆材料压电材料电磁流变体电磁致伸缩材料智能高分子材料变色材料

1引言

20世纪50年代，人们提出了智能结构的概念，当时把它称为自适应系统（adaptivesystem），在智能结构的发展中人们越来越清楚的认识到智能系统的发展离不开一些特殊功能材料的研究与开发，于是智能材料的概念在20世纪80年代应运而生。

智能材料要求材料体系集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似生物材料那样的具有智能属性的材料，具备自感知、自诊断、自适应、自修复等功能。

智能材料来自于功能材料，根据功能材料在系统工作时发挥的作用可分为两类：

一类是对外界的刺激强度具有感知作用的材料，统称为感知材料，它们可以制作成各种传感器用于对外界的刺激或者系统工作状态进行信息采集；另一类是对外界环境条件或内部状态发生的变化做出响应的材料，这种材料可以制作成各种执行器。

智能材料正是利用上述材料制作成传感器和执行器，借助现代信息技术对感知的信息进行处理并把指令反馈给驱动器，从而灵敏恰当的做出反应。

很明显智能材料或智能系统是对生物智能的一种人工模仿，当然目前条件下这种模仿还远没有达到生物智能的水平。

智能系统的信息处理器类似于生物体大脑，可由微电子控制技术实现；智能系统的感知器就类似于生物体的神经元，它能对环境或者内部的刺激强度（如应力、应变、热、光、电磁、化学和辐射等）进行感知，目前用作感知器的传感材料形形色色，如声发射材料、电感材料、光导纤维、磁致伸缩材料、压电材料、形状记忆材料、电阻应变材料、光敏材料、湿敏材料、热敏材料、气敏材料等；智能系统的执行器类似与生物体的肌肉，它能在外界或内部状态变化时做出恰当的响应，这种响应可以是力、位移、颜色、频率、数码显示、信息存储等各方面的响应，目前常用作执行器的材料大致包括电流变体、磁流变体、形状记忆材料、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、压电材料和某些智能高分子材料等。

可以看出执行材料的种类要比感知材料少的多，因此，作为智能材料体系关键组元来说，执行材料的研究和开发是一项重要课题。

本文正是基于上述背景，对执行材料目前的研究状况和应用状况做出综述性的介绍，包括各类材料的工作原理、常用材料、现实应用和潜在应用等，并对现今执行材料研究和应用中出现的问题进行了归纳，对未来的发展进行了展望。

2智能驱动材料

从20世纪80年代人们提出智能材料概念以来，先后有一些学者对材料智能化的可行性进行了论证，此后的实践过程更是给我们展现了智能材料诱人的应用前景。

目前智能材料的研究已颇具规模，形成了相对明确的研究体系和研究方法。

我们模仿生物智能提出的材料智能化研究始终围绕着自感知、自诊断、自适应、自修复等S特性展开，随着研究方向的细化，此后分化出感知技术、驱动技术、控制技术三方面的研究（如图1所示）。

图1智能材料系统图2SMA马氏体相变曲线

驱动技术是智能结构实现形状或力学性能等自适应变化的核心问题，也是困扰结构自适应的一个瓶颈。

它的作用好比人体的运动系统，可以改变结构的形状、刚度、位置、固有频率、阻尼、摩擦阻力、流体流动速率、温度、电场和磁场等。

驱动元件是自适应结构区别于普通结构的根本特征，也是出初级形态走向高级形态的关键。

对驱动元件的要求如下：

与主体材料相容性好，具有较高的结合强度。

本身具有较好的机械性能，如弹性模量大、静强度和疲劳强度高、抗冲击等。

频率响应宽、响应速度快、激励后的变形量和驱动力大，且容易控制。

针对以上几点要求目前研究较多应用较广的驱动材料大致分为以下几类：

压电材料、形状记忆材料、电/磁致伸缩材料、电/磁流变体、某些智能高分子材料和变色材料，如下进行较为详细的介绍。

2.1压电材料

压电材料是一类具有压电物理特性的电介质。

压电效应表现为当某些电介质在一定方向上受到外力的作用而发生变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变，受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。

当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应；相反，当在电介质的极化方向上施加交变电场，这些电介质也会发生机械变形，电场去掉后，电介质的机械变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。

正压电效应是把机械能转换为电能，常用来制作传感器；逆压电效应是把电能转换为机械能，常用来制作驱动器。

2.1.1压电材料的发展和分类

1880年，居里兄弟发现了石英晶体存在压电效应后使得压电学成为现代科学与技术的一个新兴领域。

材料学及物理学的快速发展使得压电学无论在理论和应用上都取得了长足的进展。

第二次世界大战期间，磷酸二氢铵（ADP）、铌酸锂等压电晶体相继被研制出来。

1921年，J.Valasek发现了水溶性酒石酸钾钠具有压电性，并在该材料的介电性反常测试中人类历史性地第一次发现材料的铁电性。

1941-1949年间，科研人员发现钛酸钡陶瓷具有铁电性能。

1947年S.Robert发现BaTiO3的强压电效应，这一发现是压电材料发展史上的一次飞跃。

1954年美国Jaff等发现锆钛酸铅（PZT）陶瓷的具有良好的压电性能，PZT系固溶体在多形相界附近具有良好的压电介电性能，机电耦合系数近于BaTiO3陶瓷的一倍。

在以后的30年间，PZT材料以其较强且稳定的压电性能成为应用最广的压电材料，是压电换能器的主要功能材料。

PZT材料的出现使得压电器件从传统的换能器及滤波器扩展到引燃引爆装置、电压变压器及压电发电装置等。

由于以上几种基于PZT/PT研制的压电材料含有大量的铅，制造过程中容易对环境造成污染，国外科研人员开始研制无铅压电陶瓷，如K1-xNaxNbO3、SiBi4TiO16等，但由于无铅材料的机电耦合系数远不如含铅压电陶瓷，并且难以制造，故而无铅压电陶瓷的研制工作还很漫长。

1956年B.T.Mattias发现了三硫甘胺晶体的铁电性，为激光和红外技术的广泛应用开打下了坚实地基础。

1968年先后发现了硫化锌（ZnS），氧化锌（ZnO）等压电材料，这些半导体材料的压电性能较弱，有高电压低电流的特性。

早期主要应用于压敏电阻领域，近年随着微加工制造技术的发展，该类材料也开始在压电领域崭露头角。

1969年日本的Kawai发现了PVDF（聚偏二氟乙烯）以及聚偏二氟乙烯和聚偏三氟乙烯的共聚物的压电性能，PVDF及其聚合物是一化学性能稳定的柔性材料，成型性能良好、耐冲击、弹性柔软性好，可制造大面积薄膜。

其声阻抗与水接近，能很好的与水介质匹配，可用来制作频率较高的换能器以及宽频带水听器。

但其介电常数小、温度稳定性存在问题，这些缺点都限制着PVDF的应用。

20世纪90年代初，美国宾州州立大学在实验室成功地研制出了新型的弛豫铁电单PMNT和PZNT，其应变量为PZT陶瓷的10倍以上，达到1%~7%，机电耦合系数为92%以上，压电电荷系数达到2000pC/N以上。

单晶压电材料是材料学领域的一项重大突破，是新一代高效能电声、超声、水声换能器和微位移、微执行器的理想材料。

该材料已成为国际铁电学及压电器件领域的一个研究领域。

20世纪70年代末，科学家成功研制出了压电复合材料，压电复合材料是把聚合物高分子材料的可加工性和陶瓷的压电性结合起来制备的具有良好性能的复合材料。

压电复合材料集各相材料的优点于一体，既克服压电陶瓷自身的脆性，又避免聚合物的温度限制，具有驱动、传感等多种功能。

压电陶瓷作为压电活性材料，提供强压电效应，聚合物选用环氧树脂等高分子材料。

美国宾州州立大学材料实验室的Newnham等首先开展了这方面的研究工作，通过引入连通性要领研制出了一些性能优越的压电复合材料，促进压电复合材料的发展。

压电复合材料作为一种功能材料，其应用主要体现在压电性的应用方面，广泛用于水听器、脉冲－回声换能器、超声成像系统、智能传感器、医学超声、加速度传感器、振动和噪音控制等领域。

20世纪80年代研制开发出了玻璃陶瓷，这种材料没有陶瓷材料所固有的老化和极化问题，可制作高温环境下工作的换能器。

2.1.2压电材料的分类

根据压电材料的发展过程，可以将压电材料分为以下六类：

（1）单晶材料，如石英、磷酸二氢氨等；

（2）陶瓷材料，如锆钛酸材料、钛酸铅材料；（3）压电半导体材料，如氧化锌等；（4）高分子聚合物，如聚偏二氟乙烯等；（5）复合材料，如PZT/聚合物、PT/聚合物等；（6）玻璃陶瓷，如Li2Si2O5、Ba2TiSiO6等。

（1）压电单晶材料

为了开发压电材料的新应用，在石英晶体之后，人们又研制出了罗息尔盐、KDP、ADP、EDT、DKT和LH等多种压电晶体。

但是由于它们的性能往往存在某种或某些缺陷，例如罗息尔盐易水解等，所以随着人造石英的大量生产和压电陶瓷性能的提高，这些晶体现在大多已基本上不用了。

现在石英晶体仍是最重要，也是用量最大的振荡器、谐振器和窄带滤波器等频控元件的压电材料。

除了石英之外，性能好并且使用量大的压电晶体是铌酸锂（LiNbO3）和钽酸锂（LiTaO3），它们大量地用作SAW（声表面波）器件，例如SAW滤波器、振荡器、延迟线以及SAW相关器和卷积器等。

（2）压电陶瓷材料

如前所述，BaTiO3是最早发现的压电陶瓷，早在1949年日本就研究利用它的压电性设计鱼群探测器，其最大的缺点是谐频温度特性差但是用Pb和Ca等元素部分地取代BaTiO3中的Ba，可以改进BaTiO3陶瓷的温度特性，故在广泛使用PZT压电陶瓷的今天，仍有部分压电换能器采用改性的BaTiO3压电陶瓷像BaTiO3那样的单元系压电陶瓷，还有PbTiO3和PbZrO3等。

PbTiO3陶瓷是一种钙钛矿结构的材料，它具有居里温度高（490℃）、各向异性大（c/a=1.064）和介电常数小（ε=200）等特点。

另外，它的谐频温度特性也比较好，并且频率常数比PZT高，所以是一种很有前途的高温高频压电材料。

但是用常规方法很难获得致密的纯PbTiO3压电陶瓷，因为PbTiO3陶瓷烧结后，冷却到居里点（490℃）时易出现微裂纹，甚至破碎。

所以人们往往采用引入添加物的方法对其进行改性。

现在用Mn、W、Ca、Bi、La和Nb改性的PbTiO3陶瓷，都具有良好的压电性能，是生产高频压电滤波器的优良材料。

锆钛酸铅压电陶瓷简称PZT陶瓷，是压电陶瓷材料中用得最多最广的一种PZT的机电耦合系数高，温度稳定性好，并且有较高的居里温度（300℃）用Sr、Ca、Mg等元素部分地取代PZT中的Pb，或者是通过添加Nb、La、Sb、Cr、Mn等元素来改性，可以制成许多不同用途的PZT型压电陶瓷，如PZT-4PZT-5PZT-6PZT-7和PZT-8等PZT陶瓷的出现，是压电陶瓷发展史上新的里程碑，其大大提高了压电陶瓷的性能并扩大了其应用范围。

除了PZT之外，二元系压电陶瓷还有（Pb，Ba）NbO3（Na，K）NbO3和（Na，Cd）NbO3等，都是比较适用的压电材料.

PZT压电陶瓷不断改进，逐渐趋于完美。

以锆钛酸铅为基础，用多种元素改进的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生目前发展比较成熟的三元系如：

PMN-PZT、PMN-PZN-PT，四元系如：

PMN-PZN-PZT、PLN-PMN-PZT、PZN-PNN-PZT多元系压电陶瓷能够弥补低元系陶瓷性能单一的缺陷，具备压电、介电和机械性能比较全面的优点，应用领域更加广泛、大功率压电陶瓷材料是以高机械品质因数（Qm）机电耦合系数（Kp）和低介电损耗（tanδ）等为特征的综合性能优越的压电陶瓷，在近些年成为压电陶瓷材料领域里研究的热点之一。

（3）压电半导体材料

近年来出现了多种压电半导体,如硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、氧化锌（ZnO）和硫化镉（CdS）等，这些压电材料的显著特点是既具有压电效应，又具有半导体特性，有利于将原件和线路集成于一体，从而研制出新型的集成压电传感器测试系统。

（4）压电高分子聚合物

压电高聚物的发展已经有三四十年的历史，自居里兄弟在石英晶体中发现压电性后，人们相继在无机物内发现了大量天然和人工的压电单晶、陶瓷及薄膜，而突破无机物领域在有机物体上发现压电性能最早出现在Briain（1924）的论文中。

Briain研究了包括硬橡皮、赛璐珞等各种绝缘材料的压电性。

1965年Harris和Allison等实现了塑料的冲击感应极化，随后对生物高分子压电性的研究日益广泛很多人曾对木头、丝、骨头、肌肉等以及核糖核酸（RNA）脱氧核糖核酸（DNA）进行了研究，发现其具有一定的压电性。

Peterlin等在1967年观察了滚延聚偏氟乙烯（PVDF）的ε值，也确认了它的压电性。

以PVDF为代表的压电高聚物薄膜压电性强、柔性好，特别是其声阻抗与空气、水和生物组织很接近，因此PVDF在许多技术领域都有适用性，特别是用它制作用于液体。

生物体及气体的换能器，可获得比用其它压电材料制作的换能器更好的阻抗匹配。

用PVDF材料可制成各种换能器，如微音器、耳机和扬声器等声换能器；用于固体、液体和气体的超声换能器。

医用换能器和开关器件等；PVDF有机压电薄膜还具有相当优良的热电性，使其在这一领域也能发挥作用。

如今，PVDF及其它高聚物已作为一种极有前途的新型压电材料而制成各种电器元件，开始向科技和产业方向拓展。

（5）压电复合材料

PZT压电陶瓷作为很好的换能器材料已经有30多年的历史，BaTiO3作为优良的高介材料几乎达40年之久磁性材料和半导体材料都有类似的趋势。

对一些化合物的深入研究表明，改变掺杂元素的方法，不可能大幅度改进和提高材料的性能。

于是人们采用不均质的陶瓷材料和精确控制材料的多相性来改进单相材料的某些性能。

压电复合材料有多种复合方式。

就结构来说，有混合状、层状、梯形和蜂窝形；就材料来说，有PZT/聚合物、PZT/PZT（两种PZT的组分不同）、PZT（致密）/PZT（多孔）/PZT（致密）以及其它压电材料与聚合物的复合材料等。

利用复合技术不仅能提高材料的压电性能、热电性能，还能提高材料的耐压性以及抗去极化性。

当前，压电复合材料有两个发展趋势：

其一是开发连接类型压电复合材料。

按压电陶瓷相和聚合物相在复合材料中的分布状态，可将压电复合材料分成10种连接类型。

为了实际应用和器件的小型化，一些混合连接类型和新连接类型的复合材料被开发出来；其二是改进成型工艺。

成型工艺直接影响压电复合材料的性能，所以探测新工艺是压电复合材料研究的一个重要方面。

脱模法、注模成型法、遗留法、层压法、纤维编制法、共挤法等可以获得精度在50~100μm甚至20μm左右的精细结构，为生产更精密的压电复合材料提供了可能。

美国国家航空航天局（NASA）的Langley研究中心研发了一种智能型压电纤维复合材料MacroFiberComposite（MFC）。

图3为SmartMaterials公司生产的MFC的外观图。

该公司生产的MFC具有d33效应（P1型，沿电场方向伸长）或d13效应（P2、P3型，沿电场方向压缩）。

图4为其逆压电效果示意图。

图3SmartMaterial公司生产的MFC产品外观图

图4MFCd13效应和d33效应示意图

MFC是由矩形截面的压电纤维（Rectangular-Piezofibers）与交叉电极（Interdigitated-Electrodes）相互胶合而成。

其矩形截面的压电纤维克服了环氧树脂容易进入圆截面纤维和电极之间的不利影响，使压电纤维与指叉电极有充分大的接触面积，因此显著地提高了外加电场的利用效率，与传统的压电陶瓷、压电纤维复合材料相比，MFC在特定的方向上具有更高的驱动性能和更灵敏的传感性能，同时其驱动效率是传统压电陶瓷材料的两倍。

加之MFC具有压电纤维复合材料的所有优点：

极佳的挠性、良好的耐用性、较高的机电耦合系数，因此，MFC的应用前景十分广阔。

图5MFC压电复合材料组成示意图

（6）压电玻璃陶瓷

最近，通过使化学计量组成的玻璃在某一温度梯度条件结晶的方法制成了几种属于极性压电材料的破璃陶瓷（它们是焦硅酸锂、钛酸锗钡和钛酸硅钡）。

这些玻璃陶瓷由于高度的结晶化和极性排列而显示出很高的压电和热电效应。

玻璃陶瓷压电元件有几个性能参数分别优于各自的单晶压电元件。

而且，玻陶璃瓷较容易制造，其性能受杂质的影响没有单晶那么明显。

还可以通过结晶大面积破璃样品简便地制造出大面积的元件。

2.1.3.压电材料的发展方向

压电材料作为机、电、声、光、热敏感材料，在传感器、换能器、无损检测和通讯技术等领域已获得了广泛的应用，世界各国都高度重视压电陶瓷材料的研究和开发。

目前压电材料国内外主要研究和开发的热点主要有以下几方面：

（1）弛豫型铁电单晶

近年来，对弛豫型铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅（1-x）Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-xPbTiO3（缩写为PMN-PT）的研究非常引人关注。

弛豫铁电体（1-x）Pb（B1B2）O3-xPbTiO3（B1=Mg，Zn，Ni，Fe，Sc，In；B2=Nb，Ta，W）是具有复合钙钛矿结构的二元固溶体。

弛豫型铁电单晶材料具有高的d33、g33、k33、ε33T和较低的电损耗，可用于高效率发射和高灵敏度接收水声换能器，大大提高水听器和鱼雷探测器的探测距离，提高国防能力，另外它还可以应用在大应变的驱动器、微位移器、机器人等场合弛豫型铁电单晶材料批量生产的成功必将带来压电材料应用的飞速发展。

（2）高居里温度压电陶瓷

压电材料的应用领域中包括冶金、航天航空、石油化工等工业和科研部门，应用于这些地方的材料要求具有较高的居里点，而PZT基压电陶瓷的居里温度一般只有300-600℃，无法满足要求，故需要研制高居里点且压电性良好的压电陶瓷。

目前此类陶瓷的研究热点主要是BiScO3-PbTiO3（BSPT）、碱金属铌酸盐和具有非钙钛矿结构的偏铌酸铅三种体系。

表1（1-x）BiScO3-xPbTiO3体系陶瓷的压电性能

表中BSPT体系在MPB处的居里温度达到了450℃，具有较高的介电和压电性能。

表中高出PZT近100℃的居里点使得BSPT材料可以应用于更高的温度环境。

碱金属铌酸盐铁电材料在高温下具有一定的流动性，影响了该材料的压电性能，2004年科学家们成功制备了居里点在450℃的（1-x）LiNbO3-x（Na,K）NbO3体系陶瓷，并使之成为高居里温度陶瓷的又一研究热点。

纯的PZT材料的Qm和Kp是一对相互制约的因素，一个高，另一个必然低。

所以目前在大功率压电材料的研究领域中，研究者的目光大都集中在碲锰酸铅（PMS）、铌锰酸铅（PMN）、铌锌酸铅（PZN）等组元和PZT组成的三元、四元和多元系的研究上。

具有非钙钛矿结构的偏铌酸铅的居里温度高达570℃，且具有经受接近居里点的高温而不会强烈的去极化，对静水压有较高的响应，机械品质因素特别低等优点，特别适用于制作宽带、耐高温高静水压的换能器。

（3）压电复合材料

压电复合材料是指由压电陶瓷和聚合物按一定的连通方式、一定的体积或质量比，以及一定的空间几何分布复合而成的材料。

压电复合材料比原来的单相材料要复杂，物理性能方面的相加性、综合性和乘积性弥补了单相材料的不足。

已开发研制的压电复合材料有0-3型、1-3型、2-2型、3-3型等一系列压电复合材料，其结构由简单到复杂。

压电复合材料是为了满足水听器的性能要求而发展起来的，目前主要用于大面积水听器基阵，水下接收和发射单元等器件。

现今压电复合材料的研究成果丰硕，但存在以下问题：

极化处理工艺、复合材料在较高压力下的退极化问题、压电复合材料除外的其他耦合模式开发与应用、压电陶瓷相压电性能的提高、压电复合材料理论模型的进一步完善和应用研究。

若要大幅度提高材料的性能或在提高材料性能方面有一个创造性地突破，就必须不局限于两相材料的研究，提出具有创新的要领和新思想，才有可能获得新的突破。

（4）三元及多元系压电陶瓷

PZT压电陶瓷不断改进，逐趋完美。

以锆钛酸铅为基础，用多种元素改进的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。

目前发展得比较成熟的有三元系如：

PMN-PZT、PMN-PZN-PT，四元系如:

PMN-PZN-PZT、PLN-PMN-PZT、PZN-PNN-PZT。

多元系压电陶瓷具有以下优点：

能弥补低元系陶瓷性能单一的缺陷，具备压电、介电和机械性能比较全面的优点，应用领域更加广泛。

在近些年，大功率压电材料以高机电耦合系数，高机械品质因数和低介电损耗成为压电陶瓷材料领域里的又一研究热点。

大功率压电陶瓷从成分来说都是以PZT为基体，弛豫铁电复合体作为改性组元来调整其性能。

同时大量研究也表明，各种弛豫铁电体与PZT陶瓷相组合，以及对这种系统的压电陶瓷进行离子置换和掺杂改性，可获得高介电。

高压电性能的材料，这使得压电陶瓷的研究前景更为广阔。

（5）无铅压电陶瓷

目前所用的压电陶瓷绝大部分为铅基压电陶瓷。

近年来，随着环境保护和人类社会可持续发展的要求，发展环境协调性材料（绿色材料）及技术是材料发展的趋势之一。

目前对BaTiO3、钛酸铋钠（BNT）、铋层状结构以及铌酸盐四大类无铅压电陶瓷体系进行了大量的研究和开发工作。

但总体上讲，无铅压电陶瓷的性能与铅基压电陶瓷相比，还存在较大的差距，要获得与铅基压电陶瓷性能相近的无铅体系，还需要进行大量深入的研究工作。

2.2形状记忆材料

早在1938年美国哈佛大学Greninger等就在CuZn合金中发现了热弹性马氏体，但是直到1963年美国的海军武器实验室的Buehler等在近等原子比TiNi合金中发现了形状记忆效应后，形状记忆合金才开始引起人们的广泛关注。

随后在Cu基、Fe基合金，甚至在陶瓷和聚合物材料中都发现了类似的形状记忆效应，1996年K.Ullakko等发现的

合金则开启了磁控形状记忆材料研究的大门。

发展到今天形状记忆材料已经形成了相对较大的一个门类，我们习惯上将它分为形状记忆合金（SMA）、形状记忆陶瓷（SMC）、形状记忆聚合物（SMP）和磁控形状记忆合金（MSMA）这几类。

他们的形状记忆效应产生的原理有所不同，在具体的形状记忆性能上也各有千秋，目前形状记忆材料已广泛的应用的航空航天、能源、医药、自动化等行业。

2.2.1形状记忆材料记忆原理

（1）形状记忆合金

形状记忆合金（SMA）的形状记忆效应来源于合金中发生的热弹性或应力诱发马氏体相变。

许多形状记忆合金中存在两种不同的结构状态：

高温时为奥氏体相（P），是一种体心立方晶体结构的CsCl结构；而低温时称为马氏体相（M），是一种低对称性的单斜晶体结构。

当母相奥氏体冷却到低于Ms点温度时，即转变成了马氏体。

通过多晶和单晶Cu-Zn合金的实验发现，相变时，马氏体通常围绕母相的一个特定位相形成4种变体，合称为一个“马氏体片群”，变体的惯析面以这一特定位相对称排列。

在光学显微镜下采用偏振光观察，每个马氏体片群具有四种不同的颜色，这表征各个变体的相位不同。

之所以形成这种结构，是因为每片马氏体形成时，在其周围的基体中造成了一定位向的应力场，变体欲沿着这个方向长大就很困难。

如果有另一个马氏体变体在此应力场中形成，他将沿阻力最小的取向生长，使应变能降低。

宏观上看，由4种变体组成的片群的总应变能趋近于零，此即称为“马氏体相变的自适应现象”。

在外力作用下，形状记忆合金可以把马氏体相变自适应相互抵消的