形狀記憶合金在機(jī)械工程中的研究與應(yīng)用

摘要：本文主要從形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展、形狀記憶合金的分類、形狀記憶合金在機(jī)械工程中的應(yīng)用、形狀記憶合金在機(jī)械工程中應(yīng)用的展望等方面做出了探討。

關(guān)鍵詞：形狀記憶合金;機(jī)械工程;應(yīng)用

1. 前言

隨著我國(guó)科技的不斷進(jìn)步與發(fā)展，形狀記憶合金的應(yīng)用越來越廣泛，本文就其在機(jī)械工程中的應(yīng)用加以探討。

2.形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展

縱觀形狀記憶合金的發(fā)展，與鋼鐵、鋁合金等廣泛使用的金屬相比，形狀記憶合金是一種具有感知和驅(qū)動(dòng)能力的新型功能材料，其應(yīng)用的最大價(jià)值在于“記憶”效應(yīng)（Shape Memory Effect ，簡(jiǎn)稱 SME）?！坝洃洝毙?yīng)的發(fā)現(xiàn)最早要追溯到1932年，由瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到。合金的形狀在某一溫度下受外力被改變，當(dāng)外力去除時(shí)，仍保持變形后的形狀，但一旦加熱到一定的躍變溫度時(shí)，材料又可以自動(dòng)回復(fù)到原來的形狀，似乎對(duì)以前的形狀保持記憶，這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金（Shape memory Alloy ，簡(jiǎn)稱 SMA）。形狀記憶效應(yīng)是指形狀記憶合金材料在完全母相狀態(tài)下定型，然后冷卻到一定溫度形成完全馬氏體，將馬氏體在該溫度下施加變形， 使它產(chǎn)生殘余變形，如果從變形溫度加熱，伴隨逆相變， 就可以使原來存在的殘余變形消失，并回復(fù)到母相所固有的形狀，仿佛合金記住了母相狀態(tài)所賦予的形狀。當(dāng)馬氏體變形后經(jīng)逆相變， 能恢復(fù)母相形狀的稱為單程形狀記憶效應(yīng)。有的材料經(jīng)適當(dāng)“ 訓(xùn)練” 后，不但對(duì)母相形狀具有記憶，而且在再次冷卻時(shí)能恢復(fù)馬氏體變形后的形狀，稱為雙程形狀記憶效應(yīng)。

形狀記憶效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)之后，人們從未停止過對(duì)記憶效應(yīng)微觀原理的探索，并逐步利用這一特性來應(yīng)用于特殊的場(chǎng)合。形狀記憶合金最早應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)是在1969年，人們采用了一種與眾不同的管道接頭裝置。為了將兩根需要對(duì)接的金屬管連接，選用轉(zhuǎn)變溫度低于使用溫度的某種形狀記憶合金，在高于其轉(zhuǎn)變溫度的條件下，做成內(nèi)徑比對(duì)接管子外徑略微小一點(diǎn)的短管（作接頭用），然后在低于其轉(zhuǎn)變溫度下將其內(nèi)徑稍加擴(kuò)到該接頭的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，接頭就自動(dòng)收縮而扣緊被接管道，形成牢固緊密的連接。據(jù)外國(guó)資料介紹，美國(guó)的F-14戰(zhàn)斗機(jī)使用了10萬個(gè)以上的類似這樣的接頭來連接液壓管道，從未發(fā)生過漏油、脫落或破損事故。應(yīng)用最早也最廣泛的形狀記憶合金是鎳鈦形狀記憶合金，但為了進(jìn)一步提升合金其他方面的性能，諸如耐高溫性能、抗疲勞性能等，人們向鐵鎳合金中不斷嘗試添加其他元素，從而進(jìn)一步研究開發(fā)了鈦鎳鐵、欽鎳銅、鈦鎳鉻等新的鎳鈦系形狀記憶合金。

3.形狀記憶合金的分類

3.1 鈦鎳形狀記憶合金

1963年，W. Buehler等人在美國(guó)海軍武器實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了鈦鎳形狀記憶合金具有可逆馬氏體相變導(dǎo)致形狀記憶效應(yīng)，隨后引起了人們的極大興趣，并很快得到應(yīng)用。迄今為止，有TiNi形狀記憶合金的研究仍在不斷地開展，在一系列的國(guó)際會(huì)議上，如馬氏體相變國(guó)際會(huì)議（ICOMAT）、歐洲馬氏體相變會(huì)議（ECOMAT）、形狀記憶與超彈性國(guó)際會(huì)議（SMST），形狀記憶材料國(guó)際會(huì)議（SMM）等，都占有很大比重，在有關(guān)智能材料和結(jié)構(gòu)方面的國(guó)際會(huì)議上也占有一定比重?，F(xiàn)在，鈦鎳合金因其兼具新穎的形狀記憶、優(yōu)良的超彈性等力學(xué)性能以及抗化學(xué)腐蝕性能與出色的生物相容性能已被廣泛地應(yīng)用于土木、機(jī)械、控制、電子等工業(yè)領(lǐng)域以及醫(yī)療器械中。

3.2 銅基形狀記憶合金

該類形狀記憶合金主要分為Cu-Zn系和Cu-Al系兩大類，并且這些銅基材料有一個(gè)共同點(diǎn)即母相為體心立方結(jié)構(gòu)（BCC）。與Ni-Ti基記憶合金相比，Cu基記憶合金具有成本低廉的優(yōu)勢(shì)，其中Cu-Al-Ni合金還具有足夠時(shí)效穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和高溫（可達(dá)近200℃）形狀記憶性能。但是，銅基合金易產(chǎn)生晶界斷裂和晶粒粗大，導(dǎo)致其力學(xué)性能相對(duì)較差，嚴(yán)重阻礙了其工程應(yīng)用。

3.3 鐵基形狀記憶合金

在鐵基合金中發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)與NiTi合金和Cu基合金相比，鐵基形狀記憶合金具有強(qiáng)度高、塑性好、易加工、價(jià)格低廉、使用方便（不需要在低溫保存）等優(yōu)點(diǎn)，其相變機(jī)理與其它記憶合金不同，因此無論在學(xué)術(shù)上還是在應(yīng)用領(lǐng)域都有重要研究?jī)r(jià)值。

3.4 非晶態(tài)形狀記憶合金

非晶態(tài)合金又稱金屬玻璃，在1980年左右，日本東北大學(xué)的井上名久教授制備出了具有較大非晶形成能力的金屬玻璃成分，在鑄造下其臨界尺寸已超過毫米級(jí)。臨界尺寸達(dá)到1毫米以上的金屬玻璃被稱為塊體金屬玻璃。

4.形狀記憶合金在機(jī)械工程中的應(yīng)用

形狀記憶合金由于具有許多優(yōu)異的性能因而廣泛用于自動(dòng)控制裝置、機(jī)器人、汽車工業(yè)、能源開發(fā)、醫(yī)療衛(wèi)生以及日用消費(fèi)品等領(lǐng)域。

4.1 用于汽車、機(jī)器人及能源開發(fā)等自動(dòng)控制

形狀記憶合金具有溫度傳感器的功能，同時(shí)其外形恢復(fù)時(shí)作功，又有執(zhí)行元件的功能，因此應(yīng)用于溫度傳感器及執(zhí)行元件上，其自動(dòng)控制非常靈敏。形狀記憶合金使用最多的是制動(dòng)器。目前，在汽車工業(yè)上使用的形狀記憶制動(dòng)器已達(dá)一百多種，主要用于控制引擎、傳送、懸吊等，以提高安全性、可靠性及舒適性。形狀記憶合金在汽車手動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的防噪裝置以及發(fā)動(dòng)機(jī)燃料氣體控制裝置上也得到應(yīng)用。

4.2 用于家用電器

形狀記憶合金還廣泛應(yīng)用于食品加熱器、空調(diào)器及電飯鍋等家用電器中。日本夏普公司使用形狀記憶合金元件控制食品加熱器的微波加熱和對(duì)流加熱的轉(zhuǎn)換，使食品加熱器的體積和重量都大大減小，成本降低2/3。又如，日本松下電器公司用形狀記憶合金制造的兩用空調(diào)機(jī)風(fēng)向轉(zhuǎn)換裝置，其風(fēng)門換向動(dòng)作十分靈敏 ：當(dāng)風(fēng)溫在32 ～ 37℃時(shí)向下吹 ;風(fēng)溫降到25 ～ 32℃時(shí)自動(dòng)改為水平方向吹。這種裝置性能穩(wěn)定、輕便、造價(jià)低，風(fēng)門啟動(dòng)無噪音，深受用戶歡迎。形狀記憶合金還廣泛用于制作電飯鍋恒溫器，溫度升高時(shí)會(huì)自動(dòng)開啟，斷開電路 ;溫度下降到一定程度又會(huì)接下電源而起到自動(dòng)保溫作用。

4.3 形狀記憶合金在醫(yī)療器械上的應(yīng)用

用鎳—鈦形狀記憶合金制作的血管疾病醫(yī)療器具有很多優(yōu)點(diǎn)。如，用形狀記憶合金制作的血管栓塞清除刀，在低溫下加工，使其呈卷筒狀，插入患者血管后，待溫度升到體溫時(shí)因形狀記憶效應(yīng)刀刃自動(dòng)平展，通過轉(zhuǎn)動(dòng)即可清除血管栓塞或沉積物。醫(yī)學(xué)專家還用形狀記憶合金絲與銀絲結(jié)合做成夾具，成功地進(jìn)行腦動(dòng)脈瘤的切除手術(shù)。

5.形狀記憶合金在機(jī)械工程中應(yīng)用的展望

形狀記憶合金因其奇特的形狀恢復(fù)功能，已在各領(lǐng)域獲得應(yīng)用，但是受其生產(chǎn)成本，特別是材料學(xué)方面問題的影響，在工程應(yīng)用上還沒有得到足夠地重視。在已開發(fā)的應(yīng)用實(shí)例中，面臨的最大問題首先是在大批量生產(chǎn)中難以控制合金的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，即記憶合金開始動(dòng)作的溫度，其次是雙程記憶性能會(huì)在熱循環(huán)過程中逐漸衰減。因此形狀記憶合金理想中的應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)該是不需要非常準(zhǔn)確的動(dòng)作溫度，僅利用其單程形狀記憶效應(yīng)，而且為了降低成本，合金中不應(yīng)含有貴重的合金元素，為此本文提出用Fe-Mn-Si形狀記憶合金替代預(yù)應(yīng)力混凝土中普通預(yù)應(yīng)力鋼筋的設(shè)想。預(yù)應(yīng)力混凝土的強(qiáng)度與其內(nèi)部鋼筋產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力密切相關(guān)，普通預(yù)應(yīng)力鋼筋僅依靠材料彈性變形時(shí)的應(yīng)力，形狀記憶合金不僅可恢復(fù)的變形量更大，而且在發(fā)生形狀恢復(fù)時(shí)可以產(chǎn)生很大的力，因此是生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力混凝土的理想材料。更為重要的是，用于生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力混凝土?xí)r，形狀記憶合金不需要非常準(zhǔn)確的動(dòng)作溫度，也不需要雙程形狀記憶性能。Fe-Mn-Si合金中也不含貴重的合金元素，雖然使用形狀記憶合金后預(yù)應(yīng)力混凝土的生產(chǎn)成本會(huì)略有上升，但是可望大幅度地提高混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)，綜合性價(jià)比會(huì)顯著上升。

6.結(jié)束語

科技改變生活，形狀記憶合金的研發(fā)及應(yīng)用越來越受到企業(yè)及研究人員的重視，加強(qiáng)該部分內(nèi)容研究非常具有現(xiàn)實(shí)意義。

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作者簡(jiǎn)介：

吳威武（1993.02.05-），本科，邵陽學(xué)院機(jī)械系。