形狀記憶合金及其應(yīng)用

董天宇

（成都市第七中學(xué)高新校區(qū)，四川 成都 610000）

目前記憶合金由于其特殊的形狀記憶特性受到了科學(xué)家和廣大人民群眾的關(guān)注。20世紀(jì)在一次美國海軍兵器研究所例會(huì)上，偶然地發(fā)現(xiàn)了鎳鈦合金的形狀記憶效應(yīng)，通過科學(xué)家的深入研究發(fā)現(xiàn)了數(shù)十種具備這種效應(yīng)的合金材料，從此以后記憶合金應(yīng)用于航天航空，生物醫(yī)學(xué)，土木工程等各個(gè)領(lǐng)域。它還被譽(yù)為“活的材料”，由于其巨大的發(fā)展?jié)摿Γ虼吮疚膶?duì)形狀記憶合金做一定的探討。

1 形狀記憶合金的原理和特性

形狀記憶效應(yīng)是指在低溫狀態(tài)下對(duì)合金施加外力導(dǎo)致其發(fā)生塑性變形，通過加熱到達(dá)一定溫度后（As），合金會(huì)恢復(fù)到原來高溫狀態(tài)下的形狀，我們把這種效應(yīng)稱之為形狀記憶效應(yīng)。形狀記憶效應(yīng)是由于合金在高低溫轉(zhuǎn)變時(shí)發(fā)生了兩次相變，先由奧氏體（母相）轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相，再由馬氏體相逆變?yōu)閵W氏體。

形狀記憶合金進(jìn)行熱加工和冷加工均可，其熱加工成型性好且本身也容易焊接。它還具有抗腐蝕性，抗疲勞性，高比強(qiáng)度，耐磨性等諸多優(yōu)良特點(diǎn)。

形狀記憶合金的特性主要分為四類

（1）單程記憶效應(yīng)：奧氏體到達(dá)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms時(shí)發(fā)生相變轉(zhuǎn)化為馬氏體，馬氏體到達(dá)奧氏體轉(zhuǎn)變溫度As時(shí)發(fā)生相變轉(zhuǎn)化為奧氏體，在馬氏體轉(zhuǎn)化為奧氏體的逆變過程中會(huì)恢復(fù)到奧氏體相的原有形狀，這種效應(yīng)只能記憶高溫相的形狀。

（2）雙程記憶效應(yīng)：雙程記憶效應(yīng)是由于在馬氏體相情況下，施加外力使合金發(fā)生形變產(chǎn)生了位錯(cuò)和一些不可逆的塑性形變，在加熱時(shí)，馬氏體相中可逆部分逆變?yōu)閵W氏體相，恢復(fù)到高溫相的形狀，冷卻時(shí)，在位錯(cuò)的影響下，形成一定的馬氏體，恢復(fù)到低溫相的形狀，這種效應(yīng)被稱為雙程記憶效應(yīng)，既可記憶高溫相的形狀，又可記憶低溫相的形狀。

（3）全程記憶效應(yīng)：全程記憶效應(yīng)在加熱時(shí)與單程記憶類似，但在冷卻時(shí)時(shí)，其恢復(fù)的形狀與原有形狀相同，但取向相反。

（4）超彈性效應(yīng)：對(duì)于形狀記憶合金，溫度和應(yīng)力都能引起合金內(nèi)部發(fā)生相變，在較低溫度下，對(duì)合金施加載荷后，合金發(fā)生形變，卸載后合金由馬氏體逆變?yōu)閵W氏體，恢復(fù)原始形狀。

2 形狀記憶合金的分類及其性能比較

形狀記憶合金常常按照基體的種類來分類，主要分為鎳鈦基，銅基和鐵基形狀記憶合金。

（1）鎳鈦基 鎳鈦合金的主要優(yōu)點(diǎn)在于疲勞壽命長，具有生物相容性并且機(jī)械性能優(yōu)越，因此這種材料長作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的記憶材料，也在生物醫(yī)學(xué)方面有很大的應(yīng)用前景。其中Ni-Ti、Ni-Ti-Cu、Ni-Ti-Fe最為常見。

（2）銅基 銅基相比于鎳鈦基來說，具有許多優(yōu)勢，首先是價(jià)格便宜，其次銅基的制作工藝更加簡易，熱加工性良好，它的導(dǎo)熱導(dǎo)電性相對(duì)鎳鈦基來說更高，在通信工程，機(jī)械制造，建筑行業(yè)有一定優(yōu)勢。其中典型的有Cu-Zn-Al、Cu-Al-Ni、Cu-Al-Mn。

（3）鐵基。鐵基形狀記憶合金不同于以上兩者，其記憶效應(yīng)是通過應(yīng)力誘發(fā)導(dǎo)致的馬氏體正逆變換。鐵基價(jià)格低廉，強(qiáng)度高，加工塑性好，但形狀記憶效應(yīng)相對(duì)較差。對(duì)新型鐵基記憶合金材料的開發(fā)如Fe-Ni-Co-Al-Ta-B，使鐵基記憶合金擁有更廣泛的應(yīng)用前景。

3 形狀記憶合金的應(yīng)用

形狀記憶合金特性多種多樣，因此其應(yīng)用也較為廣泛，以下選取一些典型應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)說明。

（1）鎳鈦基形狀記憶合金制作航天天線。制作天線主要應(yīng)用它的形狀記憶效應(yīng)的特性，在常溫下將天線變形裝入運(yùn)載器中，進(jìn)入太空環(huán)境后，利用太陽輻射或其它熱能，將天線加熱恢復(fù)到最初在地面設(shè)定的形狀。

（2）管接頭。形狀記憶合金管接頭主要用于石油管道等其他方面，普通焊接操作困難，且密封性較差，而形狀記憶合金不僅可以利用形狀記憶效應(yīng)連接管道，操作簡易，密封性良好，其本身耐腐蝕性，耐磨性優(yōu)良，更能勝任這類工作。

（3）火災(zāi)報(bào)警器。在特定溫度下將記憶合金元件設(shè)置為一對(duì)應(yīng)形狀，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，合金恢復(fù)到原狀帶動(dòng)其他元件工作并進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警及定位。這種方法有點(diǎn)在于不需要其他驅(qū)動(dòng)能源供給普通溫度傳感器工作，穩(wěn)定性更好。

（4）微型機(jī)械手制造。形狀記憶合金可以將溫度的變化轉(zhuǎn)換為力，在機(jī)械手中的作用與人體手臂中肌肉的作用相似，通過控制電流的通斷來控制溫度變化從而控制合金的伸縮，這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)更簡潔，緊湊，仿真性好，但工作中可能受外界環(huán)境溫度影響較大。

（5）記憶合金發(fā)動(dòng)機(jī)。這種裝置對(duì)于回收利用低質(zhì)能源（如冷卻水）有較大意義，實(shí)驗(yàn)中利用記憶合金鏈條的不同部位同時(shí)置于溫水和冷水中，從而產(chǎn)生伸縮力，伸縮力帶動(dòng)其他做功部位進(jìn)行做功。達(dá)到這種低質(zhì)能源的利用。

（6）牙齒矯正絲。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域用到的記憶合金大多為鎳鈦合金，因?yàn)檫@種合金有無毒低毒性耐蝕性和良好的生物相容性。用為牙齒矯正絲時(shí)一般采用超彈性材料，超彈性材料彈性范圍很大，又因?yàn)槠淞εc材料的彎曲程度并不成線性關(guān)系，在彎曲程度有變化的情況下，矯正力也不會(huì)發(fā)生太大變化，而普通材料，不僅對(duì)于醫(yī)者要求的操作難度較高，而且對(duì)于患者的舒適感相比超彈性材料也較差。

（7）消振器。對(duì)于一般消振材料當(dāng)消振效果好時(shí)，其強(qiáng)度往往較低，這兩者往往無法兼得，而形狀記憶合金不僅消振效果好，強(qiáng)度也很高，相比其他材料有著明顯優(yōu)勢。

4 形狀記憶合金的發(fā)展趨勢及發(fā)展阻礙

近年來記憶合金的研究與應(yīng)用發(fā)展迅速，如鎳鈦基合金在醫(yī)學(xué)骨科中的應(yīng)用，對(duì)薄膜形狀記憶合金的研究以及記憶合金在變厚度機(jī)翼上的應(yīng)用等。但是形狀記憶合金的發(fā)展道路也并不是一帆風(fēng)順下列出幾個(gè)發(fā)展之中的阻礙：①生物醫(yī)學(xué)中常采用鎳鈦合金，雖然其具有良好的生物相容性和無毒低毒性，但始終無法保證對(duì)人體的絕對(duì)安全，在治療安全方面需要進(jìn)一步研究。②在馬氏體的反復(fù)正逆轉(zhuǎn)變中會(huì)不可避免導(dǎo)致材料損傷，如何降低相變過程中的損傷提高材料的疲勞壽命是一件值得研究的課題。

5 結(jié)語

未來人民生活的進(jìn)步必然與科技的發(fā)展緊密相關(guān)，而形狀記憶合金作為一種新型的有巨大發(fā)展前景的功能材料必然會(huì)在未來的科學(xué)世界中大放異彩。但回到現(xiàn)實(shí)，記憶合金的發(fā)展仍然任重道遠(yuǎn)。記憶合金的功能和應(yīng)用領(lǐng)域還有待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和挖掘。相信在未來的生活中，記憶合金會(huì)使社會(huì)得到更大的發(fā)展，讓人們得到更多的便利。