形状记忆合金模型的动作实验

形状记忆合金模型的动作实验〈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〈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。〈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；〈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。〈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〈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〈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〈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〈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〈二〉形状记忆合金模型图15LH12型推簧图16记忆型NiTi牙弓丝图17摇椅型NiTi牙弓丝〈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。〈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。〈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〈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。〈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〈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〈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。〈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〈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〈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。〈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〈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。〈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。〈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。〈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。