记忆材料范文（精选9篇）
记忆材料 第1篇
1.1 意义及价值
1.1.1 核心概念界定
记忆恢复是指在学习某种材料以后,延缓回忆比记忆后立即回忆在内容上更为完全的记忆现象,最早是由美国心理学家P.B.巴拉德在1913年发现的。①继巴拉德后,许多人重复了类似实验均取得了大致相同的结果。
1.1.2 理论综述
已有研究大多追随巴拉德的研究范式,研究成果中的应用价值越来越受教育家、心理学家的关注。已有的主要关于记忆恢复的研究中,有以下几个:
在动作记忆方面,邵国华(2006)对国内代表性的动作技能遗忘研究做了综述,总体研究表示动作技能的保持量较之艾宾浩斯遗忘曲线为明显的高,并出现恢复现象。②汪超(2005)以小学生为被试,所得结果为连续性动作记忆曲线接近艾宾浩斯遗忘曲线,而分离性动作记忆曲线则出现波动。③
现有的记忆恢复研究多以小学生和幼儿被试为主。王莹(2008)对现有的记忆回涨现象研究综述中提出,现有研究的被试都为小学生和幼儿,现有实验研究的主要方法有:回忆法、再学法、再认法(节省法)、重构法(重建法)。④徐正言(1998)以幼儿为被试,表明在学习后40多天内多次呈现出记忆自然的恢复高峰。他还提出了以学习为始点的生理活动节律对保持材料自动加固的理论。⑤杜鹃、金霞(1999)以小学生为被试,对其常用学习材料的记忆恢复现象进行研究,表明在有意义材料条件下,在低年级群体中,记忆恢复现象更为明显。⑥姚清如等(1996)采用录音机播放识记材料的方法证实,在记忆回涨高峰时期的复习效果最好。⑦
平舜心(1987)采用非平衡自组织理论的方法和原理来研究人类记忆的发生发展和演变,系统的阐明旧知识的反馈和新感知系统的激发都有可能形成记忆恢复现象。⑧陈育庭(2002)通过构建学习记忆过程的数学模型,分析了记忆恢复过程中的多高峰现象,提出了学习记忆恢复过程的混沌模式,并表示混沌无序性是学习记忆恢复现象的本质特征。⑨
1.1.3 问题提出
主要目的是探究高年级被试的记忆恢复特征。
1.2 研究假设
(1)两个年级被试都会出现记忆回涨现象。(2)看材料组较听材料组的记忆恢复更明显,高峰值更早且高,总记忆量更高。
2 研究方法
2.1 研究对象
采用随机抽样方法,选取六年级学生和九年级学生各10名,其中每个年级分为两组,每组五人,一组为看材料组,一组为听材料组。
2.2 研究设计
研究为2(年龄两个维度:六年级、九年级)*2(材料两个维度:看材料、听材料)*5(时间五个维度:五次复述的时刻)混合设计。
2.3 统计方法
运用SPSS统计软件对数据进行统计分析。
3 研究结果
3.1 关于因变量成绩的描述性统计结果
由图1、图2可以看出,两个年级的成绩都有回涨的趋势,同时总体上文字材料的成绩比听力材料要高。但是这些差异是否在统计学上显著,还需做进一步的方差分析处理。
3.2 关于方差分析统计结果
由表1可知:材料类型主效应显著,F(1,80)=33.499,p<0.05;年级与材料类型的交互作用显著,F(1,80)=23.909,p<0.05;次数主效应不显著,F(4,80)=1.268,p>0.05。
3.3 关于材料形式与年级交互作用的简单效应检验统计结果
经简单效应检验统计后得知,只有在第一次的听材料组,两个年级显示出成绩的显著差异,为F(1,,10)=4.93,p<0.05。其他都不显著。
4 讨论和分析
4.1 本次实验中被试体现出的记忆恢复现象的特点
虽然总体次数主效应并未显示出差异显著性,但是个别次数之间的显著性差异还是能够说明记忆恢复现象的出现(九年级被试的第二次文字和听力材料成绩与后三次成绩的差异)。
4.2 两种材料的记忆恢复效果特点
总体上文字材料成绩高于听力材料。猜测原因为工作记忆中,视觉记忆量和时长均高于听觉记忆。同时,文字材料也更客观,更容易随意学习。
4.3 不足和建议
(1)增加被试人数,加大被试年龄跨度,扩大分差。(2)设计实验材料,建立更科学的评分方式,增加难度梯度,提高评分效度。
5 结论
(1)两个年级被试的成绩都有回涨趋势,个别次数成绩存在后测显著高于前测的现象。(2)文字材料和语音材料的整体成绩差异显著,具体表现为看材料比听材料更容易记住更多内容。(3)听力组首次测试中九年级成绩高于六年级,其他组年级之间无显著差异。
注释
1P.B.Ballard.Obliviscence and Reminiscence.1913.
2邵国华,蒙格.动作技能遗忘研究综述.科教文汇,2006.3:44-45.
3汪超.青少儿运动记忆操作特征的实验研究.中国体育科技,2005(6):45-49.
4王莹.记忆回涨现象综述.林区教学,2008(1):5-7.
5徐正言.记忆自然恢复的多高峰现象与记忆保持的生理节律论.心理科学1998(21):159-162.
6杜娟,金霞.小学生对常用材料记忆恢复的实验研究.天津师大学报(社会科学版),1999(3):30-33.
7姚清如.幼儿记忆回涨实验研究.心理科学,1996(19):16-18.
8平舜心.记忆系统的自组织规律.大自然探索,1987(2):94-99.
记忆作文材料有哪些特点 第2篇
一群孩子被老师领着，在校园里观察树木、花草，在动物园观察熊猫、猴子，在田野观察农民犁田、锄地。孩子们要写文章了，他们的目的很明确，因而也观察得很认真，很仔细写作中把这种观察称作定向观察，或称有意注意。
平常，一个人无论在学校。在家庭，在城市，在郊外，都会碰到各种各样的新鲜事物。这时候，他并没有写文章的`要求和目的，这些事物在无意中被接触到了，于是也会在心里留下深刻的印象，使他很受感动，心情难以平静，甚至终生不能忘记。一个人一生这样观察到的事物很多，有的被淡忘了，有的却长久地被头脑储存起来，并不腐烂发霉。写作把这种观察叫机遇观察，或称无意注意。
初写文章的人，容易注意有意注意而忽视无意注意，认为通过有意注意获得的材料。才是有意义、有价值的，值得写到文章中去。其实两相比较，人们通过无意注意积累的材料，无论数量和质量，都远远超过了有意注意。无意注意虽然在无意中了解生活，积累材料，但这样收集到的材料却有了更强烈、更明显、更特殊、更典型、更真实、更感人的特点。人在生活中，无时无刻都在接触社会、了解社会，所以我们不能轻视无意注意，不能小看平时在不知不觉中积累到的写作素材不过，凭借无意注意积康材料，也并非一件很容易的事，它要求观察者热爱生活，对生活具有强烈的兴趣和敏锐的感受能力。一个人如果悲观厌世，对丰富多彩的现实生活，这也看不惯，那也没兴趣，整年整月把自己关在房子里，和什么人也不来往，对什么事也不关心，闭目塞听，孤陋寡闻，那就谈不到有所积累。
记忆材料 第3篇
【关键词】材料成本差异；记账方向；口诀；原材料
原材料的核算方法有：实际成本法和计划成本法。在计划成本法下，需要设置“原材料”账户、“材料采购”账户、“材料成本差异”账户等。对于“材料成本差异”账户记账方向，很多人在初学时往往一头雾水，经常弄错。笔者结合多年的教学经验，总结出一套快速记忆的方法：
一、记忆口诀“超支是加，节约是减”
材料成本差异=实际成本-计划成本
等式中结果大于零，就是超支差，为正数+，说明实际成本大于计划成本；等式中结果小于零，就是节约差，为负数-，说明实际成本小于计划成本。
二、记忆口诀“同方向相加，反方向相减”
实际成本=计划成本+材料成本差异
计划成本在“原材料”账户登记，材料成本差异在“材料成本差异”账户登记。出现超支差时，材料实际成本是两个账户金额相加，那必须是同方向；出现节约差时，材料实际成本是两个账户金额相减，那必须是反方向。也就是说，任何时候，出现超支差时，“原材料”账户和“材料成本差异”账户同方向；出现节约差时，“原材料”账户和“材料成本差异”账户反方向。材料验收入库时，“原材料”记借方，入库材料成本差异出现超支差时，“材料成本差异”账户记借方，入库材料成本差异出现节约差时，“材料成本差异”账户记贷方。领用材料时，“原材料”账户记贷方，领用材料出现超支差时，“材料成本差异”记贷方，领用材料出现节约差时，“材料成本差异”账户记借方。
案例：
甲公司为一般纳税人，材料存货采用计划成本核算。2011年3月该公司A材料有关情况如下：“原材料”账户期初余额为56000元，“材料成本差异”科目借方余额为4500元，原材料单位计划成本为12元。3月发生下列业务：
10日，进货1500千克，单价10元，发生运费500元，价税款及运费当即支付（发生的购进货物和运费的增值税均符合抵扣条件，可以抵扣，下同）。
11日，上批材料验收入库。
20日，进货2000千克，单价13元，运费1000元，价税款及运费用银行存款支付。
25日，20日购货验收入库。
25日，生产甲产品领用材料1000千克，管理部门领用800千克。
根据上述资料，作如下会计处理：
1.3月10日购货借：材料采购15465
应交税费—应交增值税（进项税）2585
贷：银行存款18050
2.3月11日材料验收入库借：原材料—A材料18000
贷：材料采购15465
材料成本差异2535
（入库时，“原材料”账户记借方，材料成本差异为节约差，“材料成本差异”账户记贷方，记账方向和“原材料”账户方向相反）
3.3月20日进货借：材料采购26930
应交税费—应交增值税（进项税）4490
贷：银行存款31420
4.3月25日第二批材料验收入库借：原材料—A材料24000
材料成本差异2930
贷：材料采购26930
（入库时，“原材料”账户记借方，材料成本差异为超支差，“材料成本差异”账户记借方，记账方向和“原材料”账户方向相同）
5.3月25日领用材料借：生产成本—甲产品12000
管理费用9600
贷：原材料—A材料21600
6.3月31日计算本月领用材料应负担的成本差异
本月材料成本差异率=（4500-2535+2930）÷（56000+18000+24000）×100%
=4.99%
本月甲产品应负担的成本差异=12000×4.99%=598.80（元）
本月管理部门应负担的成本差异=9600×4.99%=479.04（元）
借：生产成本—甲产品598.80
管理费用479.04
贷：材料成本差异1077.84
（领用时，“原材料”账户记贷方，材料成本差异为超支差，“材料成本差异”账户记贷方，记账方向和“原材料”账户方向相同）
“原材料”账户记账方向很容易判断，结合记忆口诀1和2，就能快速记忆“材料成本差异”账户的记账方向了。笔者运用这种方法，取得了良好的教学效果，学生能又快又准地说出“材料成本差异“账户的记账方向。
【参考文献】
[1]《新编企业财务会计》，电子工业出版社
记忆材料 第4篇
根据磁的逆效应, 当铁磁性材料受力的时候, 其磁性也将发生变化, 当力撤掉后, 如果材料或零件内有残余应力时, 其对外的磁性将发生变化, 通过对铁磁材料表面磁性的检测和分析, 进而确定材料内部缺陷的种类和程度。
铁磁性材料一般是晶体结构, 组成晶体的质点是有规则排列的, 其力学性质和晶体的点阵结构有关, 同时也和晶体的内部缺陷有关[1]。位错是晶格的线缺陷, 位错附近变形较大, 是晶体中内应力场的源, 它使晶体的自由能增加。当外界对铁磁性零件反复施加力的作用时, 零件内部便产生位错, 停止作用时, 这种位错缺陷依然存在, 这便是残余应力的来源[2]。由于磁弹性效应的作用, 使零件表面上存在着残余磁化及相应的散射磁场强度[3]。通过检测试件表面的漏磁场, 并结合构件的实际运行条件及其结构特点, 对构件的应力、变形状态作出综合评定, 即在铁磁构件形成破坏之前检测出潜在的危险, 实现早期诊断的目的。
2 实验
本实验装置由多功能电子实验机和自行研制的磁记忆数据采集系统组成。本实验的测试系统由霍尔传感器、TSC-1M-4型磁记忆仪器、计算机组成。试件尺寸:90*40*4.3mm, 试件的中间两侧有长4mm的裂纹;测点从下至上分为9行, 从左至右分为3列。
开始试验前未加载时记录信号;开始拉伸试验后, 每10kn记录一次, 直至断裂为止再记录一次, 测试信号汇总如图1所示。
3 结果分析
3.1 弹性段磁记忆信号特征分析:
从图1中可以看出, 未加载时磁记忆曲线波动较大, 随着载荷的增加, 磁记忆信号曲线变平缓, 说明在弹性阶段内材料内部晶格重新排列, 一定程度上降低了应力集中程度。在试件中段, 加工的截面最细, 是应力集中处, 随着载荷的增加, 该区域的磁记忆信号的梯度最大, 说明磁记忆梯度可以作为应力集中的一个检测参数。
3.2 屈服段磁记忆信号特征分析:
从图1中可以看出应力集中区在1000kg载荷拉力下, 过零点幅值变化最陡, 其次是800kg、1100kg, 而900kg载荷最小, 说明随着载荷的增大, 应力集中区过零点梯陡度变化并不随之变大, 而是呈现一定的波动性, 这与屈服段试件伸长显著增加, 而外力滞留在很小的范围内上下波动具有很好的一致性。在屈服段后期各负载下, 磁记忆信号同样具有波动性。
3.3 强化段和颈缩段磁记忆信号特征分析:
如图2所示, 在强化段载荷上升过程中, 裂纹附近磁记忆信号发生过零点, 拉力为4612kg达到最大载荷, 从其他下降载荷磁记忆数值分析, 同样出现在发生颈缩之前应力集中区磁记忆数值在零点下方逐渐向零点靠近, 轴向磁记忆信号曲线的这一形状改变, 可以推测颈缩就要开始。当出现颈缩后零点又回到应力集中处4、5测点之间, 一直保持到断裂后。而且从颈缩段磁记忆信号图 (图3) 明显看出, 断裂后测点4、5之间过零点梯度比未断时大很多。
4 结论
4.1 弹性阶段磁记忆信号Hp (y) 幅值小, 梯度值低, 证明在材料早期内部缺陷主要表现为残余应力;随着载荷的增加, 信号幅值降低, 对应于材料内部晶体重组, 排列趋于规整。
4.2 在屈服阶段, 磁记忆信号出现波动性, 这与该阶段在较小的载荷下材料发生滑移线, 说明材料内部的晶格变化呈现宏观性表现在材料表面。
4.3 在相同载荷下, 强化段和颈缩段的磁记忆信号分布曲线相似, 但颈缩段变形区的信号梯度整体明显增加, 利用幅值和梯度的综合分析可以进行材料塑性变形的判断。
参考文献
[1]任吉林等.金属磁记忆检测技术[M].北京:中国电力出版社, 2000:21-30.
[2]邢海燕, 樊久铭等.基于磁记忆机理的铁磁材料弯曲变形状态研究[J].哈尔滨工业大学学报, 2006, 38 (7) :1017-1019.
记忆材料 第5篇
组成铁碳合金的铁具有两种晶格结构：910℃以下为具有体心立方晶格结构的α——铁，910℃以上为具有面心立方晶格结构的Υ——铁。如果碳原子挤到铁的晶格中去，而又不破坏铁所具有的晶格结构，这样的物质称为固溶体。碳溶解到α——铁中形成的固溶体称铁素体。而碳溶解到Υ——铁中形成的固溶体则称奥氏体。奥氏体是铁碳合金的高温相。
钢在高温时所形成的奥氏体，过冷到727℃以下时变成不稳定的过冷奥氏体。如以极大的冷却速度过冷到230℃以下，这时奥氏体中的碳原子已无扩散的可能，奥氏体将直接转变成一种含碳过饱和的α固溶体，称为马氏体。由于含碳量过饱和，引起马氏体强度和硬度提高、塑性降低，脆性增大。
高分子形状记忆合金的发展及趋势
摘要：本论文主要讨论形状记忆合金相关内容,扼要地叙述了形状记忆合金的发现以及发展历史和分类, 介绍了形状记忆合金在工程中应用的现状以及发展前景。引言
形状记忆合金(Shape Memory Alloy ,SMA)是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应(Shape Memory Effect ,SME)。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti 合金和铜基合金(CuZnAl 和CuAlNi)。
形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。
二、形状记忆合金的发展史
1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。
1938年。当时美国的在Cu-Zn合金小发现了马氏体的热弹件转变。随后，前苏联对这种行为进行了研究。1951年美国的Chang相Read在Au47·5Cd(％原子)合金中发现了行状记忆效应。这是最早观察到金属形状记忆效应的报道。数年后，Burkhart 在In-Ti 合金中观察到同样的现象。然而在当时，这些现象的发现只被看作是个别材料的特殊现象而未能引起人们足够的兴趣和重视。直至1962年，美国海军机械研究所r发现了Ni-Ti合金中的的形状记忆效应，才开创了“形状记忆”的实用阶断。
1969年，美国一家 公司首次将Ni-Ti合金制成管接头应用于美国F14 战斗机上；1970年，美国将Ti-Ni记忆合金丝制成宇宙飞船用天线。这些应用大大激励了国际上对形状记忆合金的研究与开发。20世纪7 年代，相继开发出了Ni-Ti 基、Cu-Al2-Ni 基和Cu-Zn-Al 基形状记忆合金；80 年代开发出了Fe-Mn-Si 基、不锈钢基等铁基形状记忆合金，由于其成本低廉、加工简便而引起材料工作者的极大兴趣。从20世纪90 年代至今，高温形状记忆合金、宽滞后记忆合金以及记忆合金薄膜等已成为研究热点。
从SMA 的发现至今已有四十余年历史，美国、日本等国家对SMA 的研究和应用开发已较为成熟，同时也较早地实现了SMA 的产业化。我国从上世纪70 年代末才开始对SMA 的研究工作，起步较晚，但起点较高。在材料冶金学方面，特别是实用形状记忆合金的炼制水平已得到国际学术界的公认，在应用开发上也有一些独到的成果。但是，由于研究条件的限制，在SMA 的基础理论和材料科学方面的研究我国与国际先进水平尚有一定差距，尤其是在SMA 产业化和工程应用方面与国外差距较大。记忆合金主要分为以下几种
（1）单程记忆效应：
形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。（2）双程记忆效应：
某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。（3）全程记忆效应： 加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。SMA的形状记忆效应源于热弹性马氏体相变，这种马氏体一旦形成，就会随着温度下降而继续生长，如果温度上升它又会减少，以完全相反的过程消失。两项自由能之差作为相变驱动力。两项自由能相等的温度T0称为平衡温度。只有当温度低于平衡温度T0时才会产生马氏体相变，反之，只有当温度高于平衡温度T0时才会发生逆相变。
在SMA中，马氏体相变不仅由温度引起，也可以由应力引起，这种由应力引起的马氏体相变叫做应力诱发马氏体相变，且相变温度同应力呈线性关系。至今为止发现的记忆合金体系
Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。
形状记忆合金的历史只有70多年，开发迄今不过20余年，但由于其在各领域的特效应用，正广为世人所瞩目，被誉为“神奇的功能材料”，其实用价值相当广泛，其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域.二、形状记忆效应的应用
迄今为止,形状记忆合金在空间技术、医疗器械、机械器具、电子设备、能源开发、汽车工业及日常生活各方面都得到了广泛的应用,总的来说,按使用特性的不同,可归纳为下面几类:(1)自由回复。
SMA 在马氏体相时产生塑性形变,温度升高自由回复到记忆的形状。自由回复的典型例子是人造卫星的天线和血栓过滤器。美国航空航天局(NASA)将Ti2Ni 合金板或棒卷成竹笋状或旋涡状发条,收缩后安装在卫星内。发射卫星并进入轨道后,利用加热器或太阳能加热天线,使之向宇宙空间撑开。血栓过滤器把Ni2Ti 合金记忆成网状,低温下拉直,通过导管插入静脉腔,经体温加热后,形状变为网状,可以阻止凝血块流动。有人设想,利用形状记忆合金制作宇宙空间站的可展机构,即以小体积发射,于空间展开成所需的形状,这是很有吸引力的机构。(2)强制回复。
强制回复最成功的例子是SMA 管接头。事先把内径加工成比被接管外径小4 % ,当进行连接操作时,首先把管接头浸泡在液态空气中,在低温保温状态下扩径后,把被接管从两端插入,升高温度,内径回复到扩径前的状态,把被接管牢牢箍紧。利用SMA 制作的脑动脉瘤夹可夹住动脉瘤根部,防止血液流入,使动脉瘤缺血坏死。本田等人用厚度为015mm 的Ti2Ni 板制作的Ag2TiNi 复合夹满足小而轻、装卸简便等要求,效果良好。此外,类似的用途还有电源连接器、自紧固螺钉、自紧固夹板、固定销、密封垫圈、接骨板和脊柱侧弯娇形哈伦顿棒等。(3)动力装置。
有些应用领域,要求形状记忆元件在多次循环往复运动中对外产生力的作用。温度继电器和温度保持器、自动干燥箱、电子灶、热机、卫星仪器舱窗门自动启闭、自动火警警报器、热敏阀门、液氨泄漏探测器、煤气安全阀、通风管道紧急启动闸门、自动收进烟头的烟灰盒及人工心脏等都属于这种应用类型。1997 年美国航空航天局(NASA)的科学家利用长3cm ,直径0115mm(01006″)的Ni-Ti SMA 驱动火星探测器上的太阳能电池挡板,加热SMA ,使其收缩,通过传动装置,打开太阳能电池上的玻璃挡板,电池充电。充电结束后,偏置弹簧重新使挡板复位。挡板的有效开合可起到防尘的目的。(4)精密控制。
因为SMA 的相变发生在一定温度范围而不是某一固定温度点,我们往往只利用一部分形状回复,使机械装置定位于指定的位姿。微型机器人、昆虫型生物机械、机器人手抓及微型调节器、笔尖记录器及医用内窥镜都属于这一类。形状记忆合金用作机器智能人的执行器,集传感、控制、换能、制动于一身,具有仿真性好、控制灵活、动作柔顺、无振动噪声、易于结构微型集成化等优点。日本的日立公司已研制出具有13个自由度的能拣取鸡蛋的机器人。俄罗斯St1Petersburg 机器人及控制技术学院在Cu-Al-Ni 基合金材料的研究基础上,研制出了拟人机械手(115m 长),其手爪能移动200kg的物体。该研究小组还给出了手爪的精确控制系统。医学上用到的具有多自由度能弯曲转入肠道内诊断疾病,进行手术的机器人也属于这一类型。现有的大肠镜的直径为10～20mm ,这种内窥镜的直径为13mm ,因此它特别适用于作大肠镜。诊断过程中,医生一边看纤维镜中的图象,一边移动操纵杆给出前端的第1 ,2 节弯曲角指令和内窥镜前进、后退指令,通过计算机进行柔性控制,使内窥镜能够平滑地沿着通路前进或后退,大大减小了患者的痛苦,也增加了诊断的准确性。随着目前超大规模集成电路技术的飞速发展,可进一步制成微米级甚至更小的超微仿生物。(5)超弹性应用。
SMA 的伪弹性在医学上和日常生活中得到了广泛的应用,市场上的很多产品都应用了SMA 的伪弹性(超弹性)性质。主要有牙齿娇形丝、人工关节用自固定杆、接骨用超弹性Ni2Ti 丝、玩具及塑料眼镜镜框等。Ni2Ti 丝用于娇形上,即使应变量高达10 %也不会产生塑性变形,而且应力诱发马氏体相变的过程中,应变增大较多时矫正力却增加很少。故能保持适宜的矫正力,既可保证疗效,也可减轻患者的不适感。
三、存在的问题和研究方向
在SMA 的研究和应用中,目前尚存在许多有待解决的问题,例如:(1)由于SMA 的各种功能均依赖于马氏体相变,需要不断对其加热、冷却及加载、卸载,且材料变化具有迟滞性,因此SMA 只适用于低频(10Hz 以下)窄带振动中,这就大大限制了材料的应用。
(2)SMA 自身存在损伤和裂纹等缺陷,如何克服这些缺陷,改善材料性能是当前迫切需要解决的问题。
(3)现有的SMA 机构模型在实际工程应用中都还存在一些缺陷,如何克服这些缺点,从而精确地模拟出SMA 的材料行为也是一个需要研究的重要课题;(4)在医学应用方面,还需继续研究SMA 的生物相容性和细胞毒性。
(5)SMA 作为一种新型功能材料,其加工和制备工艺较难控制,目前还没有形成一条SMA 自动生产线,此外材料成本也相当昂贵。
(6)为了提高应用水平,SMA 元器件还需要进一步微型化,提高反应速度和控制精度,在这方面仍有许多工作要做。
SMA 研究今后的发展方向和趋势可归纳为以下几方面:(1)充分发掘、改进和完善现有SMA 的性能;(2)研究开发新的具有形状记忆效应的合金材料;(3)SMA 薄膜的研究与应用;(4)SMA 智能复合材料的研究与开发;(5)高温SMA 的开发。
四、前景展望
在形状记忆合金的实用化进程中,急需积累并分析关于材料特性、功能可靠性、生物相容性和细胞毒性等方面的基础数据资料。可以预言,随着对SMA 研究的进一步深化,传统的机电一体化系统完全有可能发展成为材料电子一体化系统。用途：航天领域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5厘米以下的小团，放入阿波罗11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面形状。这样就能用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线了。1)汽车：后雾灯罩、手动变速箱的防噪音装置、燃料蒸发气体排出控制阀；(2)电子设备：电子炉灶换气门的开闭器、空调风向自动调节器、咖啡牛奶沸腾感知器、电饭锅压力调节器、电磁调理器过热感知器、温泉浴池调理器等；(3)安全器具：过热报警器、火灾报警器、烟灰缸灭火栓等；(4)医疗方面：人工牙根、牙齿矫正丝、导线等；(5)生活用品：自动干燥库门开闭器、卫生间洗涤器水管转换开关、空调进出口风向调节器、浴池保温器、玩具、路标方向指示转换器、家庭换气门开闭器、防火挡板、净水器热水防止阀、恒温箱混合水栓温度调节阀、眼镜固定件、眼镜框架、胸罩丝、钓鱼线、便携电话天线、装饰品等。
五、结语
记忆材料 第6篇
关键词：形状记忆,高分子材料,发展趋势
1 概述
形状记忆高分子 (Shape Memory Polymer, 简写为SMP) 在特定条件下具有特定的形状, 随外部条件的变化, 其形状相应地改变并固定。当外部环境再一次规律性地变化时, SMP便恢复到初始态。至此, SMP循环完成记忆初始态-变形固定态-恢复初始态。促使SMP完成上述循环的外部条件有热能、光能、电能、声能等物理因素和酸碱度、螫合反应、相变反应等化学因素。
近年来, 形状记忆高分子材料作为功能材料的一个分支受到广泛关注。与其他功能材料相比, 原料充足, 品种多, 回复温度等条件范围宽;形变量大, 质轻耐用, 易包装运输, 应用范围广泛;易加工, 易赋形, 能耗低;价格便宜, 仅是金属形状记忆合金的1%;耐腐蚀, 电绝缘性强, 保温效果好[1,2]。
目前, 形状记忆效应表征和测试的指标主要有形变固定率、形状回复率、回复温度、回复应力、材料模量等。
2 分类及主要应用领域
形状记忆高分子材料 (SMP) 根据形状回复原理可分为4类[3]。
2.1 热响应型
室温以上变形, 室温形态固定且可长期存放, 当温度再次升至某一特定响应温度时, 制件能快速回复到初始形状。广泛用于医疗卫生、电子通讯、体育运动、建筑、包装、商品防伪商标、油田封井器、汽车保险杠、科学实验、军事装备快速装配恢复及通讯设施等领域, 如热缩连接紧固件、医用器械、泡沫塑料、座垫、光信息记录介质及报警器等。热响应型形状记忆高分子形变温度控制简单实用, 制备简便, 是目前形状记忆高分子研究和开发中最为活跃的领域。特别是形状记忆纤维的开发利用, 推动了纺织业的发展。
2.2 电/磁响应型
是热响应型形状记忆功能高分子材料与具有导电性能的导电炭黑、金属粉末及导电高分子等的复合材料。电流产生的热量使材料温度升高, 致使形状回复, 既具有导电性能, 又具有良好的形状记忆功能。主要用于电子通讯及仪器仪表等领域, 如电子集束管、电磁屏蔽材料等。
2.3 光响应型
将某些光感应变色的基团 (PCG) 引入高分子主链和侧链中, 当受到紫外光照射时, PCG发生光异构化反应, 分子链状态发生变化, 宏观形态相应变化;光照停止时, PCG光异构化反应可逆进行, 分子链的状态回复, 材料也回复原状。主要用作印刷材料、光记录材料、“光驱动分子阀”和药物缓释剂等。
2.4 化学感应型
材料周围介质性质的变化激发材料变形和形状回复。激发条件有p H值变化、平衡离子置换、螯合反应、相变反应和氧化还原反应等。这类物质有部分皂化的聚丙烯酰胺、聚乙烯醇和聚丙烯酸混合物薄膜等。该材料用于蛋白质或酶的分离膜、“化学发动机”等特殊领域。
3 制造SMP的原料
3.1 反式聚异戊二烯 (TPI)
具有化学交联结构的反式聚异戊二烯, 在熔点以上时, 就表现出明显的形状记忆效应。通过物料配比、硫化程度及添加物可调节形状记忆效果与回复温度。其特点是形变快速、回复力大、回复精度高, 但耐热性和耐候性差。
3.2 交联聚乙烯 (XLPE)
通过物理交联或化学交联方法, 使大分子链交联成网状结构作为固定相, 以结晶的形成和熔融作为可逆相, 形状记忆效应响应温度在110~130℃。交联后的耐热性、力学性能、耐常温收缩性和透明性等明显改善。
3.3 聚氨酯 (PU)
广泛地应用于服装、医疗、航空航天、化学、工业材料、信息技术以及食品和整容化妆等行业[4]。近年来, 在分子设计中引入交联剂, 得到了适度交联的形状记忆聚氨酯。生物相容性和力学性能良好, 调节组成和配比, 可以得到具有不同转变温度的材料。形状记忆聚氨酯对原料组分有特定的要求:
1) 软链段与硬链段的相分离程度越高, 形状记忆特性越好。
2) 硬链段含量适度, 能起到交联点的作用。
3) 软链段应有一定结晶度。原料分子链规整, 分子量大于2000。
3.4 凝胶体系
将聚氯乙烯皂化, 溶液反复提纯并制膜, 形成物理凝胶, 再用戊二醛引入化学交联键, 可制成具有形状记忆功能的化学凝胶;将丙烯酸和丙烯酸正十八烷酯自由基 (以AIBN为引发剂) 共聚24h, 形成具有热响应形状记忆的水凝胶。
3.5 聚降冰片烯
由乙烯与环戊二烯开环聚合得到聚降冰片烯无定形聚合物, 具有形状记忆功能, 玻璃化温度35℃, 受热250℃以上时, 试样可任意改变形状。只要环境温度不超过40℃, 短时间内回复原状, 温度越高回复越快。
3.6 其他
环氧树脂、苯乙烯与丁二烯共聚物、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、γ辐射交联的聚乙烯甲基醚的水溶液等具有形状记忆功能。
4 形状记忆机理
形状记忆机理及其过程。
高分子的形状记忆过程可以简单表示为:
式中:l———样品原长;
l'———形变量;
tg———聚合物玻璃态温度;
tms———聚合物软链段熔化温度。
作用机理分子模型, 如图1所示[4]。
形状记忆聚合物在65℃的温度下, 45s内回复至初始形态的过程, 如图2所示。这类形状记忆聚合物由固定相 (或硬链段) 和可逆相 (或软链段) 组成[5]。固定相在形状记忆过程中保持固定形状, 包括物理交联结构或化学交联结构。可逆相随温度变化能可逆地固化和软化, 为物理交联结构, 在形状记忆过程中表现为软链段结晶态、玻璃态和熔化态。在形状记忆过程中当温度上升到软链段的熔点或高弹态时, 软链段的微观布朗运动加剧, 易产生形变, 但硬链段仍处于玻璃态或结晶态, 阻止分子链滑移, 抵抗形变, 施以外力使其定形;当温度降低到软链段玻璃态时, 其形变被冻结固定下来, 提高温度, 回复至初始形状。
5 应用现状
形状记忆高分子具有质轻价廉、不锈蚀、易着色, 可印刷、形变量大, 易成型加工等特点。主要用途:
1) 热收缩连结材料。包括异径管和紧固销钉材料。形状记忆高分子材料制备热收缩管, 使用时用加热器将膨胀管加热到软化点以上, 低于一次成型温度, 膨胀管便收缩到初始状态, 紧紧包覆在被包物体上。热收缩管主要用于仪器内线路集合、线路终端的绝缘保护、通讯电缆的接头防水以及钢管线路结合处的防腐保护。
2) 容器外包衬里。将记忆树脂成型为管状, 加热并施以外力使其变为印刷的扁平状, 冷却固化后印刷, 然后再加热扩大管径, 冷却固化后套在容器上, 最后加热, 使其收缩而紧贴于器壁。
3) 功能纺织面料。在棉纤维素非晶区内架上高分子桥键, 制成防皱、不缩水、免熨烫、可保留衣服平滑度摺痕凹凸位原状的形状记忆棉纤维织物, 也可加工成防水透气型织物, 其透气性可以根据体温来调节[6]。
4) 生物医学。聚L-乳酸、聚异戊二烯、聚降冰片烯、聚氨酯以及脂肪族聚酯类等SMP均可以用于骨折固定材料[7,8], 温控质轻、相容性好、透气、抗菌、可多次使用, 是传统石膏类固形材料的理想替代品;牙齿矫形固定材料机械性能良好, 回复力持久, 应用前景良好[9];SMP应用于载药系统, 可实现药物的缓释和智能控制释放[10];可降解吸收的智能形状记忆缝合线[11]植入体内可被吸收, 不必再行手术取出;SMP微创医疗器械[12,13]具有高效、快捷、彻底、无毒副作用等优点;SMP对细胞的生长没有抑制作用的SMP组织工程支架、血液透析器、人工肌肉和器官、肥胖治疗等均显示了潜在的应用前景。
目前, 形状记忆高分子材料当中以热收缩管和膜工业产量最大, 应用领域最广。包括聚氯乙烯、聚烯烃类、聚酯类、氟塑料类等, 其中聚氯乙烯主要优点是价格便宜。聚烯烃类可分为通用型和阻燃型两大类, 通用型价格便宜, 可大量应用于包装工业;阻燃型多用于导弹、火箭、飞机等国防工业。聚酯类电学性能和机械物理性能优良, 广泛应用于电器工业的包封材料。氟塑料类耐高温、耐老化、耐化学腐蚀, 电学性能优异, 主要应用于国防尖端工业。
形状记忆聚氨酯弹性体, 具有价格低、易成型加工、应用范围广等优点, 且原料来源广、配方可自由调整、性能选择范围宽、能满足不同场合的要求。国外多家公司实现了工业化生产, 我国南京大学表面和界面化学工程技术研究中心已成功研制出了形状记忆温度为37℃的体温形状记忆聚氨酯弹性体。可以采用浇铸法直接制得, 也可以采用双螺杆挤出机, 先制成颗粒状, 再经注射成型制成成品。
6 发展趋势
SMP满足生物医学临床上的应用, 需具备并进一步提高与机体体温接近的相变稳定性、生物相容性、适度的生物降解性和适宜强度等综合性能。通过化学改性、深度交联、复合等途径使SMP响应回复条件更好地适合生物体的要求。
生物降解材料, 需研发解决降解可控性及高成本问题。可控性受制于配方, 和环境差异。为满足多种应用需要, 开发综合性能的品种是今后研究的方向。
形状记忆高分子材料存在形变回复小、耐热性差和回复精度不高等问题, 因此, 在形状记忆聚合物的分子设计、复合材料等方面尚需深入研究。需进一步提高性能, 降低成本。
通过共混、复配及功能组分等多种技术手段开发双向形状记忆及多重可逆性形状记忆复合高分子材料, 开发多功能性或通用型的形状记忆高分子材料, 使其即有工程技术性能又具有形状记忆功能。
形状记忆聚合物作为一种新型的功能性高分子材料, 将在纺织、服装、日用品及生物医学等领域广泛应用, 其经济效益和社会效益可期。我们期待着有一天形状记忆高分子材料能真正走入人们的家庭生活, 为我们创造更加美好的明天。
参考文献
记忆材料 第7篇
作为最主要的建筑结构形式之一,混凝土材料的研究和应用在土建领域起到非常重要的作用。2008 年汶川地震和最近的雅安地震中,我国居民伤亡惨重, 据有关调查研究,90%~95%的伤亡是由建筑物倒塌造成的。 这主要是由于混凝土是一种多孔性脆性材料,在使用过程中和周围环境的影响下不可避免地会产生裂缝和局部损伤,尤其是在外来荷载及地震情况下,使居民的生命财产受到很大程度的威胁。 因此,如何减少建筑物的倒塌,使混凝土及其结构自动适应环境, 在受到损伤时能自行修复,是解决结构中混凝土损伤、改善结构抗灾性能的最佳途径,已成为土木工程领域的研究热点[1,2,3]。
由于形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)材料具有形状记忆效应、伪弹性、高强度比、耐腐蚀、耐磨损等许多特有性能,形状记忆合金及其复合材料引起了智能材料研究领域的广泛关注[4,5,6]。SMA可以有效地自修复混凝土产生的裂缝,提高混凝土结构的阻尼耗能能力,且SMA本身作为抗拉材料具有强度高、耐腐蚀等优点。 因此,专家和学者们提出了智能形状记忆合金混凝土结构的概念[7]。
近年来,国内外工程界研究人员对SMA材料的力学性能进行了全面细致的研究,并且将SMA材料与混凝土结合,利用SMA良好的力学性能来改善混凝土构件的力学性能并控制其变形和裂缝。 已有的智能SMA混凝土材料的研究中, 一种是结构外置SMA的应用, 诸如周黎黎等用SMA筋取代外置预应力筋制成无粘结SMA智能混凝土梁[8,9,10]。 逐级对梁施加压力,当梁出现裂缝时,对SMA筋通电激励使其通过形状记忆特性产生收缩,进而达到闭合梁裂缝的目的。 然而对于如何有效合理地通过电击使其发生相变,以及如何控制温度对SMA相变的影响等问题还没有详细讨论。 另一种是混凝土结构内置SMA的情况。 诸如匡亚川、欧进萍等研究了在混凝土梁内部预埋SMA丝, 与修复纤维管共同工作,使其拥有了自我检测和自我修复的功能[11,12]。 当梁受荷载变形, 卸去荷载后,SMA由于超弹性性能可减少梁的变形,使裂缝闭合。 然而这样的结构过于复杂,若修复纤维管过多会破坏混凝土的整体性和强度,此外,虽然SMA丝埋在混凝土内,却没有形成有效的粘结力, 会降低SMA与混凝土共同工作的效能。 因此,有必要对SMA智能混凝土材料的力学性能进行进一步研究。
最近,专家们开始对SMA增强纤维复合材料进行研究,利用形状记忆合金的温度敏感性和形记忆效应控制结构变形,用以提高水泥基材料的力学性能[13],并开展了智能SMA混凝土材料的工程结构性能研究。然而还没有文献对智能SMA复合材料在抗压、抗弯和抗剪切的力学性能上进行详细的比较和研究,所以,对SMA纤维智能混凝土材料力学性能的实验室分析显得尤为重要。
本文以混凝土作为基体材料,将短切形状记忆合金(SMA)纤维和钢纤维分别掺入到混凝土中制备出SMA纤维智能混凝土材料和钢纤维智能混凝土材料。通过对SMA纤维掺量分别为1%、2%和3%的智能混凝土材料进行单轴压缩、 弯曲和剪切试验,并对实验室结果进行了比较和分析。
1 SMA材料的力学性能
近年来,对形状记忆合金材料的力学性能和本构模型的研究发展迅速,其在生物、医学、航空航天以及工程结构振动控制领域中的应用也得到了广泛的关注。 与此同时,许多学者将SMA用于当前迅速发展的智能复合材料结构中,提出了一系列SMA复合材料的本构模型。 而当使用细观力学和复合材料力学等方法来模拟SMA复合材料的本构关系时,首先必须考虑构成SMA复合材料的致密度,SMA材料的本构关系和相变特征。
随着温度和应力的改变,形状记忆合金将会出现两种相,即奥氏体相和马氏体相,人们通常把马氏体相变中的高温相称为奥氏体相(A)或母相,低温相称为马氏体相(M),且他们具有不同的晶格结构。 我们把从奥氏体相到马氏体相的转变叫马氏体相变,从马氏体相到奥氏体相的转变叫马氏体逆相变。 SMA在相变过程中晶格结构会有不同的排列方向,叫做变体。 马氏体变体的存在分为两种形式,一种是孪晶马氏体,另一种是非孪晶马氏体。 诱发马氏体相变的形式有三种,分别是热诱发、应力诱发和应变诱发。 热诱发马氏体相变是最简单的诱发形式,是指对形状记忆合金材料进行冷却,从而使其产生马氏体并长大,发生马氏体相变。 应力诱发马氏体相变则是在一定情况下由外加应力提供机械驱动力来补偿部分化学驱动力的不足,使马氏体相变得以进行。 应变诱发马氏体相变是在母相成核温度以上,此时应力协助成核,所需应力高于母相的真实屈服强度,因而在未达到应力诱发马氏体相变临界屈服应力之前,母相已经先发生真实的塑性变形,形成大量的位错和滑移带,这些位错相互交接为马氏体相变提供了新的成核位置,在这种情况下发生的马氏体相变为应变诱发成核的马氏体相变其成核位置不同于热诱发马氏体相变。 由于形状记忆合金具有以奥氏体和马氏体两种固态相存在的性能,现已经被广泛应用于工程的各个领域。
在只受温度作用的情况下,形状记忆合金具有四个临界相变温度, 分别为马氏体相变开始温度MS、马氏体相变完成温度Mf、奥氏体相变开始温度AS和奥氏体相变完成温度Af。 他们之间一般存在如下关系:Mf< MS< AS< Af。 下面用一个简单的示意图对热诱发马氏体相变现象进行说明, 图1 所示为SMA材料力学性能的描述曲线。 从图中可见,SMA有许多特殊的力学性能,基于加载的路径不同和材料的热力学历史不同可以分为伪弹性、形状记忆效应等。 当温度大于奥氏体完成温度时对其进行加卸载,材料将会体现伪弹性性能,如图1 中1 过程所示。 在一定应力下对材料进行温度循环分析,材料将出现温度作用下的马氏体奥氏体相互转换,如图1 中3 过程所示。 当材料在温度低于马氏体完成温度的情况下,对其进行加载卸载分析,加载过程中将会发生马氏体相变,而卸载过程中则无逆向变产生,如图1 中2 过程所示,而此时如果继续加热到温度大于以上,其形状便会回到原来的奥氏体相阶段,这种现象就是形状记忆效应。
将本文研究的SMA材料在万能试验机中进行室温下的单轴拉伸试验。 整个试验在万能试验机上进行,加载速率控制为2mm/min,连续测量随着试验力的变化,当加载到一定数值时,对SMA进行卸载试验,试验结果如图2 所示。 从图2 可见,随着荷载的增加,材料发生马氏体相变,而在卸载到应力为时,材料没能够恢复到初始阶段,这种原因主要是由于材料制作中奥氏体完成温度大于室温,再者就是材料本身具有塑性变形,使得卸载后不能恢复到初始状态。
2 SMA智能混凝土材料的试件制备
2.1 材料的配比
试验中混凝土配合比为水泥:砂:石:水=352649:1260:185(单位:kg/m3)。 SMA智能混凝土材料配合比见表1 所示, 砂的级配和碎石的级配如表2和表3 所示。
2.2 试件的制备
先将水泥和砂子干拌均匀,再向混合料中慢慢加水, 并湿拌2~3min, 待混合料进人流塑状态后,均匀地撒入钢纤维或SMA纤维, 同时继续搅拌,直至拌合均匀。将拌合料置于40mm×40mm×160mm的试模中,放到振动台上振动至密实。 将试件静置24h后拆模, 在标准养护箱中养护28d后进行抗弯、抗压和劈裂试验。 抗弯、 抗压和劈裂试验每组均为3个试件。
2.3 试验仪器和方法
在动静万能试验机上进行抗弯、抗压和劈裂试验, 加载速率控制为0.2mm/min, 试验按照GB50152—92《混凝土结构试验方法标准 》 分级加载,所有数据自动采集并存储至电脑。
3 试验过程及结果分析
3.1 抗弯试验
试验显示,未掺纤维的混凝土试件呈明显的脆性破坏。 当应力小于5MPa时,试件内部缺陷极少,几乎没有裂纹产生,当应力接近峰值应力时,试件突然断裂,并伴随轻微的声响,同时相应的应力-位移曲线急剧下降。而掺入钢纤维和SMA纤维的试件不再呈脆性破坏, 随着加载的不断增大, 试件跨中开始出现裂纹, 但应力-应变曲线仍基本呈现线性状态,随着荷载的进一步增加,裂纹逐渐发展成斜裂缝或者纵向裂缝,之后便不断听到钢纤维和SMA纤维从水泥基材中被拔出的声音, 当继续加载时,更多的钢纤维和SMA纤维被拔出,应力-应变曲线开始弯曲,达到极限荷载后,试件有较大变形,但仍然裂而不散,应力-应变曲线有稍微长的下降段。
3.2 抗弯试验结果分析
抗弯试验结果如图3 所示,各种编号的材料抗弯强度值如表4 所示。 试验结果表明,同等质量分数的钢纤维混凝土和SMA纤维混凝土,钢纤维混凝土的抗弯强度、屈服强度以及所能承受的最大力均大于同质量分数的SMA纤维智能混凝土材料。这是由于钢纤维的屈服强度大于SMA纤维, 虽然SMA材料具有相变储能的特性, 但在试验应力下,SMA纤维并未发生相变, 所以,SMA纤维所起到的作用只是提高材料刚度和纤维复合材料的作用,其相变储能体现未能体现。 其次,1%质量含量的钢纤维混凝土和1%质量含量的SMA纤维混凝土的力学性能都优于素混凝土。 这是因为添加了纤维后,材料成为增强纤维复合材料,根据复合材料力学,材料的刚度等力学性能有所提高。 再次,2%质量含量的SMA纤维混凝土材料的抗弯性能高于1%质量含量的SMA纤维智能混凝土材料,可见在小范围内提高纤维含量能提高复合材料的力学性能。 值得一提的是,3%SMA纤维混凝土的抗弯强度不遵循上述规律,其力学性能呈现降低的趋势,并低于1%质量含量的SMA纤维混凝土材料。究其原因主要是因为随着SMA纤维含量的继续增多,影响了混凝土材料的粘合和最佳配合比,使得过多的纤维含量不但没有增加抗弯强度,反而由于其含量较多,破坏了混凝土材料的正常配合比, 影响了混凝土材料的整体性,导致其抗弯强度降低。
3.3 抗压试验结果分析
抗压试验结果如图4 所示,各种编号的材料抗压强度值如表5 所示。 试验结果表明,1%质量分数的SMA纤维混凝土和同等质量分数的钢纤维混凝土在进行抗压试验时,钢纤维混凝土的抗压强度要高于SMA纤维混凝土,但是最大压力和极限抗压强度的差别并不是很明显,只是小幅度提高。 而相比于无纤维含量的素混凝土而言,材料所能承受的最大压力分别提高了43.91%和38.28%; 抗压强度分别提高了43.93%和38.28%。质量分数为2%的SMA纤维混凝土所能承受的最大力较1%SMA纤维混凝土提高16.11%,其抗压强度也相应增加16.09%。 但当混凝土中SMA的含量为3%时,试验结果与抗弯试验类似,材料的抗压强度会降低,且降低的比较明显,对混凝土的力学性能影响较大。
3.4 劈裂试验结果分析
劈裂试验结果如图5 所示,各种编号的材料劈裂试验数据如表6 所示。 劈裂试验的结果也显示了与抗弯和抗压试验同样的力学性能。
4 结论
(1) 加入一定含量的纤维后, 随着纤维含量的增加,增强纤维智能混凝土材料的力学性能不断提高,而当含量超过一定数值后,力学性能会降低。
记忆材料 第8篇
关键词：形状记忆合金,纤维,复合材料
作为一种智能材料,近年来人们提出了形状记忆合金纤维复合材料的设计方案,并开展了大量研究,如振动控制、裂纹控制等。弹性模量的确定是其中的一个基本问题。据作者掌握的资料,目前还没有这方面的实验研究。根据细观力学理论,复合材料的弹性模量应满足“混合律”[1,2]。文献[3]的实验结果表明,玻璃纤维-环氧树脂复合材料的弹性模量实验值略低于细观力学理论的计算结果,并建议对计算公式进行10%的修正。形状记忆合金纤维复合材料的实际弹性模量和细观力学理论值的偏差是多少?这是复合材料构件设计中必须回答的一个问题。本文对NiTi形状记忆合金纤维-环氧树脂基复合材料试件进行拉伸试验,比较弹性模量的实验值和理论值,从实验的角度验证计算弹性模量的“混合律”。
1 拉伸试件的制备
本文采用的环氧树脂的牌号为E-51(618),固化剂采用二乙烯三胺,增塑剂采用邻苯二甲酸二丁脂。常温下制造环氧树脂塑料中制成复合材料试件,环氧树脂、邻苯二甲酸二丁脂、二乙烯三胺的重量比为:1∶0.15∶0.11～0.12。
纤维采用近等原子比的NiTi形状记忆合金丝,直径0.65mm、奥氏体转变结束温度Af为55℃。将三根纤维固化于环氧树脂基体中,各试件的长均为160mm,纤维在基体中的布局如图1所示,试件的照片如图2所示,图3为拉伸试验的照片,各试件截面的宽b和高h见表1。
2 拉伸试验
本文作者分别对SMA纤维、环氧树脂基体、SMA纤维复合材料试件进行了静力拉伸试验。引伸计测量长度为50 mm。
3.1 纤维的拉伸性能
在电子拉伸试验机上对五根纤维(表2中编号为0—1至0—5)分别做拉伸试验。 SMA纤维线弹性阶段的应力-应变曲线如图4所示。用线性回归方法,根据应力、应变的测量值计算每根纤维的弹性模量,结果见表2。
3.2 基体的拉伸性能
表1中编号为1-1的环氧树脂基体试件在线弹性阶段的应力-应变曲线如图5。
3.3 SMA纤维复合材料试件的拉伸性能
SMA纤维复合材料试件(表1中编号为2—1至2—8)的线弹性阶段的应力-应变曲线如图6所示。图6中σ为平均应力,由σ=P/(Af+Am)计算,式中P为轴力,Af为3根纤维的横截面面积之和,Am为基体的横截面面积。
从图6中可以看出,在线弹性范围内,各试件的拉伸曲线的斜率很接近,说明这组试件的力学性质基本稳定。
3 和细观力学理论的比较
假设纤维、基体、纤维复合材料的弹性模量都是常数,采用一元线性回归法计算弹性模量的实验值。 5根纤维弹性模量的实验值的算术平均值为Ef=13.72 GPa,基体的弹性模量实验值为EM=2 640.54 MPa。由表1及纤维的横截面尺寸得纤维的体积百分含量Vf和基体的体积百分含量VM。由细观力学,纤维复合材料的沿纤维方向的弹性模量服从“混合律”[1]:E理=K(EfVf+EmVm),式中K为考虑到纤维的直线阵列不完全理想而采用的修正系数[3],对于玻璃-环氧树脂基体复合材料,文献[1,3]中取0.9到1.0。在本文计算中,K取1.0。SMA纤维复合材料试件沿纤维方向弹性模量的理论值E理和实验值E实的比较如表3所示。
4 结论
从表3可以看出沿纤维方向弹性模量的实验值均低于理论值,与理论值的误差均在5%之内,这说明计算弹性模量的“混合律”可以比较准确地预报NiTi形状记忆合金纤维复合材料沿纤维方向的弹性模量。
参考文献
[1]琼斯R M.复合材料力学.上海:上海科学技术出版社,1981:61—77
[2]杜善义,王彪.复合材料细观力学.北京:科学出版社,1998:42—51
记忆材料 第9篇
电子类产品更新换代很快, 如何有效地回收利用这些产品受到了广泛的关注[1,2]。但目前电子类产品回收再利用的效果并不理想, 主要是由于传统的设计方法很少考虑产品的拆卸性能, 拆卸效率低或根本无法非破坏性地拆卸, 造成回收成本高, 资源浪费严重, 且回收过程对环境的影响较大[2]。由于拆卸性能不好, 电子类产品淘汰废弃后, 目前的做法是将其整体破碎后从中分离出有用的材料[1,2,3], 这使得很多本来可以被重复利用的零部件失去了再利用的价值, 不但严重浪费资源, 使环境遭到污染, 同时破碎过程产生的粉尘和噪声还会对操作人员造成严重的健康威胁, 因此迫切需要一种能够有效改善产品拆卸性能的产品设计方法。
近年来, 以形状记忆材料为基础的主动拆卸 (active disassembly using smart materials, ADSM) 方法引起了人们的广泛关注。ADSM技术适用于以塑料为主要材料以及含有可重用零部件的电子类产品, 尤其适用于采用传统拆卸方法难以拆卸或拆卸效率不高但回收成本高的小型产品, 如手机、随身听、MP3等[4,5]。ADSM方法的原理为:用形状记忆材料 (主要是形状记忆合金 (shape memory alloy, SMA) 和形状记忆高分子材料 (shape memory polymer, SMP) ) 制成的主动拆卸结构代替传统的连接件, 当材料被加热到SMA或SMP的相变温度时, 主动拆卸结构即被激发变形从而失去连接功能, 进而实现产品的主动拆卸。
国外对电子类产品的主动拆卸作了许多研究。英国布鲁内尔大学的清洁电子产品研究所等研究机构针对电子类产品进行了一系列主动拆卸试验研究和方法研究, 对随身听、手机等电子类产品的主动拆卸试验已取得了一些成果[5,6,7,8], 并验证了在产品的全生命周期中, 应用ADSM方法对环境的影响比采用传统方法小得多, 而成本略有下降[9,10]。从其试验结果来看, SMA主动拆卸结构可以产生很大的变形力, 且激发时响应快, 拆卸效果很好, 但价格很高。目前, 国内外的相关研究主要集中于应用层面, 研究如何使具体产品实现主动拆卸, 缺少设计理论与方法的支持, 尤其是缺少最常用的SMP主动拆卸结构的设计及应用理论, 因此, 对基于SMP的产品主动拆卸设计理论与方法的研究显得十分必要。
1 SMP的特性
1.1 SMP形状记忆特性的机理
形状记忆高分子材料可看作是两相结构, 即由记忆起始形状的固定相和随温度变化能可逆地固化和软化的可逆相组成。在形状记忆高分子材料中, 由于聚合物分子链间的交联作用, 材料中固定相的作用束缚了大分子的运动, 表现出材料形状记忆的特性。并且, 可逆相在转变温度Tg (材料达到玻璃态与橡胶态时的临界温度) 会发生软化—硬化的可逆变化, 材料在Tg以上为软化状态, 当施加外力时分子链段取向, 使材料变形。当材料被冷却至Tg以下, 材料硬化、分子链段的微布朗运动被冻结、取向的分子链段被固定, 使得材料被定形。当成形的材料再次被加热时, 可逆相结晶熔融, 材料发生软化, 分子链段取向逐渐消除, 材料又恢复原始形状[11,12,13]。
1.2 SMP形状记忆特性的力学模型
关于SMP形状记忆特性的力学模型现在主要有三种模型。1997年, 日本学者Tobushi等[11,12]根据线性的黏弹性理论提出了黏弹性线性分析模型:
εs=S εc
式中, σ为应力;ε为应变;T为温度;E为弹性模量;μ为黏性系数;λ为延迟时间;α为热扩展系数;εc为蠕变应变;S为比例系数;εs为残余应变。
E、μ、λ都为与温度有关的量。
1.3 SMP形状记忆特性的数学描述
朱光明[13]借用橡胶的弹性理论, 对聚合物材料的形状记忆特性及影响材料形状记忆特性的因素进行了分析。他认为聚合物材料的弹性模量可以理解为材料的弹性系数, 所以形状记忆材料的热收缩性的大小可以用材料的弹性模量来特性化:
E=3Vka2g/T
式中, g为纠缠因子;k为玻兹曼常数;a为线性扭曲因子, 可定义为定向时的平均链长与非定向时的平均链长之比;V为单位体积的链数目;T为绝对温度 (Tm以上) 。
链数越多, 交联度越大, 缠结点越多。即V越大, 则E越大, 形状记忆性能越好。a也可理解为定向度, 形成交联后, 定向度a增大, 且a越大, E也就越大, 形变恢复能力也越好。SMP的形状记忆效应可以用E-T关系曲线来描述, 如图1所示。
2 基于SMP的产品主动拆卸设计方法
基于SMP进行产品的主动拆卸设计时应按图2所示流程进行。其中, 主动拆卸结构的连接方式与原来一般的连接方式相同, 原来的卡扣连接用形状记忆卡扣代替, 螺纹连接用形状记忆螺钉代替。
由于SMP的形状回复率很大, 因此在设计SMP主动拆卸结构时, 几乎可以不考虑激发后形变量不足以使连接失效的情况, 只需校核正常工作时的卡扣强度。
2.1 SMP主动拆卸结构的强度校核
从实现主动拆卸的原理上来说, SMP主动拆卸结构主要有两类。一类是利用SMP具有较大的形状回复性能, 制作卡扣代替传统的卡扣, 当SMP卡扣被激发时, 卡扣发生形变使得卡扣连接失效, 从而使产品拆解;或是用SMP制作螺纹连接件或铆钉, 激发后螺纹连接件的螺纹消失, 铆钉的弯头恢复为铆接前的状态, 从而使得连接失效。另一类是利用SMP在激发温度附近强度急剧下降几个数量级的特点, 制成主动拆卸结构, 并在装配时在两个被连接件之间安装一个或一组弹簧, 当达到激发温度附近时, SMP主动拆卸结构的强度大幅下降, 弹簧的弹力将主动拆卸结构破坏, 从而使其失去连接功能。从形状和功能上分类, SMP主动拆卸结构主要有卡扣、螺纹连接件和铆钉。
(1) 卡扣的力学模型。
卡扣的形式很多, 但基本是图3所示卡扣的变形与组合, 其力学原理基本相同。以图3所示的卡扣为例, 在正常工作时卡扣所受的可能破坏连接的力可以分解为垂直于连接面的力P和平行于连接面的力F。力P可能使卡扣被拉断而拆解, 也可能使卡扣弯曲而拆解;力F使卡扣弯曲分离而拆解。抗拉强度校核公式为
式中, [σ]为最高工作温度下SMP的抗拉强度;Pmax为正常工作时每个卡扣所受的最大拉力;A为卡扣的横截面积。
抗弯强度校核公式为
式中, ε为卡扣根部的应变;Q为偏转放大系数[14] (与卡扣形状有关的量) ;[ε]为SMP的许用应变;F为使卡扣脱开所需的力;S、L为卡扣的具体几何尺寸 (图3) ;E为SMP的弹性模量。
(2) 螺纹连接件与铆钉的力学模型。
设计主动螺纹连接件及铆钉, 主要是校核其正常工作时的抗拉强度、剪切强度及挤压强度。抗拉强度校核公式为
式中, [σ]′为最高工作温度下SMP的抗拉强度;P′max为正常工作时每个螺纹连接件所受的最大拉力;A′为螺纹连接件的横截面积。
剪切强度校核公式为
螺纹根部所受剪切应力
螺纹连接件的径向剪切应力
式中, [τ]为最高工作温度下SMP的剪切强度;St为螺纹根部的总截面积;F′max为正常工作时螺纹连接件所受的最大剪切力。
在设计第二类主动拆卸结构时, 除了要校核其正常工作时的强度, 还要计算所配弹簧的参数, 以保证弹簧的弹力足以破坏连接。正常工作时弹簧的弹力N应在以下范围:
[σ]″·A<N=k·s<[σ]′·A-Pmax
式中, [σ]″为激发温度下SMP的抗拉强度;k为弹簧的虎克系数;s为正常工作时弹簧的形变量。
可以利用有限元分析软件的模拟分析结果来辅助设计, 将图3所示的卡扣建模后利用有限元分析软件ANSYS10.0进行模拟, 分析结果如图4所示, 可以看出其在受给定的载荷F和P作用下的变形情况, 由于正常工作状态下G点的水平变形量应小于D (图3) , 据此可以校核卡扣的抗弯强度, 进而判断卡扣的尺寸是否满足要求。
2.2 SMP主动拆卸结构形状记忆功能的实现
SMP主动拆卸结构的主动拆卸功能主要是通过SMP材料的形状记忆特性实现。SMP材料的获取可通过普通塑料的辐照改性获得。
以卡扣为例, 若以SMP卡扣代替传统的卡扣, 其装配和正常使用时的外形及尺寸应与原卡扣相同, 但加热后会发生变形使卡扣松脱。在设计该SMP卡扣时, 应根据卡扣松脱所需的变形量设计出卡扣变形后的形状, 该形状用普通塑料注塑成形后经过一定剂量的辐照改性后即被材料“记忆”, 将其加热到材料的激发温度以上后模压为正常的卡扣形状 (其激发温度由材料的种类及辐照的剂量决定) , 并保持压力冷却到常温时, 卡扣即可保持此正常工作形状, 代替传统卡扣装配到产品中。当再次被加热到激发温度以上时, 卡扣将回复到其“记忆”的形状从而松脱, 实现产品的主动拆解。
其他SMP主动拆卸结构的设计和制造方法也与卡扣类似, 均为先用普通塑料制成希望其变形的形状, 辐照改性后再在激发温度以上模压为正常工作时的形状。
2.3 SMP主动拆卸结构的应用准则
基于SMP产品的主动拆卸设计主要是在设计产品时选用合适的主动拆卸结构代替传统的卡扣、螺钉等连接件, 当产品淘汰废弃时, 只需激发主动拆卸结构 (主要是通过加热) , 即可使产品的连接失效从而自行拆解。
应用主动拆卸结构时应满足以下准则:①所选主动拆卸结构的激发温度必须远高于产品的正常使用温度, 一般不低于60℃, 以保证产品在正常使用时不会发生拆解, 对部分可靠性要求较高的产品, 应同时选用两种或两种以上激发方式不同 (如通电、光照等) 的主动拆卸结构;②由于SMP主动拆卸结构的变形力较小, 因此其动作行程不能与其他零部件发生任何干涉, 以免影响主动拆卸效果;③尽量选择结构简单、激发后变形量较小的主动拆卸结构, 以保证其主动拆卸动作的可靠性, 提高拆卸效率;④尽量使主动拆卸结构靠近产品的外壳, 或直接用SMP制作产品的外壳, 以便于主动拆卸结构的激发, 减少产品的拆卸时间, 节约拆卸成本;⑤主动拆卸结构所用的SMP种类应尽量与其他塑料件相同, 以便于材料的回收。
对于手机等较小的产品, 由于热量可以较快地进入产品内部激发主动拆卸结构, 因此一般只需进行一级拆卸;而对于体积较大的产品如显示器等, 通过一级拆卸的方式需要很长的激发时间, 能耗较高, 因此可以使用多级拆卸的方式进行主动拆卸。多级拆卸是通过选用不同激发温度或激发方式的主动拆卸结构实现的, 以电脑的液晶显示器为例, 外壳的连接件选用激发温度为70℃的主动拆卸结构, LCD主动拆卸支架的激发温度为85℃, 其他零部件的连接件选用激发温度为100℃的主动拆卸结构, 这样, 当显示器依次通过温度为70℃、85℃、100℃的三个加热区, 即可实现外壳、LCD显示屏、其他零部件的依次主动拆卸。这不仅减少了产品的拆卸时间, 降低加热能耗, 而且便于产品零部件的分类回收, 保护了LCD显示屏等耐热性较差的可重用零部件。
3 实验验证
以一款电视机遥控器的主动拆卸设计为例, 传统的遥控器外壳连接方式为卡扣连接, 为了实现其主动拆卸, 设计时应用上述设计方法, 用形状记忆PVC制成的卡扣代替原来的卡扣, 如图5所示。加热激发后卡扣发生形变, 卡扣的头部消失, 使连接失效, 从而实现了主动拆卸, 如图6所示。
如表1所示, 与结构未改变的遥控器只能人工拆卸相比, 应用SMP主动拆卸结构的遥控器拆卸时间均大幅降低, 而且主动拆卸的方式可以同时拆卸一批产品, 因此拆卸效率明显提高, 以水浴加热每次同时拆卸5件遥控器为例, 拆卸效率是人工拆卸的23.5倍;与机械破碎法相比, 主动拆卸方法几乎不会破坏可重用的零件, 这对手机、显示器等零部件重用价值较高的产品回收尤其有利;与应用SMA主动拆卸结构的遥控器相比, 虽然拆卸效率有所下降, 但一方面SMP材料的成本 (自制改性PVC约0.15元/克) 仅为SMA (Ni-Ti合金市场价约1.5元/克) 的十分之一左右, 另一方面应用SMP主动拆卸结构对产品结构的影响较低, 不需增加额外的部件, 而是用主动拆卸结构代替连接件, 这对于产品的设计、装配都是更为有利的[14,15,16]。
注:加热温度均为90℃, 拆卸时间均为5次实验中去掉最大值和最小值后的平均值。
对应用SMP主动拆卸结构的产品来说, 水浴加热的效率高于空气加热, 但空气加热对电子类产品零部件的破坏较小, 适用的范围较广。适用于SMP主动拆卸结构的加热方法的比较如表2所示。
4 结论
(1) SMP材料变形回复率大, 成本较低, 常温下的机械性能与普通塑料相似, 适用于制作卡扣和螺钉等形式的主动拆卸结构。
(2) 设计应用SMP的主动拆卸产品时, 应按照先按传统方法设计普通产品, 再设计代替普通产品连接结构的主动拆卸结构, 最后调整主动拆卸结构的位置以便于激发的设计流程进行。
(3) 应用SMP设计或改进产品时应满足产品使用性能不降低、工作可靠、减少激发时间及降低结构复杂性的要求。