新型智能手杖策划书

第一篇：新型智能手杖策划书

新 型 智 能 手 杖 设 计 策 划 书

课题名称新型智能手杖的设计 课题申请人

韩旭

所在院（部）

机械工程学院

课题指导教师

张新伟 职称讲师（硕士）

新型智能手杖策划书

手杖自从人类能够步行就开始使用，当今已成为许多老年人“助走”的晚年外出的必带之物。它既可稳身健步，又可增强体力，除此之外，手杖还有颇多妙用，人们通常称它是老年人的“第三条腿”。中国已经进入了老龄化社会，意味着手杖具有更大的消费群体。现在市场上的手杖基本都只是单一支撑功能，不具备各种新环境下应具有的智能功能。我们此次设计的是一种新型的、智能化的、多功能的、更便捷的手杖，手杖由GPS定位系统，距离传感器，指南针，小型手电筒、收音机等构成。

1.设计构思的提出

中国乃至世界的很多国家都已经进入老年化社会，对于老年人的日常生活质量应当有所提高，而我们的智能手杖的刚好能达到这个目的，让老年人摆脱种种出行的困扰。

在科技发展的今天，年轻人的产品到处可见，我们也想让老人们赶上潮流，让老人们的晚年更加幸福。现在越来越多的年轻人选择和父母分开住，许多老年人在退休后特别的孤独，有的都已经构成心理上的疾病了，在世界老龄化这一现实的条件下，老年人作为社会上的一个为数不少的群体，更应该引起我们更多人的关注。老年人在生理上许多功能都在退化，老年人的触觉在55岁之后有急剧迟钝的可能性，管理平衡的机能构造衰退导致姿势和步态不稳，也就加大了摔跤的可能性。

这个智能手杖的提出就是鼓励老年人多外出行走，好好享受阳光，享受生活，也是提高老年人晚年幸福生活的产物之一。

2.手杖设计项目

（1）GPS定位系统

如何实现GPS与手杖结合呢？把手杖把手第一节内中空，安装GPS电子设备，GPS接收机主要由接收天线、主机和电源组成。进行相关匹配然后由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，使得民用GPS定位精度只有100米。为提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS）技术，建立基准站（差分台）进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出数据，并对外发布。接收机收到该数据后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分GPS（DGPS），定位精度可提高到5米。导航系统主要由导航主机和导航显示终端两部分构成。内置的GPS天线会接收到来自环绕地球的24颗GPS卫星中的至少3颗所传递的数据信息，由此测定使用者当前所处的位置。导航主机通过GPS卫星信号确定的位置坐标与电子地图数据相匹配，便可确定使用者在电子地图中的准确位置。把手杖把手的第1节内中空,安装GPS电子设备，GPS接收机主要由接收天线、主机和电源组成。因为拐杖细长和重量轻,其内部电路集成度高,因此,选择伽明公司的GPS25-LVSOEM板作为主机。GPS25-LVS接收模块定位速度快,工作稳定,耐电压冲击,具有很好的抗干扰性,是目前应用最广泛的GPS接收处理板,能满足各种导航和授时领域的需求。GPS25-LVS输入输出的语句采用串行通信协议,符合NMEA-0183标准;输出的周期信号,主要由帧头、帧尾和帧内数据组成。由它接收来自天线的信号,通过变频、放大、滤波等一系列处理过程,实现对GPS卫星信号的跟踪、锁定、测量,从而产生计算位置的数据信息(包括:纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向、卫星状况等。在处理GPS数据时还要进行经纬度坐标和平面直角坐标系相互转换。函数MaptoReal()可实现直角坐标到经纬度的坐标转换,这样经过处理后的GPS定位数据信息就存放在内存中,接下来是等待状态切换,将这些信息通过电子地图的匹配,查表得出相应坐标的地理位置名称数据。

通过单片机输出的定位信息只是单一的数据信息,由于盲人视觉上无法识别,只能依靠听觉感知,所以需要将电子地图的地名坐标数据与定位数据进行相关匹配,矢量化后的电子地图数据与存储器里的表项数据对比程序查表,由于盲人视觉上无法识别,只能依靠听觉感知,所以需要将电子地图的地名坐标数据与定位数据通过串口发送给语音芯片进行语音读出。（2）距离传感器

如何实现距离传感器与手杖的结合？盲人使用拐杖时,无法准确的探明前方是否有障碍物,特别是悬挂在前方的障碍物,如果在拐杖把手的头部安装超声波测障器,可以很好地帮助盲人辨别障碍物方位。结合GPS定位功能,可以较好地辅助盲人生活出行。超声波发送模块包括超声波产生和发射两个部分构成。超声波的产生方法有两种,一种是硬件产生法,另一种是软件产生法。本设计采用硬件产生法超声波产生发射电路的作用是将振荡电路振荡产生40kHz的脉冲信号,由于产生的震荡信号非常的微弱,并且超声波在空气中传播时,能量随距离的增加而减小,回波的信号就更弱了,通过一个振荡达林顿管进行功率放大,来驱动超声波传感器的发射器发射超声波信号。整个震荡电路的启震是通过单片机出口发出的低电平脉冲触发。其中几个非门并接,可供较大的输出电流,从而提高电路的驱动能力,使得超声波器获的发射到足够的能量,产生稳定可靠的信号。超声波经发射后受障碍物反射返回,超声波接收器接收反射信号,并转换成电信号,经过放大、滤波、整形等处理后,即将回波信号转换成单片机的中断信号,当超过安全距离界限以后,蜂鸣器报警电路被启动,并发声报警。当拐杖的超声波检测电路检测到障碍物已经到达安全距离之内,单片机出口会形成一个高电平使晶体管导通,触发启动蜂鸣器报警,或者在遇到过马路以及需提醒周围行人注意时也可以手动启动蜂鸣器报警。超声波测障报警系统组成,系统总体采用单片机专业语言KeilC51编写软件分别调用子程序进行相应的串行通讯接口控制、波特率自适应控制等。GPS定位子系统软件由初始化模块、数据处理模块和人机(中断)模块组成。其原理图如下图所示。

将上述电路装入手杖的低端一节便可实现传感器系统与手杖的完美结合。（3）其他

还装有指南针、小型手电筒、收音机等，以满足不同的需求者。

3.手杖功能及优势

（1）GPS定位系统，据研究很多老人经常忘记回家的路，通过GPS定位系统，家人可以准确的，快速的知道老人的具体位置。

（2）距离传感器，这项功能主要是为盲人设计的，当盲人遇到前方有障碍物时，手杖手柄处会产生振动以提示盲人使用者前方存在障碍物。以及其他的辅助功能。

（3）手柄：坚固、耐用，使用起来更舒适，防滑设计,增加尼龙软质把手,轻松抓握更舒适.杖尖为钨锰钢杖尖很耐用，如果戳到石头缝隙或冰里，不容易打滑。尖端凹进去的，通常可以戳得更牢固。提供杖尖橡胶防护套，这样在比较松软的地上行走，也不会因为插入太深而拔不出

（4）可调节杖杆：杖杆四节，长度可自由调节，当不用的时候，可以收缩的更短，能方便的带在身上。最长可拉到1.2米，最短可缩至0.54米，使用非常方便。

4.创新点

经过我们小组查阅相关资料，现在市场上的拐杖功能都是比较单一的，有的带有手电筒，收音机等，却也称不上智能，只能说是多功能化的，而我们所设计的包含1）GPS定位系统，文中基于方便老年人、盲人、智障人士等特殊人群出行，便于监护人监控和寻找，综合应用 MCU 控制、GPS 定位、GSM/GPRS 传输、角度测量等技术，制作了一种智能定位报警拐杖。样机测试证明，当使用者的实际位置超出设定的范围或路径，可以给出提示信息，帮助使用者回到设定的范围或路径；在拐杖歪倒超过一定时间时，自动向监护人发送求救及定位信息，或者自动拨打相应的电话求救，对特殊人群的出行能够提供切实有效的帮助。据研究很多老人经常忘记回家的路，通过GPS定位系统，家人可以准确的，快速的知道老人的具体位置。2）距离传感器，这项功能主要是为盲人设计的，当盲人遇到前方有障碍物时，手杖手柄处会产生振动以提示盲人使用者前方存在障碍物。已经其他的辅助功能，这都是我们的创新点。

5.结论

中国乃至世界的很多国家都已经进入老年化社会，对于老年人的日常生活质量应当有所提高，而我们的智能手杖的正能达到这样的目的，让老年人摆脱种种的出行问题的困扰。让老年人舒心，让家人放心。

从研究“智能手杖”的人数较多可以看出，这是一个非常有前景的设计，虽然对于成品的制作过程和技术手段还存在很多技术瓶颈，但是智能手杖的研发终究是一个不可逆转的趋势。

第二篇：读《怪手杖》有感

读《点亮小桔灯》有感

我读了《点亮小橘灯》和《鼹鼠的月亮河》这两本书；我最喜欢《点亮小橘灯》这本书。这本书里有很多小故事，每一个故事我都要看上几遍，仔细体会他的意思。

《点亮小橘灯》里有一个神奇的故事叫《怪手杖》。有一位老人，快100岁了，老人从小的时候就在山上种树，以前这座山是一座秃山，老爷爷从小一直坚持在这座秃山上种树，这些树有的七十岁，有的六十岁，有的一岁......老人一上山树叶就鼓掌。花瓣就跳舞，山雀就歌唱。

这一天，老人过完100岁生日，老人又上了山，许多人都说，你已经100岁了，应该在家养老。老人说：我的腿还有劲，还能爬山。我的手很有劲能种树。人们听后只能给他一个手杖，让他拿着手杖拄着上山，还不放心，就派我扶着。

其实老爷爷腿很有劲，根本不需要我扶，也不用手杖，我跟老爷爷说：“您怎么不用手杖呢？这可是大伙的一片心意啊”老爷爷笑着说：对，对。就拄着手杖往山上走。

真奇怪，我发现他的手杖拄一下地，手杖上就长出一颗绿芽芽，当我们走上山顶的时候，手杖上已近长满了绿叶。

爷爷真高兴呀，和手杖说，你知道我最喜欢种树，你也想变成一棵小树对不对？手杖听后，跳一跳，像个高兴的孩子。于是，老爷爷把手杖插在了山顶上，转眼工夫手杖上长出好多绿油油，亮光光的新叶子，它是一课真正的小树了。下山后，人们都很奇怪，老爷爷怎么没有拄着那根手杖呢？老爷爷指着山顶：“我把它留在了山上了”而我呢，神秘的笑了笑。

通过这个故事妈妈又给我讲了许多关于植树造林的好处。树木是人类的好朋友，它净化空气，美化环境。树木长大了为人类的建设提供木材。但是现在砍伐树木严重，树林越来越少，因此我们要爱惜树木，向老爷爷学习植树造林。把我们的家园也建设的绿叶成荫，环境优美。这就是老爷爷的《怪手杖》的故事，老爷爷坚持不懈的精神值得我们学习。

第三篇：怪手杖教学设计

13、怪手杖

教学目标： 知识与技能：

1.会认2个生字，正确书写2个生字，掌握多音字“种”。2.能正确、流利、有感情地朗读课文。

3.理解课文内容，体会“老爷爷辛勤种树90年的心情”。过程与方法：

1.通过搜集中国林地占地面积的数据，了解我国环境问题。分析种树与环境的关系。

2.创设民主、和谐的学习氛围，采用小组合作学习的方式，理解课文内容。情感、态度与价值观：

让学生感受到世界环境所面临的危机，激发学生保护自然生态、热爱我们的地球的情感。

教学重点：

知道为什么老爷爷100岁了还依然坚持种树。教学难点：

了解老爷爷种树的原因，体会他从10岁到100岁不停种树的辛苦并快乐!课前准备： 1.生字词语卡片。

2.秃山图片，满山都是树的图片。

3.搜集全国1900-2016林地面积变化的数据。课时安排： 1课时 教学过程：

一、审视课题，导入新课

（一）课件出示课题：怪手杖。看了这个题目，你有怎样的猜想？学生说出自己的想法。

（二）这是一个怎样的拐杖呢？（学生展示搜集到的图片和文字资料，说一说。）

（三）教师课件出秃山和满山都是树的图片。“秃山怎们长出这么多的树的呢？读了课文你就知道了。”

二、自读课文，学习生字

（一）教师引导学生按要求自读课文。

1.画出课文的生字新词，读准字音，读通课文。2.画出描写山过去和现在的有关句子，有感情地读一读。

3.想一想：一座山得有多少棵树呢？一个人是怎样种这么多的树的呢？

（二）学习生字新词。

1.出示生字新词，学生认读。请学生说说这些字在读音和书写上应该注意什么。

2.要求学生用生字进行组词，并用这些词语说句子。3.指名分段读文。检查学生读课文情况。

三、集体汇报，学习课文

（一）思考：过去的秃山是什么样子？后来善成了什么样子呢？ 教师课件出示相关的图片、资料，播放资源库中的视频材料。

（二）引导学生说一说自己看到的景象：同学们，你们刚才看到了什么？想到了什么？

（三）要求学生读出文中描写满山都是树景象的句子。1.引导学生借助工具书，说说“惊奇”和“神秘”的意思。2.你从中体会到了什么？（老爷爷即辛苦有快乐）

3.指导学生有感情地朗读这一段。（课件出示语段，指导学生读出手杖为什么怪。）

4.指名朗读。

（四）教师小结：怪手杖是什么意思，为什么说它是怪手杖？

（五）教师出示语段，学生练习朗读。（课件出示）

（六）教师提问：第3自然段作者运用了什么修辞手法？（树叶鼓掌、花瓣跳舞、山雀唱歌，这都是拟人）

（七）想到这，你的心里感受怎样？（老爷爷很辛苦、有毅力、很快乐．．．．．．）

（八）如果你是慕名而来的游客，看到满山的树，你会说些什么呢？(学生自由反馈)

（九）教师导读：这样一座秃山怎么就长满了树的呢？怎么变的呢？（指名反馈，老爷爷90年不停地种树的结果。）

（十）教师：由于人们乱砍滥伐，浪费大量水资源，使树木不停地大量减少，而又有很多想老爷爷这样的人在种树栽树，才有我国林地面的不断增加的结果。

（十一）学习了这篇课文同学们学到了什么？（不能破坏树木，节约用纸，爱护我们的环境，自己制定一个栽树计划，每年的清明载多少棵树。）

四、课堂小结

（一）是呀，地球上还有许多的树木，还有许多正在被破坏的树木。同学们是不是想起了动画片《熊出没》？熊大熊二保护树木，光头强破坏树木啊！熊大熊二用自己的实际行动来保护环境，爱护地球。

（二）你们将怎样保护地球呢？（学生自由发表自己的想法）

（三）教师小结：地球是我们赖以生存的环境，是我们共有的家园。我们要爱护它，用我们的实际行动来保护它。

五、指导书写

（一）出示生字认读。

（二）在具体环境中认读：出示带有生字的句子。

（三）出示要写的生字。

（四）让学生挑出最容易写错的字如“杖”，进行指导。

（五）让学生找其他生字之间的联系和规律，如左右结构、上下结构的字在田字格中的占格位置等。

（六）学生练写其他的生字。板书设计：

怪手杖

从小种树

树多、树老

树爱爷爷、爷爷爱树

人们送手杖

爷爷上山

手杖变成树

保守秘密

教学反思：

第四篇：新型智能材料(形状记忆合金)论文（范文）

铁素体、奥氏体、马氏体

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

记忆合金目前已发展到几十种，在航空、军事、工业、农业、医疗等领域有着用途，而且发展趋势十分可观。这些研究表明我们已经做出了一个迈步，但我们需要将这一步迈的更大。加以时日，它将大展宏图、造福于人类。崔海宁.形状记忆合金在建筑领域中的应用[J].山西建筑, 20062 高志刚.形状记忆合金的应用[J].现代制造技术与装备, 20073 吴根华.形状记忆合金及其应用[J].安庆师范学院学报(自然科学版), 20044 周海锋.形状记忆合金及其应用[J].机电设备, 20025 王永前，赵连城.高温形状记忆合金研究进展[J].功能材料, 19956 杨凯,辜承林.形状记忆合金的研究与应用[J].金属功能材料, 2000 7 李建忱，吕晓霞，蒋青，周明.形状记忆合金研究的回顾与前瞻[J].吉林工业大学学报, 1995 8 张红，王小杰，涂水华.形状记忆合金及其应用[J].河南科技, 19969 曹运红.形状记忆合金的发展及其在导弹与航天领域的应用[J].飞航导弹, 200010 肖恩忠.形状记忆合金的应用现状与发展趋势[J].工具技术, 200511 刘建辉, 李宁, 文玉华.形状记忆合金的应用[J].机械,2001 , 28(3): 56～58

第五篇：新型智能材料(形状记忆合金)论文

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。

关键词：形状记忆合金、形状记忆合金效应、应用

一、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。

五、结语

记忆合金目前已发展到几十种，在航空、军事、工业、农业、医疗等领域有着用途，而且发展趋势十分可观。这些研究表明我们已经做出了一个迈步，但我们需要将这一步迈的更大。加以时日，它将大展宏图、造福于人类。

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