温度对医用TiNi形状记忆合金丝微观组织和力学行为的影响

采用透射电镜和拉伸试验研究了温度对医用TiNi形状记忆合金(TiNiSMA)丝微观组织和力学性能的影响。结果表明,TiNiSMA微观组织和力学性能对温度变化极为敏感。对TiNiSMA进行短时加热处理,随加热温度升高,TiNiSMA组织由冷拔态纤维状组织逐渐转变为板条状马氏体群组织,且组织粗化,位错密度下降;TiNiSMA抗拉强度和超弹性能下降,塑性增加,当加热温度超过400℃时这种趋势更加显著。

热变形对TiNi形状记忆合金丝材力学性能以及超弹性的影响

通过拉伸测试Ф0．61mmTi-50．8at％Ni合金丝材退火后热拉拔过程中不同直径丝材的力学性能和弹性性能，研究了热变形对TiNi形状记忆合金丝材力学性能及超弹性的影响规律。结果表明，经过650℃退火后Ti-50．8at％Ni合金丝材超弹性较差，而断裂伸长率达50％以上。随着热拉拔变形量增大，超弹性逐渐提高，而塑性迅速降低，当热拉拔总热变形量达50％时，丝材可以获得优良的超弹性能，△σ值（Rell-ReL）为200-250MPa，残余应变小于0．1％。同时伸长率大于10％。

TiNi形状记忆合金丝/水泥复合材料的相变行为

研究了 Ti Ni形状记忆合金 /水泥基复合材料的相变行为。差热分析 (DSC)研究结果表明 ,由于水泥基体的约束作用 ,形状记忆合金中剩余取向马氏体的逆相变温度上升。在逆相变开始阶段 ,逆马氏体相变的平均速率较大 ;在复合材料 DSC加热曲线吸热峰结束温度以上 。

弹簧刚度对TiNi形状记忆合金丝振动响应特性的影响

以TiNi(含Ni的原子分数为50.2%)形状记忆合金丝为研究对象,在弹簧、砝码和形状记忆合金丝组成的无阻尼单自由度振动系统中,测定并分析了不同温度和载荷分布下,弹簧刚度对系统振动响应特性的影响规律。研究结果表明,随着弹簧刚度的增大,传递率增大,系统减振性能下降。

约束态TiNi形状记忆合金丝可逆形状响应应变和响应力的分析模型

建立了TiNi形状记忆合金（SAM）主导的金属基或聚合物基智能复合材料中TiNi丝形状响应应变和响应力的分析模型,并进行了计算分析和实验考察,计算和实验结果符合良好.结果表明,当基体预定曲率km一定时,随TiNi SMA丝数量n增加,智能复合材料的形状响应应变ε和响应力F增加,形状回复率ρ减小;随基体宽度b增加,ε和F皆减小,而ρ则增加.当b一定时,随n增加,ε和F皆增加;随km增加,F增加,ε则基本保持不变.因此,设计该类智能复合材料时应综合考虑增强材料数量、基体尺寸及其预变形量等因素.

TiNi形状记忆合金丝在约束态热循环后的力学特性

研究了TiNi形状记忆合金丝在约束态热循环后的应力-应变特性。结果表明,如果停止加热并加载,或者在母相状态下冷却但是尚未发生正相变时加载,加载应力-应变曲线首先呈线弹性关系,然后才出现应力平台。如果在冷却过程中发生正相变的时候停止冷却并加载,则加载应力-应变曲线只出现应力平台。与之相似,如果在约束态冷却过程中停止冷却并卸载,卸载应力-应变曲线首先呈线弹性关系,然后才出现应力平台。如果在加热过程中停止加热并卸载,则卸载应力-应变曲线立即出现应力平台。

面向水下无声推进的形状记忆合金丝驱动柔性鳍单元

水下无声推进是潜器追求的理想目标,但几乎所有成熟的潜器都应用螺旋桨推进,噪声较大,推进效率随航度变化波动大,限制了潜器的应用。基于大多数鱼类和鳍波动推进时的乌贼的游动基本动作为柔性弯曲这一事实,从软体动物乌贼的鳍结构获得启发,借鉴其肌肉性静水骨骼原理,提出并研制嵌入形状记忆合金丝驱动的仿生柔性鳍单元,对柔性鳍单元进行转角理论分析及水中弯曲、回复试验,研制并试验基于柔性鳍单元的微型机器鱼。柔性鳍单元通过电流驱动,以模块化形式安装,实现身体/尾鳍推进、胸鳍波动推进等功能。柔性鳍单元为动作无噪声,转角大,无相对移动的机械部件,具有足够的输出力,结构简单,隐蔽性好,可实现水下无声仿生推进,在微小型水下机器人上应用具有优势。

形状记忆合金丝驱动的仿生转动关节臂

提出了动物关节臂的力学模型，讨论了形状记忆合金（ＳＭＡ）和动物骨骼肌生物力学行为的相似性和力学性能的差异．基于仿生学的原理，研究了用ＳＭＡ丝驱动仿生转动关节的技术．研制了能实现ＳＭＡ感知功能的控制电路和ＳＭＡ丝驱动的仿生转动关节驱动器，并用该关节驱动器开发了一个两自由度的微型关节臂，该微型关节臂可用于微型步行机器人和人工假肢．

NiTi形状记忆合金丝的电阻与应力、应变的关系研究

形状记忆合金是智能材料与结构中很有希望的驱动材料。本文研究了外加应力和残留应变对形状记忆合金ＮｉＴｉ丝的电阻的影响。研究发现，在３０℃下的恒温过程中，外加应力对ＮｉＴｉ丝电阻的影响可以分为两种情况，一种是在弹性变形过程中，电阻随着应力的增加呈线性增加；另一种是在发生组织变化的过程中，当发生应力诱发马氏体相变时，电阻降低；当发生马氏体孪生变形时，电阻随着应力的增加而增加。应变对电阻的影响表现为随着ＮｉＴｉ丝的残余应变量的增加，电阻线性地增加。

形状记忆合金丝驱动的触手推进式仿生水母

为研制一种高效自主游动的新型水下机器人,受水母的身体特征和鱼尾的推进模式的启发,利用智能材料———形状记忆合金丝(shape memory alloy,SMA)模拟肌肉纤维作为驱动材料,在对水母整体结构进行仿生改造,并对其运动策略进行分析的基础上,研制了一种由6个仿生触手推进器驱动的仿生机器水母原理样机.该机器人总长230 mm,直径110 mm,总质量590 g,自带能源动力,在无线遥控下能达到115 mm/s的直线游动速度和18°/s的转弯速度.实验结果表明:该仿生水下机器人结构、密封简单,机动性强,能够无声推进,并具有生物友好性等优点,验证了形状记忆合金丝做仿生肌肉材料的可行性.

形状记忆合金丝驱动的仿生喷射推进器

为了给水下机器人提供一种高速、高效、高机动性、高隐蔽性的推进器,研制了一种采用形状记忆合金丝驱动的模仿乌贼喷射推进原理的仿生喷射推进器.对乌贼的喷射推进机理和乌贼外套膜肌肉结构进行了分析.在适当简化的基础上,模仿乌贼外套膜的肌肉结构设计了记忆合金丝驱动的仿生喷射推进器结构,建立了推进器的几何模型.对推进器样机进行了初步性能实验.实验结果表明:仿生喷射推进器径向收缩均匀,能较好地模仿乌贼外套膜的柔性收缩运动,最大收缩应变8.8%,最高游速58 mm/s.该推进器结构简单,动作柔性好,游动无噪声,为研制仿生机器乌贼奠定了基础.

钛镍形状记忆合金丝材力学性能研究

通过热处理和拉伸测试等手段研究了不同加工状态TiNiCu、TiNiCr和TiNi钛镍形状记忆合金丝材力学性能和超弹性能。研究结果表明,通过优化热处理工艺参数使不同合金成分和状态钛镍形状记忆合金获得较好的超弹性能。热加工态二元钛镍形状记忆合金在400℃保温15和30 min水冷能获得理想的超弹性。冷加工态二元钛镍形状记忆合金在450℃保温30 min水冷,能获得理想的超弹性。热加工态钛镍形状记忆合金在450℃保温30 min水冷可以获得理想的记忆性能。TiNiCu和TiNi二元钛镍形状记忆合金丝材经630℃保温10 min水冷易获得超弹性能。

形状记忆合金丝训练测试系统的研制

为给形状记忆合金丝提供自动训练装置,并能实时测量其动作过程中应力、应变及内部电阻的变化,研制了基于LabVIEW和研华数据采集卡的步进电机驱动的形状记忆合金丝训练测试系统。该训练测试系统能够方便地实现不同型号形状记忆合金丝的自动训练过程,并能测试形状记忆合金丝在不同通电条件和外力条件下的性能。实验结果表明,采集到的形状记忆合金丝的数据准确性较高,并能实时地显示和存储,为形状记忆合金丝的进一步应用和控制提供了实验数据基础。

形状记忆合金丝驱动仿生波动鳍推进器设计与实验研究

研究了一种形状记忆合金(SMA)丝驱动的仿生波动鳍推进器。在分析墨鱼鳍肌肉结构和运动机制的基础上,建立了鳍波动运动学模型,研制了基于SMA丝驱动柔性鳍单元的仿生波动鳍推进器,并进行了试验研究。结果表明,仿生推进器能实现与墨鱼鳍相似的柔性运动,波幅和推进力随SMA丝的驱动脉冲宽度的增加而增大,鳍波动推进力呈周期性变化,瞬时推力在驱动脉冲宽度80ms时达到最大值180mN。

形状记忆合金丝驱动的仿生双尾鳍推进器的仿真和实验研究

单尾鳍推进的仿生鱼会产生周期性的、较大幅度的侧向力,使得鱼体产生横向振荡和偏摆,不利于游动的稳定性。为了消除侧向力的影响,提出一种双尾鳍摆动推进的策略,通过双尾鳍的对称摆动来抵消摆动时产生的侧向力。研制了形状记忆合金丝驱动的仿生双尾鳍推进器,并通过仿真和实验的方法对双尾鳍的推进性能进行分析。

热处理对TiNiFeMo形状记忆合金丝R相变的影响

研究了冷拔态TiNiFeMo记忆合金丝材进行不同温度退火处理。结果表明,不同退火温度对合金丝R相变有一定影响。在350℃-750℃之间退火,随热处理温度的升高,开始R相变温度RS从350℃到650℃呈逐渐降低趋势,而后又升高。并且TiNiFeMo合金的R相变滞后十分小。

一种形状记忆合金丝驱动的仿乌贼水平鳍推进器

提出并实现了一种SMA丝驱动的仿乌贼水平鳍推进器。通过分析鳍的生理结构和波动规律,建立了仿乌贼水平鳍推进器的波动机构原理模型,提出了柔性鳍单元。然后设计了形状记忆合金丝驱动的、基于柔性鳍单元的无线电遥控仿乌贼水平鳍推进器,并对双侧10鳍单元的仿乌贼水平鳍推进器进行了游动试验。试验表明该推进器可以实现前进、后退、左右转功能,可以实现8mm/s的游动速度和12°/s的转弯速度,它具有无噪声、无污染、驱动电压低、机动性好、结构简单容易密封等优点,其扁平身体结构能够进入狭窄复杂的水下区域进行探测。

形状记忆合金丝加固古建筑木结构直榫节点抗震性能研究

古建筑木结构中的半刚性榫卯节点在地震中往往先于梁柱等构件发生破坏,是加固保护的关键部位。设计了一种新型形状记忆合金(SMA)丝预防性加固装置,对采用该装置的5个直榫节点及1个未加固节点进行了低周反复荷载试验,研究了采用不同根数和不同预拉应变的SMA丝加固节点的破坏形态、弯矩-转角关系、强度退化、刚度退化、耗能性能、自复位能力以及变形能力,并提出了SMA丝加固直榫节点的抗弯承载力计算方法。结果表明:SMA丝加固节点的抗弯承载力均有不同程度的提升,加固节点的最大抗弯承载力为未加固节点的1.49倍;与未加固节点相比,加固节点的强度退化不严重,表明SMA丝可以在节点转角较大时,仍能持续为节点提供抗弯承载力;加固节点最大转动刚度是未加固节点的2.24倍;随着节点转角的增大,未加固节点的耗能能力逐渐减小,而加固节点的耗能能力先增大后减小;在相同的转角下,随着SMA丝根数和预拉应变的增加,节点相对残余变形均减小,自复位能力增强。研究成果可为古建筑木结构榫卯节点的预防性加固保护提供参考。

形状记忆合金丝纺织品应用进展

通过综述形状记忆合金国内外相关文献以及产品报道,综述了记忆合金丝编织和针织结构在医疗外科支架材料以及塑体、智能服饰上的应用,并对其产品的发展进行展望。