智能薄膜材料课件

一、一、智能材料的基本概念智能材料的基本概念材料的发展和应用历史材料的发展和应用历史：材料科学的发展演化过程材料科学的发展演化过程智能材料是继天智能材料是继天然材料、人造材然材料、人造材料、精细材料之料、精细材料之后的后的第四代功能第四代功能材料材料。智能材料定义：智能材料定义：-(Intelligent material，Smart material)是一种是一种能从自身的表层或内部获取关于环境条件及其变化能从自身的表层或内部获取关于环境条件及其变化的信息，并进行判断、处理和作出反应，以改变自的信息，并进行判断、处理和作出反应，以改变自身的结构与功能，并使之很好地与外界相协调的具身的结构与功能，并使之很好地与外界相协调的具有自适应性的材料系统。有自适应性的材料系统。智能材料需具备的内涵：智能材料需具备的内涵：（1）具有具有感知功能感知功能，能够检测并且可以识别外界（或，能够检测并且可以识别外界（或者内部）的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化者内部）的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等；学、核辐射等；（2）具有具有驱动功能驱动功能，能够响应外界变化；，能够响应外界变化；（3）能够按照设定的方式能够按照设定的方式选择和控制响应选择和控制响应；（4）反应比较灵敏、及时和恰当；反应比较灵敏、及时和恰当；（5）当外部刺激消除后，）当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。能够迅速恢复到原始状态。智能材料必须具备智能材料必须具备感知、控制感知、控制和和驱动驱动三个基本三个基本要素。要素。智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构成一个智能材料系统。成一个智能材料系统。智能材料的基本结构智能材料的基本结构：智能材料不是一种单一的材料，而是一个由多种材料智能材料不是一种单一的材料，而是一个由多种材料组元通过有机紧密复合或严格地科学组装而构成的材组元通过有机紧密复合或严格地科学组装而构成的材料系统，是一种智能机构。料系统，是一种智能机构。传感器传感器执行器执行器控制器控制器智能机构智能机构材料自身材料自身能够探测能够探测到外部环到外部环境状态的境状态的变化变化能够自动能够自动地执行改地执行改变材料状变材料状态的指令态的指令能够对探测到的外部环境的变化作出判断，能够对探测到的外部环境的变化作出判断，并给出相应的改变材料状态的指令并给出相应的改变材料状态的指令一一、形状记忆合金形状记忆合金：具有形状记忆效应的金属，通常是由具有形状记忆效应的金属，通常是由2种以上的金种以上的金属元素构成的合金，故称为属元素构成的合金，故称为形状记忆合金形状记忆合金(Shape Memory Alloys，简称，简称SMA)。形状记忆合金的发现：形状记忆合金的发现：2020世纪世纪6060年代初，美国马里兰州海军军械研究所的年代初，美国马里兰州海军军械研究所的科学家比勒，用镍钛合金丝做试验。这些合金丝弯科学家比勒，用镍钛合金丝做试验。这些合金丝弯弯曲曲，为了使用方便，他把这些合金丝弄直了。弯曲曲，为了使用方便，他把这些合金丝弄直了。但是，当他无意中把合金丝靠近火的时候，奇迹发但是，当他无意中把合金丝靠近火的时候，奇迹发生了：已经弄直的合金丝居然完全恢复了它们原来生了：已经弄直的合金丝居然完全恢复了它们原来弯弯曲曲的形状。弯弯曲曲的形状。形状记忆效应可分为形状记忆效应可分为3种类型：种类型：单程形状记忆效应单程形状记忆效应双程形状记忆效应双程形状记忆效应全程形状记忆效应全程形状记忆效应 形状记忆效应机制示意图形状记忆效应机制示意图原子排列面的切应变原子排列面的切应变结构相同，位相结构相同，位相不同的马氏体不同的马氏体变体界面移动，变体界面移动，相互吞食相互吞食变形前后变形前后M结构未变结构未变形状记忆合金晶体结构变化模型形状记忆合金晶体结构变化模型形状记忆合金的特性形状记忆合金的特性形状记忆效应形状记忆效应高阻尼特性高阻尼特性 超弹性效应超弹性效应 形形状状记记忆忆合合金金特特性性弹性模量随温弹性模量随温度变化特性度变化特性 电阻特性电阻特性 合金能记忆它在高温奥氏体下的形状，合金能记忆它在高温奥氏体下的形状，低温时的塑性变形通过高温加热恢复低温时的塑性变形通过高温加热恢复形状形状 合金在外力作用下产生远大于其弹性极合金在外力作用下产生远大于其弹性极限应变量的应变，在卸载时这种应变得限应变量的应变，在卸载时这种应变得以自动恢复的现象以自动恢复的现象 处于马氏体奥氏体混合状态下的处于马氏体奥氏体混合状态下的SMA阻阻尼性能最好，全马氏体态次之，全奥氏尼性能最好，全马氏体态次之，全奥氏体状态阻尼性能最差体状态阻尼性能最差 电阻率随温度的变化而变化电阻率随温度的变化而变化，温度达到，温度达到马氏体逆变温度时电阻明显降低，降温马氏体逆变温度时电阻明显降低，降温至逆变温度时电阻明显升高。至逆变温度时电阻明显升高。SMA在奥氏体态的弹性模量是马氏体态在奥氏体态的弹性模量是马氏体态弹性模量的弹性模量的3倍以上，并且弹性模量随倍以上，并且弹性模量随温度的改变而改变。温度的改变而改变。二二、Ti-NiTi-Ni基形状记忆合金薄膜的制备和表征基形状记忆合金薄膜的制备和表征溅射沉积、真空蒸发沉积、激光熔融等已用溅射沉积、真空蒸发沉积、激光熔融等已用于制备厚度大于于制备厚度大于10m的的NiTi形状记忆合金形状记忆合金薄膜。薄膜。其中溅射方法是获得完整形状记忆效其中溅射方法是获得完整形状记忆效应的主要方法。应的主要方法。影响薄膜质量的主要溅射参数是射频功率、影响薄膜质量的主要溅射参数是射频功率、Ar气分压气分压、基片基片-靶距离、基片温度和靶的靶距离、基片温度和靶的合金组分合金组分。在低在低Ar气分压下气分压下制得的制得的NiTi膜较为平整，无任何结构特征膜较为平整，无任何结构特征面；面；在高在高Ar气分压下气分压下所得到的膜呈柱状结构。所得到的膜呈柱状结构。柱状结构表明膜是多孔的。这一结构可能是由于沉积原子在柱状结构表明膜是多孔的。这一结构可能是由于沉积原子在生长膜表面的迁移受到限制所致。生长膜表面的迁移受到限制所致。在较高在较高Ar气分压下气分压下，由于，由于Ar离子间的碰撞而使被溅射出来离子间的碰撞而使被溅射出来的原子能量降低，导致其表面扩散能力的降低，而且在高的原子能量降低，导致其表面扩散能力的降低，而且在高Ar气分压下，吸附在膜表面的气分压下，吸附在膜表面的Ar离子会干扰离子会干扰Ti和和Ni原子的表面原子的表面扩散。扩散。有两种方法使溅射沉积的有两种方法使溅射沉积的NiTi膜具有记忆形状：膜具有记忆形状：在室温溅射沉积在室温溅射沉积NiTi膜，然后在膜，然后在733 K左右的温度左右的温度下使其结晶化；下使其结晶化；在基片温度高于在基片温度高于623 K的温度下溅射沉积的温度下溅射沉积NiTi膜。膜。三三 形状记忆合金及薄膜的应用形状记忆合金及薄膜的应用1.1.微动器：获得快速驱动微动器：获得快速驱动利用利用SiSi基微机械加工技术和溅射沉积基微机械加工技术和溅射沉积NiTiNiTi膜，人们已制造出原形微动器，它膜，人们已制造出原形微动器，它们包括弹簧、双梁悬臂、阀、镜面驱动们包括弹簧、双梁悬臂、阀、镜面驱动器、隔膜、微夹具等等。器、隔膜、微夹具等等。2.2.在航空上的应用：在航空上的应用：制造人造卫星天线制造人造卫星天线Ti-Ni形状记忆合金制造的人造卫星天线形状记忆合金制造的人造卫星天线美国宇航局的月面天线计划：美国宇航局的月面天线计划：在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线，然后把它在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线，然后把它揉成直径揉成直径5 5厘米以下的小团，放入阿波罗厘米以下的小团，放入阿波罗1111号的舱内，号的舱内，在月面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物在月面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状面形状,从而能从而能用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线。线。3.3.工程应用工程应用:紧固件、连接件、密封垫、管紧固件、连接件、密封垫、管件接头等件接头等形状记忆合金用作铆钉的工作原理图形状记忆合金用作铆钉的工作原理图4.4.医疗领域应用医疗领域应用:牙齿矫形丝、血栓过滤器、动脉瘤牙齿矫形丝、血栓过滤器、动脉瘤 夹、接骨板等（夹、接骨板等（Ti-Ni合金）合金）性支撑与柔韧性完美协性支撑与柔韧性完美协调调 的的Ti-Ni记忆合金食道记忆合金食道支架支架 记忆金属记忆金属Ti-Ni合金支架治疗食管狭窄合金支架治疗食管狭窄支架形状的回复力对组织产生持续而柔和的扩张作用，支架植支架形状的回复力对组织产生持续而柔和的扩张作用，支架植入后患者的进食困难症状明显减轻，由于生物相容性好，可较入后患者的进食困难症状明显减轻，由于生物相容性好，可较长期放置体内。长期放置体内。主要适应症包括：中晚期食道癌、食道癌术后复发和食道癌放主要适应症包括：中晚期食道癌、食道癌术后复发和食道癌放疗后引起的吞咽困难等。治疗后疗后引起的吞咽困难等。治疗后10分钟内可解除吞咽困难，增分钟内可解除吞咽困难，增加进食量，明显改善生活质量。加进食量，明显改善生活质量。Ti-Ni合金制作的多种支架合金制作的多种支架(a)尿道支架尿道支架(b)食道支架食道支架(c)胆道支架胆道支架(d)气管支架气管支架