材料化学研究方法结课论文.docx

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材料化学研究方法结课论文

目录

引言

1、形状记忆材料的概念

二、形状记忆材料的分类

三、形状记忆材料的发展史

1、神奇的合金——形状记忆合金（Shape Memory Alloy ,SMA） 

发现过程：

记忆合金的记忆过程：

形状记忆合金机理：

2、形状记忆高聚物材料

形状记忆机理：

形状记忆效应:

工业应用：

一个流程图：

3、形状记忆陶瓷

氧化锆陶瓷的基本结构与相变：

氧化锆陶瓷的形状记忆效应:

4、分析、总结和感想

5、参考文献

注：

行文附若干“随时思考”，是我对每一次进展与科学研究或材料化学研究方法之关系的思考。

其中：

楷体是引用内容，宋体是自己叙述的内容。

引言

在这学期的研究性教学中，我进行了形状记忆材料的自学。

通过查阅，我发现现在对形状记忆材料进行系统梳理的基础性文献资料可谓凤毛菱角，大多数资料只是针对形状记忆合金的介绍，鲜少涉及形状记忆高分子和形状记忆陶瓷。

很多同学在学习过程中甚至把形状记忆高分子材料和形状记忆合金相混淆。

通过材料化学研究方法这门课的学习，我认识到：

科学已不只是事实或规律的知识单元，而是由这些知识单元形成的一个多层次体系。

整理知识和创造知识是不可分割的，都是科学研究的重要组成部分。

从事科学研究的人不仅应该是知识的发现者，更应该是知识的综合者。

因此我决定尽己所能，借由这次课的机会，以收集到的文献和一些著作为基础，对形状记忆材料的相关知识进行体系内的浅层次归纳总结，以供初学者和专业外感兴趣人士的参阅学习。

同时通过人们发现、深入研究、广泛应用形状记忆材料的过程来揭示它的每一次进展与材料化学研究方法之间的关系。

自上个世纪以来，形状记忆材料独特的性能引起了人们极大的兴趣。

由于形状记忆材料具有形状记忆效应、高回复形变、良好的抗震性和适应性等优异性能，它的发展越来越受到重视。

什么是形状记忆材料，它的大类有哪些，它的形变机理和效应是什么，它到底是怎么被人们一步步研究利用的？

带着这些疑问我开始了自己对形状记忆材料的探索和归纳。

一、形状记忆材料的概念

形状记忆材料（shapememorymaterials，简称SMM）是指具有一定初始形状的材料经形变并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物理剌激或化学剌激的处理又可恢复成初始形状的材料。

对比它和形状记忆合金概念可以发现，从字面上它仅仅是将合金改为材料，但是从实质上看，这一定义建立在进一步的深入研究之上，它以开放的姿态迎接任一符合条件的材料，这代表着科研视角的扩大，同时也是实验科学与理论科学的完美衔接。

2、形状记忆材料的分类

形状记忆合金

高聚物

陶瓷

我们在这里看到了形状记忆家族的另两位成员，在性能上，它们与这一家族的嫡长子——形状记忆合金相比毫不逊色，甚至因为其独特的性质，在很多方面的表现十分优秀。

尤其是形状记忆高分子材料，由于其优秀的生物相容性和可降解性成为医药化学和绿色化学界的新宠。

3、形状记忆材料的发展史 

（1）最神奇的合金——形状记忆合金（Shape Memory Alloy ,SMA） 

发现过程：

1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。

1938年。

当时美国的在Cu-Zn合金小发现了马氏体的热弹件转变。

随后，前苏联对这种行为进行了研究。

1951年美国的Chang相Read在Au47·5Cd（％原子）合金中发现了形状记忆效应。

这是最早观察到金属形状记忆效应的报道。

数年后，Burkhart 在In-Ti 合金中观察到同样的现象。

随时思考：

然而在当时，这些现象的发现只被看作是个别材料的特殊现象而未能引起人们足的兴趣和重视。

形状记忆材料的研究之所以会在此停止十余年，原因很多，但我觉得这中间涉及到一个被忽略的“研究方法”——好奇心的作用。

好奇心会引发探索的欲望，会促进提问的积极性，会储存研究的力量。

好奇心是科研持续进行的推动力。

如果发现这种现象的科研人员有足够的好奇心，对形状记忆材料的研究将会持续被进行下去。

另外，就是“判断”——对研究对象有所断定的一种思维方式的错误。

错误的判断——“只被看作是个别材料的特殊现象”也是研究不断深入的天敌。

直至1962年，美国海军机械研究所的一个研究小组从仓库领来一些镍钛合金丝做实验。

在试验过程中，他们发现，当温度升到一定的数值时，这些已经拉直的镍钛合金丝突然又恢复到原来的弯曲状态，他们是善于观察的有心人，又反复做了多次试验，结果证实了这些细丝确实具有"记忆"。

发现了Ni-Ti合金中的的形状记忆效应，才开创了“形状记忆”的实用阶断。

美国海军研究所的这一发现，引起了科学界的极大兴趣，大量科学家对此进行了深入的研究。

发现铜锌合金、铜铝镍合金、铜钼镍合金、铜金锌合金等也都具有这种奇特的本领。

人们可以在一定的范围内，根据需要改变这些合金的形状，到了某一特定的温度，它们就自动恢复到自己原来的形状，而且这“改变--恢复”可以多次重复进行，不管怎么改变，它们总是能记忆自己当时的形状，到了这一温度，就丝毫不差地原形再现。

人们把这种现象叫作形状记忆效应，把具有这种形状记忆效应的金属叫作形状记忆合金，简称记忆合金。

随时思考：

从形状记忆合金发现这一故事，我们发现了另一种科研必备的素质——“善于观察”。

是的，在科学研究中，只有善于观察总结的科研人员才能发现其他人看不到的现象，创造意想不到奇迹。

从另一方面来讲，人们制造放大镜、普通显微镜乃至扫描隧道显微镜，无一不是为了发现一般人看不到的东西，可是，如若科研人员不具备这一素质，空有这些精密的仪器又有何用？

目前为止,应用得最多的是Ni2Ti 合金和铜基合金（CuZnAl 和CuAlNi） 。

1969年，美国一家 公司首次将Ni-Ti合金制成管接头应用于美国F14 战斗机上。

1970年，美国将Ti-Ni记忆合金丝制成宇宙飞船用天线。

这些应用大大激励了国际上对形状记忆合金的研究与开发。

20世纪70 年代，相继开发出了Ni-Ti 基、Cu-Al2-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，由于其成本低廉、加工简便而引起材料工作者的极大兴趣。

从20世纪90 年代至今，高温形状记忆合金、宽滞后记忆合金以及记忆合金薄膜等已成为研究热点。

从形状记忆合金的发现到现在已有四十余年历史，美国、日本等国家对SMA 的研究和应用开发已较为成熟，同时也较早地实现了SMA 的产业化。

中国从上世纪70 年代末才开始对SMA 的研究工作，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公认，在应用开发上也有一些独到的成果。

随时思考：

这几十年对形状记忆合金的研究和运用较为连贯，我觉得与现在的“缩短科研和实用的间断期”这一理念有关。

现代的科学研究越来越注重科研与实用的关系，支持科为实用。

这是一个好的开始，这不仅会使科研人员更有探索的动力，还会使科研创造社会财富的周期缩短。

我想大家对此都会喜闻乐见。

记忆合金的记忆过程：

记忆合金由于是不同种类的结构元相互掺和均布，尽管结构元的个子、电磁力的大小不同，但各自都加快了自身的价和运转，在一定的温度条件下相邻相安。

在受到外力后，电磁力受到外力的干扰，价和电子的运转平面作出微量角度调整，物体产生塑性变形，在此塑性变形中，部分调整后的价和电子的运转是不舒展的。

当温度条件变化时价和电子的速率随之变化，当温度回复到相安舒展的（转变温度）条件时，不舒展的价和电子的运转立即回复到当时的速率，电磁力随之发生变化，使相邻结构元的价和运转也都作出相应的调整，全部回复到原来的舒展状态，于是整个物体也都回复到了原来的状态。

我通过查到的文献发现，迄今为止，形状记忆合金在空间技术、医疗器械、机械器具、电子设备、能源开发、汽车工业及日常生活各方面都得到了广泛的应用，按使用特性的不同，可归纳为自由回复、强制回复、动力装置、精密控制、超弹性应用几类。

我不愿在此赘笔一一介绍，有兴趣的话可自行查阅。

形状记忆合金机理：

从上面形状记忆合金的机理，我们知道其各种功能均依赖于马氏体相变，需要不断对其加热、冷却及加载、卸载，而且材料变化具有迟滞性，这就大大限制了材料的应用。

但是，科研的视角是广阔的，在SMA的研究蓬勃发展的同时，对另一种形状记忆材料——形状记忆高分子材料的研究也越来越被科研人员所重视。

此外对“形状记忆陶瓷”的研究也当仁不让。

（2）形状记忆高聚物材料

形状记忆高聚物作为一种功能性高分子材料，是高分子材料研究、开发、应用的一个新分支，由于形状记忆高分子与纺织材料具有相容性，在纺织、服装以及医疗护理产品中具有潜在应用优势。

随时思考：

我认为对形状记忆材料多触角的研究源于科学研究的另外两个素质——“推理”和“想像”。

推理：

有一个或若干个判断过渡到新的判断的思维方式。

想象：

反复思考一个问题。

任自己的思想在脑海中自由运行。

这两个素质是科学研究的翅膀。

推理开辟路径，想象拓展空间，科研人员正是用它们创造了研究领域的阿里巴巴。

形状记忆机理：

形状记忆效应:

工业应用：

与形状记忆合金相比较而言，形状记忆高分子材料的研究历史不长，但由于其具有质轻价廉、形变量大、成形容易、形状回复温度便于调整等优点，目前已在医疗器材、包装材料和汽车等领域广泛应用。

它们在纺织服装方面的应用，既可以纺丝以赋予纱线记忆功能（如日本开发的聚氨酯弹性纤维），也可以作为织物涂层剂进行功能性涂层，对织物进行形状记忆整理。

随时思考：

看到形状记忆高分子材料的记忆效应，我突然想到了关于苯环发现流传甚广的故事：

据说德国的化学家凯库勒因为对某一种物质的结构式未搞清楚而非常烦恼。

1865年的晚上，他梦见了一幅蛇咬自己尾巴的图，因此而发现了苯环的结构，而延续到如今的凯库勒式。

这与其说是巧合，不如说是化学家的直觉。

直觉：

对研究情况的一种突如其来的领悟和理解。

我觉得对科学崭新的研究绝非一项技术，它更贴近一种自然艺术，是对未知的礼赞。

一位优秀的科研人员应当具有科研直觉，那是毕加索每一次握笔双眸迸发的儿童般的好奇所衍生而来的直觉。

这样，科研将会是多么有趣的故事！

一个流程图：

随时思考：

这是我在文献中截取的一个研究小组的工作流程图。

我觉得这个流程图非常能体验科研中“以人为本”的理念。

首先完善严谨的工作流程体现了追求真理的事业心和循序渐进的平常心，而多层次的研究说明的是难以满足的好奇心，多项测试展现了坚持不懈的进取心和服从事实的宽广胸怀。

这是一个负责任的科研人员所应该具备的素养。

（3）形状记忆陶瓷

氧化锆陶瓷的基本结构与相变：

ZrO2有三种晶型：

按温度由高到低：

立方晶系、四方晶系（t相）、单斜晶系（m相）．

相变过程：

　　　　　　　2715℃　　　　2370℃　　　　　1170℃　　　　　　　　　液体ZrO2　　立方ZrO2　四方（t相）ZrO2　　单斜（m相）ZrO2　　　

可逆马氏体相变：

t相<=>m相（相变温度为1170℃）

应力可诱发马氏体相变：

t相→m相．

但马氏体相变：

t相→m相，伴随有约5％的体积变化，由于体积效应太大，试样很易开裂．

氧化锆陶瓷的形状记忆效应:

在PSZ和TZP中都可能获得形状记忆效应．

应力诱发马氏体相变实现形变过程：

第一步：

在室温下施加应力，试样先发生弹性变形，接着在近乎恒定的应力下发生流变．

第二步：

卸载，卸载后弹性变形消失而塑性变形被保留下来．

第三步：

加热到Af以上，试样从60℃开始逆转变，到200℃逆转变结束，随逆转变的完成，变形也随之消失．

随时思考：

与形状记忆合金相比，陶瓷形状记忆效应不是很出色，而