Cu基形状记忆合金的智能器件研发及应用

赵鹏 男 41422023材料 1407班 材料学院 17801055211指导教师 姓名 职称 所在学院 联系电话谢建新 教授 新材料技术 研究所 010-62332254黄海友 副研究员 新材料 技术研究所 010-62332253一、项目简介本项目以我校新材料制备与加工研究室正在开发的高性能连续柱状晶组织 Cu-Al-Mn基形状记忆合金为基础，利用其优异的形状记忆效应、超弹性性能和价格低廉、制备工艺简单等优势，进行可实用化的器件开发。本研究室所开发的新型连续柱状晶组织 Cu-Al-Mn形状记忆合金，与普通 Cu基形状记忆合金相比，具有更高的形状记忆性能与更优异的疲劳性能等优点，使用性能获得显著提升。本项目以这种新型高性能 Cu-Al-Mn形状记忆合金作为开发对象，代替昂贵的 Ti-Ni合金，设计实用性驱动器件，与普通电子电路驱动器件相比，拟开发的器件将更加简化，并具有更高的作业环境适应能力，极具开发价值。本项目将基于对形状记忆合金性能特点的认识，结合工业和日常生活实际需求，开发出有实用价值的驱动器件。围绕这一目标，我们将通过理论学习了解掌握形状记忆合金的特征，学习 Cu-Al-Mn形状记忆合金的制备方法和性能表征方法；掌握器件设计知识；开展应用调研，了解实际需求，设计开发能发挥该合金高性能的驱动器件。2

二、选题背景形状记忆合金（ SMAS）作为一种新型功能材料，其机制在温度变化以及应力诱导等作用下产生可逆的马氏体相变并能自动恢复变形前的形状，是集感知与驱动于一体的智能材料，具有其它材料很难取代的独特优点，可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件，在航空航天，能源、机械、电子、医学以及日常生活等领域中都有着广泛的应用，同时具有良好的发展前景。形状记忆合金主要分为以下三类：钛 -镍基合金，铜基和铁基形状记忆合金。其中应用最广的是钛 -镍合金，医疗上的应用和部分反复使用次数高以及条件苛刻领域的工业应用目前只能靠 Ti-Ni系记忆合金来完成，但 Ti-Ni合金在应用过程中面临着相变温度低、加工工艺复杂和成本高等缺点。而铜基 SMAs易于制备和加工，价格低廉，其工程应用成为了形状记忆合金领域研究的热点。单晶铜基 SMAs尽管记忆性能好，但制备难度大，成本高，难以大规模工业生产，而普通多晶铜基记忆合金由于晶界协调能力极差，易在晶界处应力集中，变形时容易发生晶间断裂而很难表现出高的形状记忆性能，且塑性差难以加工成型。针对这些问题，新材料制备与加工研究室通过凝固组织控制的方法开发的连续柱状晶组织 Cu-Al-Mn形状记忆合金具有优良的性能，超弹性应力应变曲线和金相组织如图 1所示，与其他 SMAs合金的性能对比如表 1所示，从图表可以看出这种组织的性能具有和 Ti-Ni形状记忆合金相比拟的性能，为其新型器件的开发和应用奠定了良好的理论基础。图 1连续柱状晶组织 Cu-Al-Mn超弹性应力应变曲线，内含其纵截面的金相显微组织图。表 1几种形状记忆合金的性能对比3