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2021年8月10日星期二 热功能材料-西安交通大学-材料科学与工程学院 内容 随着温度的变化，有些材料的某些物理性能会发生显著变化，如热胀冷缩、出现形状记忆效应或热电效应等，这类材料称为热功能材料。 本章主要内容： 膨胀材料 形状记忆材料 测温材料 内容 1-1 膨胀材料 热膨胀是指材料的长度或体积在不加外力时随温度的升高而变大的现象。 材料热膨胀的本质是原子间的平均距离随温度的升高而增大，即是由原子的非简谐振动引起的。 材料热膨胀系数的大小与其原子间的接合键强弱有关，结合键越强，则给定温度下的热膨胀系数越小，材料中陶瓷的结合键（离子键和共价键）最强，金属的（金属键）次之，高聚物的（范德华力）最弱，因此热膨胀系数依次增大。 常用的膨胀材料包括低膨胀材料、定膨胀材料和热双金属材料 1、低膨胀材料 低膨胀材料是热膨胀系数较小的材料，也叫因瓦（Invar）合金。 主要应用于精密仪器、标准量具等以保证仪器精度的稳定及设备的可靠性。 2、定膨胀材料 定膨胀材料是指在某一温度范围内具有一定膨胀系数的材料，也称可伐（Kovar）合金； 主要用于与玻璃、陶瓷等材料相封接，要求与被封接材料的膨胀系数相匹配。 3、热双金属材料 由膨胀系数不同的两种金属片沿层间焊合在一起的叠层复合材料； 较高膨胀系数金属层为主动层，较低的为被动层。如5J11热双金属是由Mn75Ni15Cu10（主动层）与Ni36（被动层）组成。受热时，双金属片向被动层弯曲，将热能转化成机械能。 可用作各种测量和控制仪表的传感元件。 未受热 受热后 可作为各种测量和控制仪表的传感元件 二、形状记忆材料 将具有某种初始形状的制品进行变形后，通过加热等手段处理时，制品又恢复到初始形状。 形状记忆材料通常包括： 形状记忆合金 形状记忆聚合物 形状记忆陶瓷。 （一）形状记忆合金 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。 热弹性马氏体形状记忆效应 将一定形状的记忆合金试样冷却到Mf点以下，对之进行一定限度的变形，卸去载荷后，变形被保留下来； 将变形了的试样加热到As以上，试样开始恢复，加热到Af点，试样恢复到变形前的形状。 常用形状记忆合金 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 （二）形状记忆聚合物 形状记忆聚合物不同于马氏体相变，而是基于高分子材料中分子链的取向与分布的变化过程； 这种聚合物具有两相结构，即固定相和可逆相； 可逆相是能够随温度变化在结晶与熔融态间，或者在玻璃态与高弹状态间可逆转变的相，随温度的升高或降低，可逆相的结构发生变化，使之发生软化、硬化。 固定相则在工作温度范围内保持不变。 聚合物的形状记忆原理 两相结构： 固定相+可逆相 冷却 加热 冷却 加热 TTf(粘流态） 进行初次成型 TTg(玻璃态）使制成品变形，固定相分子链的缠绕确定了制成品的初次形状 TgTTf (高弹态），可逆相软化，施加应力 TTg，制成品形状发生改变，固定相处于高应力状态 TTg，可逆相软化，固定相在回复应力的作用下使制品恢复到初始形状 凡是有固定相和可逆相结构的聚合物都具有形状记忆效应。以固定相可分： 密度小、强度较低、塑韧性较高 形状恢复可能允许的变形量大 形状恢复的温度范围窄 形状恢复应力及形状变化所需要的外力小 成本低 形状记忆聚合物的特点 （三）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。 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。单斜向四方转变有5％的体积变化，而且应力也可诱发单斜向四方的转变 氧化锆陶瓷的形状记忆效应 第一步：在室温下施加压力，样品首先发生弹性变形，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则保留下来。 第三步：加热到Af以上，样品从60oC开始逆转变，到200oC逆转变结束，变形也随着消失。 形状记忆材料的应用 机械工程领域 热套 生物医学方面 接骨板、人工关节等 空间技术 压缩天线 记忆合金的应用 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