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    Ni—Ti系形狀記憶合金的應(yīng)用

    2014-06-26 10:10:22吳怡
    新媒體研究 2014年10期
    關(guān)鍵詞:形狀記憶記憶合金馬氏體

    摘 要 文章介紹了Ni-Ti形狀記憶合金的本質(zhì),Ni-Ti-X三元形狀記憶合金的種類(lèi)、性質(zhì)與應(yīng)用,Ni-Ti形狀記憶合金薄膜的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用,稀土元素對(duì)Ni-Ti記憶合金的改善以及Ni-Ti系形狀記憶合金的發(fā)展前景。

    關(guān)鍵詞 性質(zhì);Ni-Ti-X;Ni-Ti形狀記憶合金合金薄膜

    中圖分類(lèi)號(hào):TBl46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-7597(2014)10-0103-02

    形狀記憶合金是記憶材料中舉足輕重的一部分,其中Ni-Ti系合金是目前所有形狀記憶合金中研究最深入的合金材料。Ni-Ti系形狀記憶合金具有良好的力學(xué)性能,抗疲勞,耐磨損,抗腐蝕,形狀記憶恢復(fù)率高,其很好的生物相容性使得它成為唯一的生物醫(yī)學(xué)材料。經(jīng)歷了從“概念化熱潮”、“應(yīng)用化熱潮”到“產(chǎn)業(yè)化熱潮”的發(fā)展。

    1 Ni-Ti形狀記憶合金的本質(zhì)

    相圖是所有相變研究的基礎(chǔ),是研究合金組織和性能的重要依據(jù),圖1所示的Ni-Ti合金相圖是最近Massalski[1]等人在前人的基礎(chǔ)上稍做修改報(bào)道的。

    圖1 Ni-Ti合金相圖

    Ni-Ti形狀記憶合金的成分處于近等原子比范圍,在冷卻過(guò)程中除發(fā)生B19馬氏體相變外,還伴隨R(有公度)相變,其也是一種馬氏體類(lèi)型的相變。另外,合金還具有以下條件[2]。

    1)馬氏體相變是熱彈性的;馬氏體和母相的晶體點(diǎn)陣呈完全的晶體學(xué)可逆性的馬氏體相變稱(chēng)為熱彈性馬氏體相變。這類(lèi)材料的馬氏體,經(jīng)過(guò)重新加熱至一定的溫度,可通過(guò)類(lèi)似馬氏體相變的方式轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶?,稱(chēng)為逆馬氏體相變。熱滯小,相界面隨溫度升降能很快作往復(fù)運(yùn)動(dòng),相變中的母相晶體和馬氏體都是產(chǎn)生彈性變形,而且兩相界面始終保持著良好的協(xié)調(diào)性。部分合金及其轉(zhuǎn)變溫度見(jiàn)表1。

    表1 部分Ni-Ti系形狀記憶合金及其轉(zhuǎn)變溫度

    合金 成分 Ms/℃ AS/℃

    Ni-Ti

    Ti-Ni-Cu

    Ti-Ni-Fe Ti-50Ni

    Ti-51Ni

    Ti-20Ni-30Cu

    Ti-47Ni-3Fe 60

    -20

    80

    -90 78

    -12

    85

    -72

    2)馬氏體點(diǎn)陣的不變切變?yōu)閷\變,亞結(jié)構(gòu)為孿晶或位錯(cuò)。

    3)母相和馬氏體均為有序點(diǎn)陣結(jié)構(gòu);母相有序化合金的彈性極限較高,可以保證,在馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中母相與馬氏體之間的共格關(guān)系不會(huì)因晶格畸變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力而被破壞,使逆轉(zhuǎn)變成為可能[3];根據(jù)能量最低最穩(wěn)定,馬氏體只有轉(zhuǎn)變回原來(lái)的母相組織,系統(tǒng)最穩(wěn)定。

    4)相變時(shí)在晶體學(xué)上具有完全可逆性。點(diǎn)陣不變切變的結(jié)果是內(nèi)部孿晶,因而也保證了轉(zhuǎn)變的可逆性。

    2 Ni-Ti-X三元形狀記憶合金

    第三元素(X)對(duì)馬氏體相變的溫度有很大的影響。鐵、鋁、鈷、錳、釩、鈮和稀土元素鈰、釹等,使馬氏體相變溫度Ms呈直線(xiàn)下降。金、鉑、鈀、鉿、鋯提高M(jìn)s溫度。Cu對(duì)B2→B19相變溫度影響不大,但使相變順序發(fā)生變化[4]。

    1)Ni-Ti-Cu窄滯后形狀記憶合金。銅的加入抑制了合金MS溫度對(duì)成分的敏感性,且使相變滯后明顯變窄(4℃左右),如Ni50Ti30Cu20合金。合金對(duì)溫度場(chǎng)的反應(yīng)比較迅速,可以用于制成具有較高響應(yīng)頻率的敏感元器件。

    2)Ni-Ti-Nb寬滯后形狀記憶合金。Ni-Ti-Nb合金在一個(gè)特征形變溫度(MS+30℃)和臨界形變量范圍(14%~20%)條件下變形,可有效地提高馬氏體的穩(wěn)定性,使相變滯后增大,同時(shí)應(yīng)變恢復(fù)率和恢復(fù)力仍維持較高水平,這種特性與Ni-Ti-Nb合金的形變馬氏體組織結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。經(jīng)適當(dāng)?shù)淖冃魏笙嘧儨罂蛇_(dá)150℃,用這種合金制作的連接緊固件可在室溫下存儲(chǔ),工程應(yīng)用極為方便。

    3)高溫形狀記憶合金。Ni-Ti合金的MS溫度一般低于100℃,通常只能在低于100℃的溫度下使用。但在相當(dāng)多的情況下,如防火裝置、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)等要求的工作溫度一般較高,僅僅常溫下的形狀記憶合金遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足,為了擴(kuò)大記憶合金的應(yīng)用,需要發(fā)展高溫形狀記憶合金。我們采用合金化的方法,如添加貴金屬鈀、金和鉑來(lái)代替鎳或者添加鉿和鋯來(lái)代替鈦來(lái)提高相變溫度。

    3 Ni-Ti形狀記憶合金薄膜

    用濺射法制備N(xiāo)i-Ti合金薄膜,在襯底溫度低于200℃時(shí),所得到的Ni-Ti薄膜呈非晶態(tài),不顯示形狀記憶效應(yīng)。經(jīng)過(guò)400℃以上溫度晶化處理后,才能獲得形狀記憶效應(yīng)。與體材料類(lèi)似,Ni-Ti薄膜冷卻時(shí)也發(fā)生R相變和B19馬氏體相變。

    Ni-Ti形狀記憶合金薄膜的優(yōu)勢(shì)在于它的響應(yīng)速度快、做功輸出能力高,且集傳感與驅(qū)動(dòng)雙重功能。由于B2→R相變的相變滯后較窄,對(duì)溫度場(chǎng)的響應(yīng)較快,適合于制作微驅(qū)動(dòng)器[5]。且在恒壓力作用下,Ni-Ti合金薄膜的Ms溫度和可恢復(fù)應(yīng)變隨熱循環(huán)次數(shù)的增加而顯著提高,隨后達(dá)到某一穩(wěn)定值。而且,富鎳Ni-Ti合金薄膜在經(jīng)約束時(shí)效后可獲得良好的雙程形狀記憶效應(yīng)[6]。

    4 Ni-Ti形狀記憶合金的發(fā)展

    我們除了在Ni-Ti中加入常規(guī)第三組元來(lái)改善Ni-Ti的性能外,也可考慮在Ni-Ti中加入稀土元素來(lái)發(fā)展新型合金。王高潮等[7]在Ti-Ni形狀記憶合金基體中分別通過(guò)碳熱還原法和真空固滲法加入稀土Ce或Sm元素,形成稀土鎳金屬間化合物滲層,強(qiáng)化了Ti-Ni形狀記憶合金的表面,并使Ni-Ti合金的線(xiàn)性回復(fù)性能得以改善。但由于熔煉時(shí)不可避免坩堝的雜質(zhì)滲入到熔體,所以稀土元素對(duì)記憶合金的作用還有待進(jìn)一步研究[8]。

    目前,形狀記憶合金在工程上的應(yīng)用已有很多。工程上,可用在機(jī)械工業(yè)、自控和儀表工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)、兵器工業(yè)、航空和航天工業(yè)等方面。圖2為Ni-Ti合金在緊固銷(xiāo)上應(yīng)用的一個(gè)例子。這是形狀記憶合金一種最簡(jiǎn)單的應(yīng)用,從外部不能接觸到的地方可以利用這種方法,是其他材料無(wú)法替代的。可應(yīng)用于原子能工業(yè)、真空裝置、海底工程和宇宙空間工程等處。

    圖2

    在醫(yī)學(xué)上,主要使用的還是Ni-Ti合金,它對(duì)生物材料有較好的相容性,可以埋入人體做移植材料。從功能方面考慮,在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用就是利用其形狀恢復(fù)功能。例如,在心臟、下肢和骨盆靜脈中形成的血栓被剝離后,會(huì)通過(guò)血管游動(dòng)到肺部發(fā)生肺栓塞,一般我們需要使用抗凝劑或者進(jìn)行外科手術(shù),但這兩種方法都不是太安全,這時(shí)我們將一個(gè)形狀簡(jiǎn)單的馬氏體Ni-Ti直絲植入體內(nèi),由于體溫的作用,使其變成復(fù)雜的母相過(guò)濾器形狀,來(lái)阻擋凝結(jié)物進(jìn)入心臟、肺。

    5 結(jié)論

    形狀記憶合金薄膜可能會(huì)成為未來(lái)機(jī)器人和機(jī)械手的理想材料,除溫度外不受任何其他環(huán)境條件的影響,可望在核反應(yīng)堆、加速器、太空實(shí)驗(yàn)室等高科技領(lǐng)域大顯身手。

    參考文獻(xiàn)

    [1]Massalski TB,Okamoto H,Subramanian PR,Kacprzak L.editers.Bniary alloy phase diagrams[J].2nd ed,vo1.3.Ohio:ASM International,1990:2875

    [2]王正品,等.金屬功能材料[J].化學(xué)工業(yè)出版社,2004:261.

    [3]劉列義,洪偉卿,等.Ni-Ti形狀記憶合金的應(yīng)用[J].上海鋼研,1981(59):68.

    [4]張?bào)K華.功能材料及其應(yīng)用[J].機(jī)械工業(yè)出版社,2009:137.

    [5]秦桂紅,等.Ni-Ti形狀就醫(yī)合金薄膜的研究與應(yīng)用[J].上海鋼研,2005.

    [6]Gil F J,Solano E,Pena J,et al. J Mater Sci: Materials in Medicine,2004,15: 1181.

    [7]王高潮,楊剛,魯世強(qiáng),等.金屬功能材料,2004,11(6):12.

    [8]尹燕,徐仰濤,等.三元Ni-Ti基形狀記憶合金的研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報(bào),2006,20(12):70-73.

    作者簡(jiǎn)介

    吳怡(1992-),女,漢族,河南安陽(yáng)人,本科,單位:鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬材料專(zhuān)業(yè),研究方向:金屬材料。endprint

    摘 要 文章介紹了Ni-Ti形狀記憶合金的本質(zhì),Ni-Ti-X三元形狀記憶合金的種類(lèi)、性質(zhì)與應(yīng)用,Ni-Ti形狀記憶合金薄膜的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用,稀土元素對(duì)Ni-Ti記憶合金的改善以及Ni-Ti系形狀記憶合金的發(fā)展前景。

    關(guān)鍵詞 性質(zhì);Ni-Ti-X;Ni-Ti形狀記憶合金合金薄膜

    中圖分類(lèi)號(hào):TBl46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-7597(2014)10-0103-02

    形狀記憶合金是記憶材料中舉足輕重的一部分,其中Ni-Ti系合金是目前所有形狀記憶合金中研究最深入的合金材料。Ni-Ti系形狀記憶合金具有良好的力學(xué)性能,抗疲勞,耐磨損,抗腐蝕,形狀記憶恢復(fù)率高,其很好的生物相容性使得它成為唯一的生物醫(yī)學(xué)材料。經(jīng)歷了從“概念化熱潮”、“應(yīng)用化熱潮”到“產(chǎn)業(yè)化熱潮”的發(fā)展。

    1 Ni-Ti形狀記憶合金的本質(zhì)

    相圖是所有相變研究的基礎(chǔ),是研究合金組織和性能的重要依據(jù),圖1所示的Ni-Ti合金相圖是最近Massalski[1]等人在前人的基礎(chǔ)上稍做修改報(bào)道的。

    圖1 Ni-Ti合金相圖

    Ni-Ti形狀記憶合金的成分處于近等原子比范圍,在冷卻過(guò)程中除發(fā)生B19馬氏體相變外,還伴隨R(有公度)相變,其也是一種馬氏體類(lèi)型的相變。另外,合金還具有以下條件[2]。

    1)馬氏體相變是熱彈性的;馬氏體和母相的晶體點(diǎn)陣呈完全的晶體學(xué)可逆性的馬氏體相變稱(chēng)為熱彈性馬氏體相變。這類(lèi)材料的馬氏體,經(jīng)過(guò)重新加熱至一定的溫度,可通過(guò)類(lèi)似馬氏體相變的方式轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶啵Q(chēng)為逆馬氏體相變。熱滯小,相界面隨溫度升降能很快作往復(fù)運(yùn)動(dòng),相變中的母相晶體和馬氏體都是產(chǎn)生彈性變形,而且兩相界面始終保持著良好的協(xié)調(diào)性。部分合金及其轉(zhuǎn)變溫度見(jiàn)表1。

    表1 部分Ni-Ti系形狀記憶合金及其轉(zhuǎn)變溫度

    合金 成分 Ms/℃ AS/℃

    Ni-Ti

    Ti-Ni-Cu

    Ti-Ni-Fe Ti-50Ni

    Ti-51Ni

    Ti-20Ni-30Cu

    Ti-47Ni-3Fe 60

    -20

    80

    -90 78

    -12

    85

    -72

    2)馬氏體點(diǎn)陣的不變切變?yōu)閷\變,亞結(jié)構(gòu)為孿晶或位錯(cuò)。

    3)母相和馬氏體均為有序點(diǎn)陣結(jié)構(gòu);母相有序化合金的彈性極限較高,可以保證,在馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中母相與馬氏體之間的共格關(guān)系不會(huì)因晶格畸變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力而被破壞,使逆轉(zhuǎn)變成為可能[3];根據(jù)能量最低最穩(wěn)定,馬氏體只有轉(zhuǎn)變回原來(lái)的母相組織,系統(tǒng)最穩(wěn)定。

    4)相變時(shí)在晶體學(xué)上具有完全可逆性。點(diǎn)陣不變切變的結(jié)果是內(nèi)部孿晶,因而也保證了轉(zhuǎn)變的可逆性。

    2 Ni-Ti-X三元形狀記憶合金

    第三元素(X)對(duì)馬氏體相變的溫度有很大的影響。鐵、鋁、鈷、錳、釩、鈮和稀土元素鈰、釹等,使馬氏體相變溫度Ms呈直線(xiàn)下降。金、鉑、鈀、鉿、鋯提高M(jìn)s溫度。Cu對(duì)B2→B19相變溫度影響不大,但使相變順序發(fā)生變化[4]。

    1)Ni-Ti-Cu窄滯后形狀記憶合金。銅的加入抑制了合金MS溫度對(duì)成分的敏感性,且使相變滯后明顯變窄(4℃左右),如Ni50Ti30Cu20合金。合金對(duì)溫度場(chǎng)的反應(yīng)比較迅速,可以用于制成具有較高響應(yīng)頻率的敏感元器件。

    2)Ni-Ti-Nb寬滯后形狀記憶合金。Ni-Ti-Nb合金在一個(gè)特征形變溫度(MS+30℃)和臨界形變量范圍(14%~20%)條件下變形,可有效地提高馬氏體的穩(wěn)定性,使相變滯后增大,同時(shí)應(yīng)變恢復(fù)率和恢復(fù)力仍維持較高水平,這種特性與Ni-Ti-Nb合金的形變馬氏體組織結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。經(jīng)適當(dāng)?shù)淖冃魏笙嘧儨罂蛇_(dá)150℃,用這種合金制作的連接緊固件可在室溫下存儲(chǔ),工程應(yīng)用極為方便。

    3)高溫形狀記憶合金。Ni-Ti合金的MS溫度一般低于100℃,通常只能在低于100℃的溫度下使用。但在相當(dāng)多的情況下,如防火裝置、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)等要求的工作溫度一般較高,僅僅常溫下的形狀記憶合金遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足,為了擴(kuò)大記憶合金的應(yīng)用,需要發(fā)展高溫形狀記憶合金。我們采用合金化的方法,如添加貴金屬鈀、金和鉑來(lái)代替鎳或者添加鉿和鋯來(lái)代替鈦來(lái)提高相變溫度。

    3 Ni-Ti形狀記憶合金薄膜

    用濺射法制備N(xiāo)i-Ti合金薄膜,在襯底溫度低于200℃時(shí),所得到的Ni-Ti薄膜呈非晶態(tài),不顯示形狀記憶效應(yīng)。經(jīng)過(guò)400℃以上溫度晶化處理后,才能獲得形狀記憶效應(yīng)。與體材料類(lèi)似,Ni-Ti薄膜冷卻時(shí)也發(fā)生R相變和B19馬氏體相變。

    Ni-Ti形狀記憶合金薄膜的優(yōu)勢(shì)在于它的響應(yīng)速度快、做功輸出能力高,且集傳感與驅(qū)動(dòng)雙重功能。由于B2→R相變的相變滯后較窄,對(duì)溫度場(chǎng)的響應(yīng)較快,適合于制作微驅(qū)動(dòng)器[5]。且在恒壓力作用下,Ni-Ti合金薄膜的Ms溫度和可恢復(fù)應(yīng)變隨熱循環(huán)次數(shù)的增加而顯著提高,隨后達(dá)到某一穩(wěn)定值。而且,富鎳Ni-Ti合金薄膜在經(jīng)約束時(shí)效后可獲得良好的雙程形狀記憶效應(yīng)[6]。

    4 Ni-Ti形狀記憶合金的發(fā)展

    我們除了在Ni-Ti中加入常規(guī)第三組元來(lái)改善Ni-Ti的性能外,也可考慮在Ni-Ti中加入稀土元素來(lái)發(fā)展新型合金。王高潮等[7]在Ti-Ni形狀記憶合金基體中分別通過(guò)碳熱還原法和真空固滲法加入稀土Ce或Sm元素,形成稀土鎳金屬間化合物滲層,強(qiáng)化了Ti-Ni形狀記憶合金的表面,并使Ni-Ti合金的線(xiàn)性回復(fù)性能得以改善。但由于熔煉時(shí)不可避免坩堝的雜質(zhì)滲入到熔體,所以稀土元素對(duì)記憶合金的作用還有待進(jìn)一步研究[8]。

    目前,形狀記憶合金在工程上的應(yīng)用已有很多。工程上,可用在機(jī)械工業(yè)、自控和儀表工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)、兵器工業(yè)、航空和航天工業(yè)等方面。圖2為Ni-Ti合金在緊固銷(xiāo)上應(yīng)用的一個(gè)例子。這是形狀記憶合金一種最簡(jiǎn)單的應(yīng)用,從外部不能接觸到的地方可以利用這種方法,是其他材料無(wú)法替代的??蓱?yīng)用于原子能工業(yè)、真空裝置、海底工程和宇宙空間工程等處。

    圖2

    在醫(yī)學(xué)上,主要使用的還是Ni-Ti合金,它對(duì)生物材料有較好的相容性,可以埋入人體做移植材料。從功能方面考慮,在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用就是利用其形狀恢復(fù)功能。例如,在心臟、下肢和骨盆靜脈中形成的血栓被剝離后,會(huì)通過(guò)血管游動(dòng)到肺部發(fā)生肺栓塞,一般我們需要使用抗凝劑或者進(jìn)行外科手術(shù),但這兩種方法都不是太安全,這時(shí)我們將一個(gè)形狀簡(jiǎn)單的馬氏體Ni-Ti直絲植入體內(nèi),由于體溫的作用,使其變成復(fù)雜的母相過(guò)濾器形狀,來(lái)阻擋凝結(jié)物進(jìn)入心臟、肺。

    5 結(jié)論

    形狀記憶合金薄膜可能會(huì)成為未來(lái)機(jī)器人和機(jī)械手的理想材料,除溫度外不受任何其他環(huán)境條件的影響,可望在核反應(yīng)堆、加速器、太空實(shí)驗(yàn)室等高科技領(lǐng)域大顯身手。

    參考文獻(xiàn)

    [1]Massalski TB,Okamoto H,Subramanian PR,Kacprzak L.editers.Bniary alloy phase diagrams[J].2nd ed,vo1.3.Ohio:ASM International,1990:2875

    [2]王正品,等.金屬功能材料[J].化學(xué)工業(yè)出版社,2004:261.

    [3]劉列義,洪偉卿,等.Ni-Ti形狀記憶合金的應(yīng)用[J].上海鋼研,1981(59):68.

    [4]張?bào)K華.功能材料及其應(yīng)用[J].機(jī)械工業(yè)出版社,2009:137.

    [5]秦桂紅,等.Ni-Ti形狀就醫(yī)合金薄膜的研究與應(yīng)用[J].上海鋼研,2005.

    [6]Gil F J,Solano E,Pena J,et al. J Mater Sci: Materials in Medicine,2004,15: 1181.

    [7]王高潮,楊剛,魯世強(qiáng),等.金屬功能材料,2004,11(6):12.

    [8]尹燕,徐仰濤,等.三元Ni-Ti基形狀記憶合金的研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報(bào),2006,20(12):70-73.

    作者簡(jiǎn)介

    吳怡(1992-),女,漢族,河南安陽(yáng)人,本科,單位:鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬材料專(zhuān)業(yè),研究方向:金屬材料。endprint

    摘 要 文章介紹了Ni-Ti形狀記憶合金的本質(zhì),Ni-Ti-X三元形狀記憶合金的種類(lèi)、性質(zhì)與應(yīng)用,Ni-Ti形狀記憶合金薄膜的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用,稀土元素對(duì)Ni-Ti記憶合金的改善以及Ni-Ti系形狀記憶合金的發(fā)展前景。

    關(guān)鍵詞 性質(zhì);Ni-Ti-X;Ni-Ti形狀記憶合金合金薄膜

    中圖分類(lèi)號(hào):TBl46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-7597(2014)10-0103-02

    形狀記憶合金是記憶材料中舉足輕重的一部分,其中Ni-Ti系合金是目前所有形狀記憶合金中研究最深入的合金材料。Ni-Ti系形狀記憶合金具有良好的力學(xué)性能,抗疲勞,耐磨損,抗腐蝕,形狀記憶恢復(fù)率高,其很好的生物相容性使得它成為唯一的生物醫(yī)學(xué)材料。經(jīng)歷了從“概念化熱潮”、“應(yīng)用化熱潮”到“產(chǎn)業(yè)化熱潮”的發(fā)展。

    1 Ni-Ti形狀記憶合金的本質(zhì)

    相圖是所有相變研究的基礎(chǔ),是研究合金組織和性能的重要依據(jù),圖1所示的Ni-Ti合金相圖是最近Massalski[1]等人在前人的基礎(chǔ)上稍做修改報(bào)道的。

    圖1 Ni-Ti合金相圖

    Ni-Ti形狀記憶合金的成分處于近等原子比范圍,在冷卻過(guò)程中除發(fā)生B19馬氏體相變外,還伴隨R(有公度)相變,其也是一種馬氏體類(lèi)型的相變。另外,合金還具有以下條件[2]。

    1)馬氏體相變是熱彈性的;馬氏體和母相的晶體點(diǎn)陣呈完全的晶體學(xué)可逆性的馬氏體相變稱(chēng)為熱彈性馬氏體相變。這類(lèi)材料的馬氏體,經(jīng)過(guò)重新加熱至一定的溫度,可通過(guò)類(lèi)似馬氏體相變的方式轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶?,稱(chēng)為逆馬氏體相變。熱滯小,相界面隨溫度升降能很快作往復(fù)運(yùn)動(dòng),相變中的母相晶體和馬氏體都是產(chǎn)生彈性變形,而且兩相界面始終保持著良好的協(xié)調(diào)性。部分合金及其轉(zhuǎn)變溫度見(jiàn)表1。

    表1 部分Ni-Ti系形狀記憶合金及其轉(zhuǎn)變溫度

    合金 成分 Ms/℃ AS/℃

    Ni-Ti

    Ti-Ni-Cu

    Ti-Ni-Fe Ti-50Ni

    Ti-51Ni

    Ti-20Ni-30Cu

    Ti-47Ni-3Fe 60

    -20

    80

    -90 78

    -12

    85

    -72

    2)馬氏體點(diǎn)陣的不變切變?yōu)閷\變,亞結(jié)構(gòu)為孿晶或位錯(cuò)。

    3)母相和馬氏體均為有序點(diǎn)陣結(jié)構(gòu);母相有序化合金的彈性極限較高,可以保證,在馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中母相與馬氏體之間的共格關(guān)系不會(huì)因晶格畸變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力而被破壞,使逆轉(zhuǎn)變成為可能[3];根據(jù)能量最低最穩(wěn)定,馬氏體只有轉(zhuǎn)變回原來(lái)的母相組織,系統(tǒng)最穩(wěn)定。

    4)相變時(shí)在晶體學(xué)上具有完全可逆性。點(diǎn)陣不變切變的結(jié)果是內(nèi)部孿晶,因而也保證了轉(zhuǎn)變的可逆性。

    2 Ni-Ti-X三元形狀記憶合金

    第三元素(X)對(duì)馬氏體相變的溫度有很大的影響。鐵、鋁、鈷、錳、釩、鈮和稀土元素鈰、釹等,使馬氏體相變溫度Ms呈直線(xiàn)下降。金、鉑、鈀、鉿、鋯提高M(jìn)s溫度。Cu對(duì)B2→B19相變溫度影響不大,但使相變順序發(fā)生變化[4]。

    1)Ni-Ti-Cu窄滯后形狀記憶合金。銅的加入抑制了合金MS溫度對(duì)成分的敏感性,且使相變滯后明顯變窄(4℃左右),如Ni50Ti30Cu20合金。合金對(duì)溫度場(chǎng)的反應(yīng)比較迅速,可以用于制成具有較高響應(yīng)頻率的敏感元器件。

    2)Ni-Ti-Nb寬滯后形狀記憶合金。Ni-Ti-Nb合金在一個(gè)特征形變溫度(MS+30℃)和臨界形變量范圍(14%~20%)條件下變形,可有效地提高馬氏體的穩(wěn)定性,使相變滯后增大,同時(shí)應(yīng)變恢復(fù)率和恢復(fù)力仍維持較高水平,這種特性與Ni-Ti-Nb合金的形變馬氏體組織結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。經(jīng)適當(dāng)?shù)淖冃魏笙嘧儨罂蛇_(dá)150℃,用這種合金制作的連接緊固件可在室溫下存儲(chǔ),工程應(yīng)用極為方便。

    3)高溫形狀記憶合金。Ni-Ti合金的MS溫度一般低于100℃,通常只能在低于100℃的溫度下使用。但在相當(dāng)多的情況下,如防火裝置、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)等要求的工作溫度一般較高,僅僅常溫下的形狀記憶合金遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足,為了擴(kuò)大記憶合金的應(yīng)用,需要發(fā)展高溫形狀記憶合金。我們采用合金化的方法,如添加貴金屬鈀、金和鉑來(lái)代替鎳或者添加鉿和鋯來(lái)代替鈦來(lái)提高相變溫度。

    3 Ni-Ti形狀記憶合金薄膜

    用濺射法制備N(xiāo)i-Ti合金薄膜,在襯底溫度低于200℃時(shí),所得到的Ni-Ti薄膜呈非晶態(tài),不顯示形狀記憶效應(yīng)。經(jīng)過(guò)400℃以上溫度晶化處理后,才能獲得形狀記憶效應(yīng)。與體材料類(lèi)似,Ni-Ti薄膜冷卻時(shí)也發(fā)生R相變和B19馬氏體相變。

    Ni-Ti形狀記憶合金薄膜的優(yōu)勢(shì)在于它的響應(yīng)速度快、做功輸出能力高,且集傳感與驅(qū)動(dòng)雙重功能。由于B2→R相變的相變滯后較窄,對(duì)溫度場(chǎng)的響應(yīng)較快,適合于制作微驅(qū)動(dòng)器[5]。且在恒壓力作用下,Ni-Ti合金薄膜的Ms溫度和可恢復(fù)應(yīng)變隨熱循環(huán)次數(shù)的增加而顯著提高,隨后達(dá)到某一穩(wěn)定值。而且,富鎳Ni-Ti合金薄膜在經(jīng)約束時(shí)效后可獲得良好的雙程形狀記憶效應(yīng)[6]。

    4 Ni-Ti形狀記憶合金的發(fā)展

    我們除了在Ni-Ti中加入常規(guī)第三組元來(lái)改善Ni-Ti的性能外,也可考慮在Ni-Ti中加入稀土元素來(lái)發(fā)展新型合金。王高潮等[7]在Ti-Ni形狀記憶合金基體中分別通過(guò)碳熱還原法和真空固滲法加入稀土Ce或Sm元素,形成稀土鎳金屬間化合物滲層,強(qiáng)化了Ti-Ni形狀記憶合金的表面,并使Ni-Ti合金的線(xiàn)性回復(fù)性能得以改善。但由于熔煉時(shí)不可避免坩堝的雜質(zhì)滲入到熔體,所以稀土元素對(duì)記憶合金的作用還有待進(jìn)一步研究[8]。

    目前,形狀記憶合金在工程上的應(yīng)用已有很多。工程上,可用在機(jī)械工業(yè)、自控和儀表工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)、兵器工業(yè)、航空和航天工業(yè)等方面。圖2為Ni-Ti合金在緊固銷(xiāo)上應(yīng)用的一個(gè)例子。這是形狀記憶合金一種最簡(jiǎn)單的應(yīng)用,從外部不能接觸到的地方可以利用這種方法,是其他材料無(wú)法替代的。可應(yīng)用于原子能工業(yè)、真空裝置、海底工程和宇宙空間工程等處。

    圖2

    在醫(yī)學(xué)上,主要使用的還是Ni-Ti合金,它對(duì)生物材料有較好的相容性,可以埋入人體做移植材料。從功能方面考慮,在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用就是利用其形狀恢復(fù)功能。例如,在心臟、下肢和骨盆靜脈中形成的血栓被剝離后,會(huì)通過(guò)血管游動(dòng)到肺部發(fā)生肺栓塞,一般我們需要使用抗凝劑或者進(jìn)行外科手術(shù),但這兩種方法都不是太安全,這時(shí)我們將一個(gè)形狀簡(jiǎn)單的馬氏體Ni-Ti直絲植入體內(nèi),由于體溫的作用,使其變成復(fù)雜的母相過(guò)濾器形狀,來(lái)阻擋凝結(jié)物進(jìn)入心臟、肺。

    5 結(jié)論

    形狀記憶合金薄膜可能會(huì)成為未來(lái)機(jī)器人和機(jī)械手的理想材料,除溫度外不受任何其他環(huán)境條件的影響,可望在核反應(yīng)堆、加速器、太空實(shí)驗(yàn)室等高科技領(lǐng)域大顯身手。

    參考文獻(xiàn)

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    [5]秦桂紅,等.Ni-Ti形狀就醫(yī)合金薄膜的研究與應(yīng)用[J].上海鋼研,2005.

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    [8]尹燕,徐仰濤,等.三元Ni-Ti基形狀記憶合金的研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報(bào),2006,20(12):70-73.

    作者簡(jiǎn)介

    吳怡(1992-),女,漢族,河南安陽(yáng)人,本科,單位:鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬材料專(zhuān)業(yè),研究方向:金屬材料。endprint

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