形狀記憶合金的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

■謝海峰 裴 松 鄭 旋

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy,SMA)是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經(jīng)塑性形變并固定成另一種形狀后,通過(guò)加熱到某一臨界溫度以上又可恢復(fù)成初始形狀的一類合金。形狀記憶合金具有的能夠記住其原始形狀的功能稱為形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect,SME)。形狀記憶合金作為一種特殊的新型功能材料,是集感知與驅(qū)動(dòng)于一體的智能材料,因其功能獨(dú)特,可以制作小巧玲瓏、高度自動(dòng)化、性能可靠的元器件而備受矚目,并獲得了廣泛應(yīng)用。

一、形狀記憶合金的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

在金屬中發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)最早可追溯到20世紀(jì)30年代。1938年,美國(guó)的Greningerh和Moora2dian在Cu2Zn合金中發(fā)現(xiàn)了馬氏體的熱彈性轉(zhuǎn)變。隨后,前蘇聯(lián)的Kurdiumov對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了研究。1951年,Chang和Read在Au24715at%Cd合金中用光學(xué)顯微鏡觀察到馬氏體界面隨溫度的變化而發(fā)生遷動(dòng)。這是最早觀察到金屬形狀記憶效應(yīng)的報(bào)道。數(shù)年后,Burkhart在In2Ti合金中觀察到同樣的現(xiàn)象。

二、形狀記憶合金研究

目前已投入實(shí)用的形狀記憶合金主要有鎳一鈦系、銅系和鐵系或不銹鋼系三大類。

1.鎳一鈦系形狀記憶合金。鎳一鈦系合金是形狀記憶合金材料中性能最優(yōu)越而且用途最廣的一種。鎳一鈦系合金的延展性、形狀記憶強(qiáng)度、應(yīng)變、耐蝕性、電阻及穩(wěn)定性均較好,但其成本較高。這類合金的形狀記憶行為有單向和雙向兩種,其呈現(xiàn)記憶行為的溫度范圍可借助合金的改良而加大或縮小。

2.銅系形狀記憶合金。銅系形狀記憶合金比鎳一鈦記憶合金更便宜且容易加工成型,因此頗具發(fā)展?jié)摿?。但銅系形狀記憶合金的強(qiáng)度不如鎳一鈦記憶合金,反復(fù)受熱的形狀記憶能力也衰減較快。

三、形狀記憶合金應(yīng)用

1.醫(yī)療應(yīng)用。自1978年以來(lái),我國(guó)對(duì)TiNi形狀記憶合金及其制品進(jìn)行了廣泛的耐蝕性實(shí)驗(yàn)、生物毒性試驗(yàn),結(jié)果表明TiNi合金具有良好的生物相容性,而且在各種生理溶液或介質(zhì)中具有良好的耐腐蝕性,用其制成的各種制品植入人體后,未發(fā)現(xiàn)有排異性反應(yīng)或出現(xiàn)炎癥。

2.工程應(yīng)用。現(xiàn)在形狀記憶合金在工程領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用范圍從精密復(fù)雜的機(jī)器到簡(jiǎn)單的連接件、緊固件,從節(jié)約能源的形狀記憶合金發(fā)動(dòng)機(jī)到電流保護(hù)器管處處可見,反映了形狀記憶合金的奇異性能及小巧、靈活的特點(diǎn)。

四、我國(guó)形狀記憶合金產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

我國(guó)的記憶合金產(chǎn)業(yè)，經(jīng)過(guò)近30年的市場(chǎng)培育，已由20世紀(jì)90年代的小作坊式的生產(chǎn)進(jìn)入迅猛發(fā)展的產(chǎn)業(yè)化階段。我國(guó)從事記憶合金應(yīng)用研究的單位較多，其中具有較好研究基礎(chǔ)的有北京有色金屬研究總院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院沈陽(yáng)金屬所、西北有色金屬研究院、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)等。這些科研機(jī)構(gòu)對(duì)推進(jìn)我國(guó)記憶合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。我國(guó)記憶合金市場(chǎng)需求逐年遞增，產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐年增大，以TiNi合金為例，1999年我國(guó)年銷售量?jī)H有1t多，2002年全年銷售量達(dá)9t，2007年達(dá)40t，且預(yù)計(jì)近幾年每年將以不低于25%～30%的速度增長(zhǎng)。

五、存在的問(wèn)題與發(fā)展趨勢(shì)

在SMA的研究和應(yīng)用中,目前尚存在許多有待解決的問(wèn)題,幾個(gè)典型的問(wèn)題如下：（1）由于SMA的各種功能均依賴于馬氏體相變,需要不斷對(duì)其加熱、冷卻及加載、卸載,且材料變化具有遲滯性。（2）SMA自身存在損傷和裂紋等缺陷,如何克服這些缺陷,改善材料性能是當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。（3）現(xiàn)有的SMA機(jī)構(gòu)模型在實(shí)際工程應(yīng)用中都還存在一些缺陷,如何克服這些缺點(diǎn),從而精確地模擬出SMA的材料行為也是一個(gè)需要研究的重要課題。（4）在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面,還需繼續(xù)研究SMA的生物相容性和細(xì)胞毒性。（5）SMA作為一種新型功能材料,其加工和制備工藝較難控制,目前還沒(méi)有形成一條SMA自動(dòng)生產(chǎn)線,此外材料成本也相當(dāng)昂貴。（6）為了提高應(yīng)用水平,SMA元器件還需要進(jìn)一步微型化,提高反應(yīng)速度和控制精度,在這方面仍有許多工作要做。

記憶合金元件的小型化、智能化、大型化是元件設(shè)計(jì)的不同方向。一方面受國(guó)內(nèi)的條件制約，另一方面也面臨著國(guó)外企業(yè)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，我國(guó)的記憶合金產(chǎn)業(yè)還在以下幾個(gè)方面亟待加強(qiáng)。

第一，進(jìn)一步提升技術(shù)水平，縮小與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。

第二，強(qiáng)化記憶合金標(biāo)準(zhǔn)化和知識(shí)產(chǎn)權(quán)和商業(yè)秘密保護(hù)工作。

第三，加強(qiáng)行業(yè)自律，建立合理價(jià)格體系。SMA研究今后的發(fā)展方向和趨勢(shì)可歸納為以下幾方面:

（1）充分發(fā)掘、改進(jìn)和完善現(xiàn)有SMA的性能；（2）研究開發(fā)新的具有形狀記憶效應(yīng)的合金材料；（3）SMA薄膜的研究與應(yīng)用；（4）SMA智能復(fù)合材料的研究與開發(fā)；（5）高溫SMA的開發(fā)。

六、結(jié)論

隨著形狀記憶合金這一功能材料的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍還將進(jìn)一步擴(kuò)大，涉及運(yùn)輸，建筑，滑雪，家電以及日常生活用品等產(chǎn)業(yè)界的大部分領(lǐng)域。隨著記憶合金工程應(yīng)用需求的增長(zhǎng)，將促進(jìn)新型記憶合金的開發(fā)研究，使記憶合金逐漸向多品種，專業(yè)化方向的發(fā)展。特別是隨著記憶合金品種的日益增多，新興的適合工程推廣應(yīng)用的寬滯后記憶合金，廉價(jià)的便于加工制造的實(shí)用化新型鐵基形狀記憶合金的出現(xiàn),及不斷創(chuàng)新的制造方法在形狀記憶合金生產(chǎn)中的運(yùn)用,必將有力地推動(dòng)記憶合金工程應(yīng)用的深入發(fā)展。

[1]楊杰，吳月華.形狀記憶合金及其應(yīng)用[M].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,1993.