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(shí)現(xiàn)的。基于這樣的優(yōu)良特性，這類(lèi)金屬材料被廣泛應(yīng)用于數(shù)字自控、機(jī)器人、機(jī)械工程、汽車(chē)、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(lèi)號(hào)： TQ324文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(shí)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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有些特殊的銅鋅合金也有差不多的性質(zhì)。時(shí)至上世紀(jì)六十年代初，美國(guó)海軍機(jī)械研究所通過(guò)對(duì)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(yùn)用到了工業(yè)之中，并且效果良好;1969年7月20日，美國(guó)將鎳-鈦形狀記憶合金材料制成天線帶上月球，推動(dòng)了形狀記憶合金在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展;我國(guó)于上世紀(jì)80年代開(kāi)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(lèi)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(lèi)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(shí)意義。

1.2 形狀記憶合金的分類(lèi)

將高溫下材料的形變程度作為依據(jù)，SMA可以分為三類(lèi)：?jiǎn)纬獭㈦p程和全程記憶合金。這三類(lèi)材料最大的區(qū)別就在于，第一種材料的形變?cè)诘蜏禺a(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(duì)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(shí)則會(huì)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(shí)用正式作為商品生產(chǎn)的只有Ni系和Cu基兩大類(lèi)。

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(jī)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(jià)格昂貴且加工困難，相變溫度較低，主要應(yīng)用于專門(mén)領(lǐng)域。

銅基合金最常見(jiàn)的有銅鋅合金與銅鋁合金兩個(gè)系列，目前有研究證明，銅-鋅-鋁系列與銅-鋁-鎳系列的實(shí)用意義較為廣泛。這種材料相對(duì)于Ti-Ni合金而言，具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，并且容易加工，但由于該種材料疲勞強(qiáng)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：?jiǎn)纬?、雙程和全程記憶效應(yīng)。其含義為合金材料可以暫時(shí)儲(chǔ)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(jìn)行塑性變形，然后再加熱到高溫母相狀態(tài)時(shí)，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(shí)際的應(yīng)變值高于對(duì)應(yīng)的彈性極限應(yīng)變量，消除應(yīng)力條件時(shí)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(diǎn)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(dòng)而造成的彈性遷移的延遲，導(dǎo)致應(yīng)變相對(duì)于應(yīng)力影響也有所延遲，這就使得震動(dòng)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(jī)械、醫(yī)療、機(jī)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(jìn)了這些領(lǐng)域的發(fā)展。

2.2.1 在機(jī)械工程中的應(yīng)用

形狀記憶合金常用作汽車(chē)中的線制動(dòng)器（如：后視鏡折疊）、熱制動(dòng)器（如：離合器）、減震墊片以及儲(chǔ)能彈簧等使得汽車(chē)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(wèn)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(guò)太陽(yáng)光的照射，天線的溫度開(kāi)始上升，待溫度達(dá)到40℃左右形狀記憶合金制成的天線自然展開(kāi)，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(lèi)人體腔內(nèi)支架進(jìn)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(kuò)展后，可以在對(duì)應(yīng)部位制造出一個(gè)微小的空間。在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中這種手段效果顯著穩(wěn)定、操作不繁瑣，成本也相對(duì)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(diǎn)，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(jī)器人中的應(yīng)用

在計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展與融合趨勢(shì)下，目前所研發(fā)出的機(jī)器人具有十分強(qiáng)勢(shì)的功能，并被賦予了一定的計(jì)算功能，被大量運(yùn)用于各個(gè)行業(yè)。形狀記憶合金制成的人造肌肉、微制動(dòng)器等器件應(yīng)用于機(jī)器人中，使得機(jī)器人具有類(lèi)似人類(lèi)的感知，提升了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性和對(duì)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(mén)，暖氣片的控溫閥門(mén)、眼睛框架以及移動(dòng)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(dá)到大約48℃時(shí)，形狀記憶合金就會(huì)發(fā)生變形，使得閥門(mén)關(guān)閉，在水溫降到安全溫度以后，閥門(mén)才會(huì)重新打開(kāi)。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(zhǎng)時(shí)間佩戴眼鏡也不會(huì)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(huì)發(fā)生脫落。

3 前景展望

形狀記憶合金具有超強(qiáng)的智能性和實(shí)用性，其已經(jīng)成為材料領(lǐng)域目前較為熱門(mén)的項(xiàng)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(jìn)程，我國(guó)國(guó)內(nèi)的成果還有較大的進(jìn)步空間，尤其是其在應(yīng)用中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題還沒(méi)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(lái)，隨著科研團(tuán)隊(duì)的不斷努力，形狀記憶合金將會(huì)逐漸走入日常的商品化，包括但不局限于汽車(chē)、家電、航空航天、機(jī)器人、醫(yī)療等領(lǐng)域，人們生活中的部分小物品也將會(huì)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(shí)，也會(huì)直接推動(dòng)形狀記憶合金的進(jìn)一步發(fā)展。

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