仿生智能材料 (2)PPT资料.ppt

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,形状记忆高分子材料分类：

热致SMP：

在室温以上变形，并能在室温固定形变且可长期存放，当再升温至某一特定响应温度时，制件能很快回复初始形状的聚合物。

广泛用于医用器械、泡沫塑料、座垫、光信息记录介质及报警器等。

电致SMP:

是热致形状记忆功能高分子材料与具有导电性能物质（如导电炭黑、金属粉末及导电高分子等）的复合材料。

该复合材料通过电流产生的热量使体系温度升高，致使形状回复，所以既具有导电性能，又具有良好的形状记忆功能主要用于电子通讯及仪器仪表等领域，如电子集束管、电磁屏蔽材料等。

第3章智能材料,光致SMP：

是将某些特定的光致变色基团（PCG）引入高分子主链和侧链中，当受到紫外光照射时，PCG发生光异构化反应，使分子链的状态发生显著变化，材料在宏观上表现为光致形变；

光照停止时，PCG发生可逆的光异构化反应，分子链的状态回复，材料也回复原状。

该材料用作印刷材料、光记录材料、光驱动分子阀和药物缓释剂等。

第3章智能材料,化学SMP:

利用材料周围介质性质的变化来激发材料变形的形状回复。

常见的化学感应方式有pH值变化、平衡离子置换、螯合反应、相转变反应和氧化还原反应等。

该材料用于蛋白质或酶的分离膜;

“化学发动机等特殊领域。

第3章智能材料,SMP都具有两相结构，即由记忆起始形状的固定相和随温度变化能可逆地固化和软化的可逆相组成。

第3章智能材料,固定相:

聚合物交联结构或部分结晶结构，在工作温度范围内保持稳定，用以保持成型制品形状，即记忆起始态。

可逆相:

能够随温度变化在结晶与结晶熔融态或玻璃态与橡胶态间可逆转变，相应结构发生软化、硬化可逆变化-保证成型制品可以改变形状。

高分子材料形状记忆特性：

第3章智能材料,热致形状记忆过程如下：

医疗器材-固定创伤部位的器材,形状记忆高分子材料的应用1,第3章智能材料,代替传统石膏绷带用于创伤部位的固定材料。

将加工成创伤部位的形状，用热水或热风使其软化，施加外力为易装配的形状，冷却后装配到创伤部位，再加热则恢复到原形状，起到固定作用。

医疗器材-手术缝合线,形状记忆高分子材料的应用2,第3章智能材料,将具有生物降解性的形状记忆纤维的形状记忆温度设置在人体体温附近，用这种纤维制成的丝线可作为手术缝合线或医疗植入物。

由于该材料具有记忆功能，它能以一个松散线团的形式切入伤口，当其被加热到体温时，材料“记忆”起事先设计好的形状和大小，便会收缩拉紧伤口，待伤口愈合好后，材料自行分解，然后无害地为人体所吸收。

形状记忆高分子的应用3,异径管接合材料-热收缩管,第3章智能材料,包装材料变形物的复原，如紧固铆钉等,形状记忆高分子的应用4,第3章智能材料,第3章智能材料,3、形状记忆合金材料,具有形状效应的金属通常是由两种以上金属元素构成的合金。

形状记忆合金:

ShapeMemoryAlloys，SMA是具有形状记忆效应的合金，在一定的外力作用下可以改变其形态（形状和体积），但当温度升高到某一定值时，它又可完全恢复原来的形态。

这类合金可恢复的应变量达到7%-8%，对一般材料来说，发生这样的大变形量早就发生永久变形了。

第3章智能材料,合金的形状记忆效应实质上是在温度和应力的作用下，合金内部热弹性马氏体形成、变化、消失的相变过程的宏观表现。

这种热弹性马氏体不像Fe-C合金中的马氏体那样，在加热转变成它的母相（奥氏体）之前即发生分解，而是加热时直接转成它的母体。

热弹性马氏体冷却时马氏体长大，加热时马氏体收缩，热弹性马氏体的相变是可逆的，且相变的过冷度很小。

第3章智能材料,SMA与热致型SMP部分性能比较,

（1）SMA的形变量低，一般在10%以下，而SMP较高，形状记忆聚氨酯高于400%；

（2）SMP的形状恢复温度可通过化学方法调整，具体品种的形状记忆合金的形状恢复温度一般是固定的；

（3）SMP的形状恢复应力一般比较低，约为10-30，而SMA高于1471MPa；

（4）SMA的重复形变次数可达到104数量级，而SMP仅稍高于5000次，故其耐疲劳性不理想；

（5）SMP仅有单程记忆功能。

（6）SMP的成本低。

第3章智能材料,目前用量最大优点：

抗拉强度高、疲劳强度高、耐蚀性好、密度小、与人体有生物相容性缺点：

成本高、加工困难,缺点：

功能不如镍-钛系优点：

成本低、加工容易,缺点：

功能不如铜系优点：

具有价格竞争优势,常见的形状记忆合金,第3章智能材料,

（1）单程记忆效应合金在高温下制成某种形状，在低温相时将其任意变形，再加热后可恢复变形前的形状，而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。

形状记忆合金的记忆特性：

第3章智能材料,（a）未拉长,（b）被拉长后,（c）放入热水后恢复原长,单程TiNi记忆合金簧的动作变化情况,第3章智能材料,在拉长后，随着温度的升高可自行回复原长的感温驱动元件,

（2）双程记忆效应某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，即通过温度的升降自发可逆地反复恢复高低温相形状的现象。

第3章智能材料,（a）没放入热水前（b）放入热水后（c）凉至室温后双程CuZnAl记忆合金花的动作变化情况,第3章智能材料,（a）没放入热水前（b）放入热水后（c）凉至室温后高温伸长的双程CuZnAl记忆合金弹簧的动作变化情况,第3章智能材料,（a）没放入热水前（b）放入热水后（c）凉至室温后,高温缩短的双程CuZnAl记忆合金弹簧的动作变化情况,低温（室温）时为200mm，缩短状态即高温（65-85）时为100mm,第3章智能材料,（3）全程记忆效应加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应（只能在富Ni的Ti-Ni合金中出现）。

第3章智能材料,全程记忆效应（Ti-Ni51%,400时效100h）,四条互成45夹角的薄条带，在100开水中呈现结扎点在上的圆球形a，从开水中缓慢提起来时的形状b，在室温时变成近似直线c，浸泡在冰水中，反方向弯曲d，在干冰-酒精液中冷却到-40时，形状变成结扎点在圆球内部下方的与a相似的圆球形e，放入100水中，则又恢复成形状a。

第3章智能材料,已发现的形状记忆合金种类很多，可以分为Ti-Ni系、铜系、铁系合金三大类。

目前已实用化的形状记忆合金只有Ti-Ni系合金和铜系合金。

（1）工程应用形状记忆合金在工程上的应用很多，最早的应用就是作各种结构件，如紧固件、连接件、密封垫等。

另外，也可以用于一些控制元件，如一些与温度有关的传感及自动控制。

形状记忆合金应用,第3章智能材料,防烫伤阀在家庭生活中，已开发的形状记忆阀可用来防止洗涤槽中、浴盆和浴室的热水意外烫伤；

这些阀门也可用于旅馆和其他适宜的地方。

如果水龙头流出的水温达到可能烫伤人的温度（大约48）时，形状记忆合金驱动阀门关闭，直到水温降到安全温度，阀门才重新打开。

第3章智能材料,飞机的空中加油的接口处就是利用了记忆合金-两机油管套结后，利用电加热改变温度，接口处记忆合金变形，使接口紧密滴水（油）不漏。

自动的消防龙头-失火温度升高，记忆合金变形，使阀门开启，喷水救火。

第3章智能材料,将记忆合金制成在Af温度以上具有（a）所示形状铆钉，铆接时先将其冷却到Mf温度以下，这时合金处于完全的马氏体态很容易变形，略施加一点力将铆钉扳成（b）所示并插入铆钉孔（c），然后随温度回升到Af以上，铆钉回复到变形前的形状达到铆接的目的（d）。

TMs,TMf,TAs,TAf,马氏体开始形成温度Ms、终了温度Mf、母相转变开始温度As终了温度Af,第3章智能材料,

（2）医学应用利用Ti-Ni合金与生物体良好的相容性，可制造医学上的凝血过滤器、脊椎矫正棒、骨折固定板等。

利用合金的超弹性可代替不锈钢作齿形矫正用丝等。

第3章智能材料,NiTi合金丝制作了宇宙空间站的面积几百平米的自展天线-先在地面上制成大面积的抛物线形或平面天线，折叠成一团，用飞船带到太空，温度转变，自展成原来的大面积和形状。

1234,8765,（3）在宇航空间技术方面的应用,第3章智能材料,4、形状记忆陶瓷,20世纪60年底人们确认陶瓷材料也存在马氏体相变，一个著名的例子就是ZrO2陶瓷中的马氏体相变，这一相变现象可以使陶瓷材料具有形状记忆效应。

形状记忆陶瓷的机理可分为：

马氏体形状记忆陶瓷、铁电形状记忆陶瓷、粘弹性形状记忆陶瓷、铁磁性形状记忆陶瓷等。

第3章智能材料,随温度的变化纯ZrO2有三种晶型：

单斜晶系、四方晶系、立方晶系。

温度改变可以使四方相和单斜相之间发生可逆马氏体转变，四方向单斜转变有5的体积变化。

而且应力也可诱发四方向单斜的转变。

形状记忆陶瓷的应用：

制作金属管的密封外接套。

马氏体形状记忆陶瓷,第3章智能材料,形状记忆陶瓷应变小，但响应速度快；

而形状记忆合金应变大，但响应速度慢。

二者复合可制成形状记忆复合材料。

锆钛酸铅（Pb，La）（Zr，Ti）O3，PZT）陶瓷中添加稀土镧而获得的锆钛酸铅镧（PLZT）陶瓷，不但是一种优良的电光陶瓷，而且因其具有形状记忆功能，即体现出形状自我恢复的自调谐机制。

铁电形状记忆陶瓷,第3章智能材料,思考题,1、概念：

形状记忆效应,2、比较形状记忆合金与热致型形状记忆高分子材料、形状记忆陶瓷材料之间的性能。

3、根据记忆功能或化学组分的不同，形状记忆合金如何分类？

4、举例说明形状记忆高分子、形状记忆合金、ZrO2形状记忆陶瓷的应用。

第3章智能材料,海参有一个特性：

如果有谁用手去碰一下它柔软的身体，它就会一下变得象木头一样坚硬，但如果将它在手中紧捏一会，它就会慢慢地溶变成滑溜溜的液体从你手中逃走。

第3章智能材料,3.2智能高分子凝胶1、智能高分子凝胶的概念,其体壁的原始器官由高分子水凝胶组成，受到外界刺激会吸附钙离子，体壁变成韧性结构。

凝胶：

由三维网络结构的高分子化合物与溶剂组成的复合体系。

高分子在溶剂中溶胀并保持大量溶剂而又不溶解。

由于高分子化合物是一种三维网络立体结构，因此它不被溶剂溶解，但其亲溶剂的基团部分却可以被溶剂作用而使高分子溶胀。

液体被高分子网络封闭在里面，失去了流动性，因此凝胶能象固体一样显示出一定的形状。

第3章智能材料,第3章智能材料,当外界条件发生微小变化时，凝胶体积会随之发生数倍或数十倍的变化，当达到并超过某临界区域时，甚至会发生不连续的突跃性可逆变化，即体积相转变（高分子凝胶的特点）。

在高分子凝胶中出现相转变