鎳鈦合金復(fù)合材料在節(jié)水閥門中的應(yīng)用

賀國(guó)俠

引言：鎳鈦合金復(fù)合材料是一種新型復(fù)合材料，近年來(lái)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越得到廣泛的應(yīng)用，除了由于航天，航空，軍事，醫(yī)療外，民用領(lǐng)域也越來(lái)廣泛。文章對(duì)鎳鈦合金復(fù)合材料在節(jié)水閥門中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

一、鎳鈦合金的內(nèi)容

鎳鈦合金是一種形狀記憶合金，形狀記憶合金是能將自身的塑性變形在某一特定溫度 下自動(dòng)恢復(fù)為原始形狀的特種合金。它的伸縮率在20%以上，疲勞壽命達(dá)1*10的7次方，阻尼特性比普通的彈簧高10倍，其耐腐蝕性優(yōu)于目前最好的醫(yī)用不銹鋼，因此可以滿足各類工程和醫(yī)學(xué)的應(yīng)用需求，是一種非常優(yōu)秀的功能材料。

二、金相組織特性

顧名思義，鎳鈦合金是由鎳和鈦組成二元合金，由于受到溫度和機(jī)械壓力的改變而存在兩種不同的晶體結(jié)構(gòu)相，即奧氏體相和馬氏體相。 鎳鈦合金冷卻時(shí)的相變順序?yàn)槟赶啵▕W氏體相）-R相-馬氏體相。 R相是菱方形，奧氏體是溫度較高（大于同樣地：即奧氏體開(kāi)始的溫度）的時(shí)候，或者去處載荷（外力去除Deactivation）時(shí)的狀態(tài)，立方體，堅(jiān)硬。形狀比較穩(wěn)定。而馬氏體相是溫度相對(duì)較低（小于Mf：即馬氏體結(jié)束的溫度）或者加載（受到外力活化）時(shí)的狀態(tài)，六邊形，具有延展性，反復(fù)性，不太穩(wěn)定，較易變形。

三、鎳鈦合金的特殊性能

1.形狀記憶特性（shape memory）

形狀記憶是當(dāng)一定形狀的母相由Af溫度以上冷卻到Mf溫度以下形成馬氏體后，將馬氏體在Mf以下溫度形變，經(jīng)加熱至Af溫度以下，伴隨逆相變，材料會(huì)自動(dòng)恢復(fù)其在母相時(shí)的形狀。實(shí)際上形狀記憶效應(yīng)是鎳鈦合金的一個(gè)由熱誘發(fā)的相變過(guò)程。

2.超彈性 （superelastic）

所謂的超彈性是指試樣在外力作用下產(chǎn)生遠(yuǎn)大于起彈性極限應(yīng)變量的應(yīng)變，在卸載時(shí)應(yīng)變可自動(dòng)恢復(fù)的現(xiàn)象。即在母相狀態(tài)下，由于外加應(yīng)力的作用，導(dǎo)致應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變發(fā)生，從而合金表現(xiàn)出不同于普通材料的力學(xué)行為，它的彈性極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通材料，并且不再遵守虎克定律。和形狀記憶特性相比，超彈性沒(méi)有熱參與。

記憶合金除具有獨(dú)特的形狀記憶功能外，還具有耐磨損、抗腐蝕、高阻尼和超彈性等優(yōu)異特點(diǎn)?？垢g性能：有研究表明鎳鈦絲的抗腐蝕性能與不銹鋼絲相仿。

3.抗毒性

鎳鈦形狀記憶合金特殊的化學(xué)組成，即這是一種鎳鈦等原子合金，含約50%的鎳，而已知鎳有致癌和促癌作用。一般情況情況下，表面層鈦氧化充當(dāng)了一種屏障，使Ni-Ti合金具有良好的生物相容性。表面層的TiXOy和TixNiOy能抑制Ni的釋放。

四、利用鎳鈦合金復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造恒溫節(jié)水器的應(yīng)用

下面簡(jiǎn)單介紹利用鎳鈦合金復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造恒溫節(jié)水器的應(yīng)用。

現(xiàn)在市場(chǎng)上90%的熱水冷水混合閥芯均采用的感溫包工藝：即閥芯的感溫原理是利用銅屑和石蠟混合后，經(jīng)過(guò)高溫高壓工藝進(jìn)行密封成型，作為感溫元件，當(dāng)水溫升高后，感溫包受熱膨脹，推動(dòng)閥芯位移，減小出水流量，以便達(dá)到控制水溫的目的，由于材料成本低廉，易形成大規(guī)模生產(chǎn)。但是，由于感溫包是高壓密封的，閥芯長(zhǎng)期工作狀態(tài)下，由于水溫，腐蝕等因素的影響，易產(chǎn)生泄露，開(kāi)裂，導(dǎo)致感溫包失效。容易引起燙傷等危險(xiǎn)情況的發(fā)生。

近年來(lái)，日本TOTO 公司研發(fā)制造出高端的利用鎳鈦復(fù)核感溫材料制成的恒溫彈簧閥芯。其原理就是利用鎳鈦合金記憶彈簧的線性記憶溫度特性，根據(jù)溫度的變化，引起彈簧的位移變化，從而改變發(fā)新的位移量，達(dá)到控制出水溫度的目的，由于鎳鈦合金材料具有抗疲勞壽命強(qiáng)大，耐腐蝕，等優(yōu)點(diǎn)，其可靠性大大提高。目前在歐美市場(chǎng)上，恒溫水龍頭及混合期已大量使用。據(jù)報(bào)道，節(jié)水效率可提高20%以上。

鑒于以上分析，本人有幸參與研制了國(guó)內(nèi)第一家恒溫閥芯的設(shè)計(jì)及制造。

由于鎳鈦合金材料的復(fù)雜性，金相組織復(fù)雜，我們與日本著名的古河公司進(jìn)行了合作，該公司處于鎳鈦合金研究領(lǐng)域世界前列，其產(chǎn)品在全世界占有率到達(dá)70%。

首先我們根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有市場(chǎng)的要求，特別是針對(duì)不同地區(qū)的環(huán)境，水溫，水壓，水質(zhì)的不同，設(shè)定閥芯對(duì)水溫的設(shè)定，給出鎳鈦復(fù)核材料的溫度曲線要求，協(xié)同古河公司提供復(fù)核規(guī)定的具有線性特性的恒溫彈簧。

同時(shí)，我們參照同類國(guó)外產(chǎn)品，重新設(shè)計(jì)閥芯，同類產(chǎn)品，日本等國(guó)家采用的是復(fù)核工程塑料，由于我國(guó)目前還沒(méi)有成熟的配套產(chǎn)品機(jī)加工設(shè)備，我們改變?yōu)榧庸ば阅芎们蟹€(wěn)定的黃銅。根據(jù)水道的的要求用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)圖。

樣機(jī)裝配好后，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，為此，專門研制了一臺(tái)綜合測(cè)試儀，可以在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)進(jìn)水，出水溫度，壓力，時(shí)間，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)初期，發(fā)現(xiàn)有個(gè)別溫度過(guò)高等現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)小批量樣機(jī)從新對(duì)此實(shí)驗(yàn)對(duì)比，對(duì)日本提供的彈性元件從新進(jìn)行了標(biāo)定，剔除了不符合要求的彈簧，確定達(dá)到線性要求。

我們隨后積極將樣機(jī)送往國(guó)內(nèi)知名企業(yè)，海爾，美的進(jìn)行了可靠性實(shí)驗(yàn)，反復(fù)使用次數(shù)抗疲勞達(dá)到了30000次的國(guó)內(nèi)最好記錄。獲得了一致好評(píng)。

目前已研制出8各大類，共20個(gè)規(guī)格的不同產(chǎn)品，由于使用壽命常，恒溫設(shè)定，反應(yīng)靈敏，特別對(duì)老人小孩的保護(hù)（防止?fàn)C傷）具有明顯的優(yōu)勢(shì)，節(jié)水效果明顯。閥芯已于國(guó)內(nèi)知名品牌企業(yè)配套，出口德國(guó)一，意大利等國(guó)家。

我國(guó)是一個(gè)缺水大國(guó)，恒溫閥芯即期節(jié)水功效越來(lái)越達(dá)到社會(huì)的認(rèn)可，希望國(guó)家加強(qiáng)在此領(lǐng)域的扶持，特別是在材料研究方面的重視，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，必將得到更加廣泛的認(rèn)可。

（作者單位：陜西省煤炭物資供應(yīng)公司）