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形状记忆合金在无线电波天线方面的应用与设计

来源:兰州大学材料与能源学院 作者:周婧桢

形状记忆效应:在一定的状态下施加应力产生百分之几到百分之十几的变形量之后,若将载荷卸除并加热至一定温度以上时,变形可以完全消除,材料恢复原状。

形状记忆合金的马氏体相变:由高温下保持稳定的晶体结构的母相(奥氏体),转变为低温下保持稳定晶体结构的马氏体相,叫马氏体相变。由马氏体到母相(奥氏体)的相变叫做马氏体逆相变。其中冷却时高温母相转变为马氏体的开始温度Ms与加热时马氏体转变为母相的起始温度As之间的温度差称为热滞后(As-Ms)。

马氏体相变的一般特征:

无扩散性相变。马氏体转变及其逆转变过程中,各个原子并不扩散(并非独自的移动),原子的迁移不超过一个原子间距。

共格性性相变。由于在相变时形成的马氏体和母相的特定位相的点阵存在严格的对应关系,逆相变时,只能回到原有的母相状态。

切变性相变。马氏体相变是沿着母相和马氏体的界面发生切变,伴随有表面浮凸宏观形状变化,但这种形变与滑移形变不同。

相变的可逆性。

单程记忆合金的记忆处理:

中温处理。中温处理是将冷加工后的合金材料按照所需要的形状加工成型,然后在400度到500度之间进行几分钟到几个小时的加热保温。

低温处理。所谓低温处理,就是在800度以上的高温下使合金材料完全退火,然后在室温下成型加工,再放入200到300度的温度下保温数分钟至数十分钟。由于经过完全退火,合金材料变得十分柔软,非常容易加工成型,特别适合做成形状复杂、曲率半径很小的产品。

时效处理。时效处理就是经过800到1000度均匀化处理后,让其急剧冷却,再放入400度左右的温度下经历几个小时时效处理的方法。其形状记忆效应与中温处理所得到的不相上下,但工艺复杂,成本较高。

双程记忆效应的记忆处理:

强制变形。对低温马氏体状态下的合金进行一定限度的、10%左右的可恢复强制变形。

约束加热冷却。将变了形的形状约束固定下来,然后将合金加热到高于Af温度50K,甚至更高一些;在外力不撤除的情况下,冷却到低温Mf以下。

训练。反复多次地重复上述变形、加热、冷却过程即可得到双程形状记忆效应。

若假定月球白天温度为100摄氏度,晚上为-150度,拟采用TiNi合金制作无线电波天线,假定飞船内温度为20度,对采用的合金进行设计如下:

采用的TiNi合金成分为:Ni含量在54%-56%之间。

天线使用时的形状为伸展开的半球形,便于接收到更多无线电信号,接收面积大。携带时的形状为折叠状的小球体,占据空间小,方便携带。

选用单程记忆合金,因为要保证天线在月球上白天(高温)和夜晚(低温)时都能保持使用形态。对于四个相变点的温度的选择为:要使天线白天能够完全转变为半球形,能正常使用,Af<100度;要使天线在携带途中保持折叠形态,As>20度,Ms<20度;要使天线晚上也能够保持半球形,能正常使用,Mf>-150度。

对于此合金的处理工艺选择低温处理。800度以上高温下使合金完全退火,使材料柔软,易于成型,然后在室温下成型加工,加工为半球形的使用形态。再在200到300度的温度下保温数分钟至数十分钟,再冷却至室温,折叠为便于携带的球形。

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