形状记忆合金模型的动作实验

1. 形状记忆合金模型的动作实验

2. 〈一〉实验目的 〈二〉形状记忆合金模型 〈三〉模型原理及实验方法 〈四〉思考题

3. 〈一〉实验目的 • （1）通过模型动作实验，使学生进一步加深对形状记忆合金基本性质和基本概念的理解。 • （2）通过模型动作实验，让学生知道形状记忆合金的动作（相变）、动作温度及记忆性能与吸放出的热量、化学成分、亚结构、金相组织和马氏体类型等是相互关联的，为使用下列仪器如热分析仪、能谱仪、扫描电镜、透射电镜、高性能金相显微镜及定量分析系统、显微硬度计、X射线衍射仪等大型精密仪器进行综合分析作好思想准备。 • （3）通过模型动作实验，然后以形状记忆合金为材料，使彼此孤立的实验最终相互联系起来，以体现知识的系统性、连贯性和综合性，将所学知识点全部综合起来有所升华，以达到本综合实验教学之目的。同时，又能使学生对分析测试的全过程有所了解。

4. 〈二〉形状记忆合金模型 • 形状记忆合金模型主要有以下一些： • 涡轮型热机，见图1； • 单边偏心曲柄型热机，见图2； • 双边偏心曲柄型发电热机，见图3； • 划水型热机，见图4； • 全程TiNi记忆合金花，见图5； • 双程CuZnAl记忆合金花，见图6； • 高温伸长的双程CuZnAl记忆合金弹簧，见图7； • 高温缩短的双程CuZnAl记忆合金弹簧，见图8； • 单程TiNi记忆合金簧，见图9；

5. 〈二〉形状记忆合金模型 • 食道支架及放送器，见图10； • 气管支架及放送器，见图11； • 胆道支架及放送器，见图12； • 血管支架及放送器，见图13； • 前列腺尿道支架，见图14； • 牙齿矫形弹簧LH12型拉簧； • 牙齿矫形弹簧LH12型推簧，见图15； • 记忆型NiTi牙弓丝，见图16； • 摇椅型NiTi牙弓丝，见图17。

6. 〈二〉形状记忆合金模型 图1 涡轮型热机 图2 单边偏心曲柄型热机 图3 双边偏心曲柄型发电热机

7. 〈二〉形状记忆合金模型 图4 划水型热机 图5 全程记忆合金花

8. 〈二〉形状记忆合金模型 图6双程记忆合金花 图7高温伸长的双程记忆合金簧 图8高温缩短的双程记忆簧

9. 〈二〉形状记忆合金模型 图9 单程TiNi记忆合金簧 图10食道支架及放送器 图11气管支架及放送器

10. 〈二〉形状记忆合金模型 图12胆道支架及放送器 图13 血管支架及放送器 图14前列腺尿道支架

11. 〈二〉形状记忆合金模型 图15 LH12型推簧 图16 记忆型NiTi牙弓丝图17 摇椅型NiTi牙弓丝

12. 〈三〉模型原理及实验方法 （1）涡轮型热机 用TiNiCu记忆合金丝作为传送带，利用形状记忆合金记忆恢复特性，借助温度差异，通过记忆合金的相变行为，在从动轮上产生力矩差，借助摩擦力驱使双轮转动，将热能转化为机械能的装置。以热水为热源，热水温度为65℃-85℃，操作时，需将黄铜轮底部的记忆合金丝浸入热水中，并赋予从动轮以惯性使之启动，则双轮即可连续转动。 （2）单边偏心曲柄型热机 用TiNiCu记忆合金丝做成弹簧，利用形状记忆合金记忆回复特性，借助记忆合金弹簧在不同温区（室温温度、热水温度）之间产生的力矩差驱使轮盘转动的装置。以热水为热源，热水温度为65℃-85℃，操作时，将热机置于热水容器中，使热水浸至轴心，则大、小双轮即可连续转动。

13. 〈三〉模型原理及实验方法 （3）双边偏心曲柄型发电热机 基本原理同偏心曲柄热机。采用皮带将大轮盘与发电机转子皮带轮相连，带动发电机发电。 （4）划水型热机 用TiNi记忆合金做成薄片片，利用记忆合金的双程记忆恢复特性，借助记忆合金片在热水中通过记忆恢复产生的划水动作，而在室温条件下又自动恢复，如此周而复始的驱动轮盘转动。以热水为热源，热水温度为65℃-75℃，操作时，仅将记忆合金片浸于热水中，热机即可连续转动。其动作变化情况见图18。

14. 〈三〉模型原理及实验方法 （a）没放入热水前(b) 放入热水后 (c)凉至室温后 图18划水型热机的动作变化情况

15. 〈三〉模型原理及实验方法 （5）全程TiNi记忆合金花 用TiNi记忆合金轧制成的薄片做成花瓣，利用TiNi记忆合金全程记忆恢复特性制成的记忆合金花，花蕾直径80mm，展开直径200mm，动作幅度为 -1800 -1800 。以热水或热风为热源，开放温度为65℃-85℃，闭合温度为室温。其动作变化情况见图19。 （6）双程CuZnAl记忆合金花 用CuZnAl形状记忆合金轧制成的薄片做成花瓣，利用CuZnAl形状记忆合金双程记忆恢复特性制成的记忆合金花，花蕾直径80mm，展开直径200mm，动作幅度为1800。以热水或热风为热源，开放温度为65℃-85℃，闭合温度为室温。其动作变化情况见图20。

16. 〈三〉模型原理及实验方法 (a) 放入热水前 (b) 放入热水后 (c) 得到一定回复后的形状 (d) 进一步回复后的形状 (e) 冷至室温后 图19全程TiNi记忆合金花的动作变化情况

17. 〈三〉模型原理及实验方法 （a）没放入热水前 (b) 放入热水后 (c)凉至室温后 图20双程CuZnAl记忆合金花的动作变化情况

18. 〈三〉模型原理及实验方法 （7）高温伸长的双程CuZnAl记忆合金弹簧。 该弹簧是用CuZnAl记忆合金丝绕制成的，利用了形状记忆合金的双程记忆效应，是一种随温度的变化可自行伸缩的感温驱动元件。这种簧充分展示了工业用形状记忆合金元件的典型结构形式。以热水或热风为热源，伸缩温度为80℃-95℃，自由状态即低温（室温）时为45mm，伸长状态即高温（80℃-95℃）时为200mm。其动作变化情况见图21。

19. 〈三〉模型原理及实验方法 （a）没放入热水前 (b) 放入热水后 (c)凉至室温后 图21高温伸长的双程CuZnAl记忆合金弹簧的动作变化情况

20. 〈三〉模型原理及实验方法 （8）高温缩短的双程CuZnAl记忆合金弹簧 该弹簧也是用CuZnAl记忆合金丝绕制成的，同样利用了形状记忆合金的双程记忆效应，亦是一种随温度的变化可自行伸缩的感温驱动元件。这种簧亦充分展示了工业用形状记忆合金元件的典型结构形式。 以热水或热风为热源，伸缩温度为65℃-85℃，自由状态即低温（室温）时为200mm，缩短状态即高温（65℃-85℃）时为100mm。其动作变化情况见图22。 （a）没放入热水前 (b) 放入热水后 (c)凉至室温后 图22高温缩短的双程CuZnAl记忆合金弹簧的动作变化情况

21. 〈三〉模型原理及实验方法 （9）单程TiNi记忆合金簧 该弹簧是用TiNi记忆合金丝绕制成的，利用了形状记忆合金的单程记忆效应，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。这种弹簧亦是工业用形状记忆合金元件的典型结构形式。 拉长后，以热水或热风为热源，回复原长的温度为65℃-85℃，原长为80mm。其动作变化情况见图23。 形状记忆合金的马氏体相（即低温时的相组织，此处所说的低温指室温）为软相，母相（即高温时的相组织，此处所说的高温即指65℃-85℃）为硬相。两相的硬度差别在该实验中用手就可明显地感觉到，请同学细心体验。

22. 〈三〉模型原理及实验方法 （a）未拉长 (b) 被拉长后 (c)放入热水后恢复原长 图23 单程TiNi记忆合金簧的动作变化情况

23. 〈四〉思考题 • 各种形状记忆合金模型的原理和实验方法是什么。 • 在这些形状记忆合金模型中，那些利用了形状记忆合金的单程记忆效应。 • 在这些形状记忆合金模型中，那些利用了形状记忆合金的双程记忆效应。 • 在这些形状记忆合金模型中，那些利用了形状记忆合金的全程记忆效应。 • 在这些形状记忆合金模型中，那些利用了形状记忆合金的相变伪弹性。 • 通过实验的亲自体验，形状记忆合金的马氏体相和母相在硬度上有无差别，差别是什么，与普通钢铁材料有什么区别。

24. 〈四〉思考题 • 试举一例，形状记忆合金做成什么元件，可以用于自动控制。 • TiNi记忆合金又是一种很好的生物材料，试举一例，TiNi形状记忆合金做成什么元件，可以用于临床医学。 • 形状记忆合金的动作（相变）、动作温度及记忆性能与吸放出的热量、化学成分、亚结构、金相组织和马氏体类型等有无关联。 • 要想知道形状记忆合金的动作（相变）、动作温度及记忆性能与吸放出的热量、化学成分、亚结构、金相组织和马氏体类型等之间的关联，是否还需使用热分析仪、能谱仪、扫描电镜、透射电镜、高性能金相显微镜及定量分析系统、显微硬度计、X射线衍射仪等大型精密仪器继续进行实验。

25. 〈四〉思考题 • 测量形状记忆合金的动作（相变）、动作温度，可以使用那些热分析仪器。 • 定量测量形状记忆合金在动作（相变）过程中吸收或放出的热量，可以使用什么热分析仪器。 • 形状记忆合金动作（相变）、动作温度的高低主要取决化学成分的含量。要测量化学成分的含量，可以使用那些仪器。 • 要观察形状记忆合金的金相组织，可以使用那些仪器。 • 要观察形状记忆合金金相组织的动态变化，可以使用那些仪器和手段。

26. 〈四〉思考题 • 要测量形状记忆合金组织变化前后的硬度变化，可以使用那些仪器和手段。 • 要观察形状记忆合金的微观亚结构，可以使用什么仪器。 • 要确定形状记忆合金的马氏体类型，可以使用什么仪器。 • 根据前面所讲的注意事项，形状记忆合金模型在使用过程中能否过度受力和变形，其使用温度能否过高。