形狀記憶合金

陳釗　徐淑瓊

【摘 要】形狀記憶合金是一種新型的智能材料，其特性為在特定溫度下可以恢復(fù)原始形態(tài)，一般而言這種特性的發(fā)生環(huán)境為高溫，其所具有的超彈性效應(yīng)、高電阻特性、在不同的溫度下具有的彈性模量可變性和自我恢復(fù)功能是一般金屬材料不能實現(xiàn)的?；谶@樣的優(yōu)良特性，這類金屬材料被廣泛應(yīng)用于數(shù)字自控、機器人、機械工程、汽車、航天航空、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

【關(guān)鍵詞】形狀記憶合金;優(yōu)良特性;應(yīng)用

中圖分類號： TQ324文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）13-0025-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.011

Shape Memory Alloy

CHEN Zhao XU Shu-qiong

（School of Mechanical and Vehicle Engineering，Linyi Shandong，China）

【Abstract】Shape memory alloy （SMA） is a new type of smart material. Its characteristic is that it can restore the original shape at a specific temperature. Generally speaking， the environment of this characteristic is high temperature. Its superelastic effect， high resistance， elastic modulus variability and self-recovery function at different temperatures are not realized by ordinary metal materials. Based on such excellent characteristics， this kind of metal material is widely used in digital automatic control， robotics， mechanical engineering， automotive， aerospace， biomedical and other fields.

【Key words】Shape memory alloy; Excellent characteristics; Application

1 形狀記憶合金的概況

1.1 形狀記憶合金發(fā)展史

上世紀(jì)三十年代初，瑞典學(xué)者奧蘭德第一次發(fā)現(xiàn)了一種特殊的金鎘合金出現(xiàn)了前所未有的“記憶”特性，引起了他極大的興趣，但由于當(dāng)時的科學(xué)設(shè)備條件以及技術(shù)使得該發(fā)現(xiàn)未能得到重視;1938年，哈佛大學(xué)研究人員在銅鋅合金中發(fā)現(xiàn)熱彈性效應(yīng)，仍未得到重視;1952年，Chang以及Read等人也發(fā)現(xiàn)金與鎘按一定比例混合出的材料也具有一定的恢復(fù)形變的能力，并且在后續(xù)的實驗中發(fā)現(xiàn)有些特殊的銅鋅合金也有差不多的性質(zhì)。時至上世紀(jì)六十年代初，美國海軍機械研究所通過對鎳與鈦的混合材料研究發(fā)現(xiàn)其可以一定程度記憶原始形狀并引起了材料科學(xué)界和工業(yè)界的極大重視。六十年代末，這種合金的特性第一次被運用到了工業(yè)之中，并且效果良好;1969年7月20日，美國將鎳-鈦形狀記憶合金材料制成天線帶上月球，推動了形狀記憶合金在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展;我國于上世紀(jì)80年代開始研制，雖然起步較晚，但截止到現(xiàn)在已經(jīng)形成鎳鈦基、銅基及鐵基的該類材料，并取得了初步的成就。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，這種類型的合金在材料領(lǐng)域地位也不斷上升，科研人員的努力探索也使得形狀記憶合金的發(fā)展更具有現(xiàn)實意義。

1.2 形狀記憶合金的分類

將高溫下材料的形變程度作為依據(jù)，SMA可以分為三類：單程、雙程和全程記憶合金。這三類材料最大的區(qū)別就在于，第一種材料的形變在低溫產(chǎn)生，在一定高溫下恢復(fù);第二種材料則是在不同溫度下恢復(fù)為對應(yīng)溫度下的形狀;而最后一種材料則是，高溫下為一種形態(tài)，低溫時則會呈現(xiàn)與前者相反的形態(tài)。

1.3 形狀記憶合金材料的研究現(xiàn)狀

迄今為止，人們發(fā)現(xiàn)具有形狀記憶效應(yīng)的合金大約有50多種，包括：金基鎘合金、銀基鎘合金、銅基鋅合金、金銅鋅合金、鎳鋁合金和鈦鎳合金等。目前，較為實用正式作為商品生產(chǎn)的只有Ni系和Cu基兩大類。

以鈦、鎳為基礎(chǔ)材料形成的合金所具有的形狀記憶性質(zhì)、耐用性與生物相容性，在許多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用并且效果良好，值得一提的是其在微機電系統(tǒng)的表現(xiàn)和其制成的Ti-Ni形狀記憶合金薄膜的使用;以碘、鎳為基礎(chǔ)材料形成的合金價格昂貴且加工困難，相變溫度較低，主要應(yīng)用于專門領(lǐng)域。

銅基合金最常見的有銅鋅合金與銅鋁合金兩個系列，目前有研究證明，銅-鋅-鋁系列與銅-鋁-鎳系列的實用意義較為廣泛。這種材料相對于Ti-Ni合金而言，具有明顯的價格優(yōu)勢，并且容易加工，但由于該種材料疲勞強度較低，晶界容易發(fā)生破壞且熱穩(wěn)定性差，所以在反復(fù)使用頻率不太高，可以滿足一般情況的條件下經(jīng)常使用。

2 形狀記憶合金的優(yōu)良特性及其應(yīng)用

2.1 形狀記憶合金的優(yōu)良特性

形狀記憶合金可以一定程度恢復(fù)原始形狀，并且具有超彈性、高阻尼性能以及相變超性性能等特性。

2.1.1 形狀記憶效應(yīng)

形狀記憶效應(yīng)主要分為三種：單程、雙程和全程記憶效應(yīng)。其含義為合金材料可以暫時儲存其原始形狀信息，并在一定條件下令自身還原成奧氏體狀態(tài)的能力，即合金在高溫下形成一定的形狀后，在冷卻至低溫馬氏體相變狀態(tài)后，將其進行塑性變形，然后再加熱到高溫母相狀態(tài)時，可以還原為較低溫度下最初形狀的效應(yīng)。

2.1.2 超彈性

超彈性（Super Elasticity， SE）指的含義為SMA實際的應(yīng)變值高于對應(yīng)的彈性極限應(yīng)變量，消除應(yīng)力條件時則還原為最初形態(tài)的能力。

2.1.3 高阻尼性能

形狀記憶合金具有良好的高阻尼性能，這一特點取決于晶體結(jié)構(gòu)下的馬氏體相變效應(yīng)。在應(yīng)力作用下，馬氏體相下應(yīng)激發(fā)生的多界面互相摩擦產(chǎn)生位置變動而造成的彈性遷移的延遲，導(dǎo)致應(yīng)變相對于應(yīng)力影響也有所延遲，這就使得震動能轉(zhuǎn)變成為內(nèi)能，宏觀體現(xiàn)則為減震阻尼。

2.2 形狀記憶合金的應(yīng)用

由于形狀記憶合金的特殊記憶功能，其應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，包括機械、醫(yī)療、機器人、航空航天及日常生活用品等多方面，形狀合金的應(yīng)用極大地促進了這些領(lǐng)域的發(fā)展。

2.2.1 在機械工程中的應(yīng)用

形狀記憶合金常用作汽車中的線制動器（如：后視鏡折疊）、熱制動器（如：離合器）、減震墊片以及儲能彈簧等使得汽車更具有安全和舒適性的部件。SMA也已經(jīng)應(yīng)用到了航空領(lǐng)域，Ni-Ti合金制成的傘形天線徹底解決了普通合金制成的天線占據(jù)宇宙飛船龐大體積的問題：在人造衛(wèi)星發(fā)射之前，將天線折疊之后再放入衛(wèi)星中，待火箭升空把衛(wèi)星送入預(yù)定軌道之后，通過太陽光的照射，天線的溫度開始上升，待溫度達到40℃左右形狀記憶合金制成的天線自然展開，恢復(fù)了原始的形狀。

2.2.2 在醫(yī)療器械方面的應(yīng)用

臨床中用的最普遍的就是Ni-Ti記憶合金，其具有耐磨、耐腐蝕、形狀記憶效應(yīng)和聲阻尼等特性。如利用它的形狀記憶效應(yīng)的介入醫(yī)療，將各類人體腔內(nèi)支架進行一定程度的壓縮處理，利用微腔的空間將其固定于人體血管等難以觸及的部位，支架擴展后，可以在對應(yīng)部位制造出一個微小的空間。在實際運用過程中這種手段效果顯著穩(wěn)定、操作不繁瑣，成本也相對低廉。又如Ni-Ti合金制成的牙齒矯正絲，由于Ni-Ti合金的超彈性，使得其制成的牙齒矯正絲具有彈性模量大、彈性應(yīng)變大的特點，不僅使得安裝更加方便，也增加了患者的舒適感。

2.2.3 在現(xiàn)代機器人中的應(yīng)用

在計算機控制技術(shù)的不斷發(fā)展與融合趨勢下，目前所研發(fā)出的機器人具有十分強勢的功能，并被賦予了一定的計算功能，被大量運用于各個行業(yè)。形狀記憶合金制成的人造肌肉、微制動器等器件應(yīng)用于機器人中，使得機器人具有類似人類的感知，提升了機器人的運動協(xié)調(diào)性和對位置的感知性能。

2.2.4 在日常生活中的應(yīng)用

在日常生活領(lǐng)域中，形狀記憶合金制作而成空調(diào)百葉板，浴室水管水溫的控制閥門，暖氣片的控溫閥門、眼睛框架以及移動電話的天線等已經(jīng)得到了良好的使用。家庭浴室使用的形狀記憶合金制作而成的防燙傷閥保證了使用者的安全，當(dāng)熱水水溫達到大約48℃時，形狀記憶合金就會發(fā)生變形，使得閥門關(guān)閉，在水溫降到安全溫度以后，閥門才會重新打開。Ti-Ni合金具有很好的柔韌性和超彈性，其制成的眼睛框架在鼻梁處和耳部可以使人感到更加的舒適，使得長時間佩戴眼鏡也不會感到壓迫;而且在高溫下，即使鏡片發(fā)生膨脹變形，該框架也可以依靠其超彈性使得鏡片牢牢地固定在鏡架上，不會發(fā)生脫落。

3 前景展望

形狀記憶合金具有超強的智能性和實用性，其已經(jīng)成為材料領(lǐng)域目前較為熱門的項目之一，被世界范圍內(nèi)的學(xué)者深入探究?？v觀全世界科學(xué)家在這一領(lǐng)域的研究進程，我國國內(nèi)的成果還有較大的進步空間，尤其是其在應(yīng)用中的幾個關(guān)鍵問題還沒有最優(yōu)的處理方案，仍需科研人員的努力探索。但相信在未來，隨著科研團隊的不斷努力，形狀記憶合金將會逐漸走入日常的商品化，包括但不局限于汽車、家電、航空航天、機器人、醫(yī)療等領(lǐng)域，人們生活中的部分小物品也將會普及形狀記憶合金的使用，在極大地方便了人們的生活的同時，也會直接推動形狀記憶合金的進一步發(fā)展。

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