Cu基形狀記憶合金的應(yīng)用進(jìn)展

黃海友，王偉麗，劉記立，謝建新,

(1.北京科技大學(xué) 現(xiàn)代交通金屬材料與加工技術(shù)北京實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)(2.北京科技大學(xué) 新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

Cu基形狀記憶合金的應(yīng)用進(jìn)展

黃海友1，王偉麗1，劉記立2，謝建新1,2

(1.北京科技大學(xué) 現(xiàn)代交通金屬材料與加工技術(shù)北京實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)(2.北京科技大學(xué) 新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

形狀記憶合金作為一種智能型功能材料，自1962年首次獲得應(yīng)用以來，在眾多相關(guān)領(lǐng)域得到了越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。Cu基形狀記憶合金以其良好的形狀記憶性能、優(yōu)秀的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、相變溫度可調(diào)范圍寬以及價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為具有重要發(fā)展?jié)摿Φ囊活愋螤钣洃浐辖?。近幾年，智能系統(tǒng)的迅速發(fā)展和高性能Cu基形狀記憶合金的開發(fā)較大的推動(dòng)了Cu基形狀記憶合金的應(yīng)用。綜述了近5年Cu基形狀記憶合金在交通運(yùn)輸、機(jī)械制造、土木建筑、生物醫(yī)療等方面的最新應(yīng)用實(shí)例，并對(duì)其未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

綜述；Cu基形狀記憶合金；超彈性；馬氏體相變；應(yīng)用

1 前 言

1963年，美國海軍武器實(shí)驗(yàn)室的Buehler等[1]開發(fā)出具有應(yīng)用價(jià)值的Ni-Ti形狀記憶合金，開啟了形狀記憶合金的實(shí)用階段。從此，形狀記憶合金開始廣泛應(yīng)用于航空航天、電子通信、醫(yī)療衛(wèi)生、機(jī)械制造、能源化工、土木建筑以及日常生活等眾多領(lǐng)域[2, 3]，有關(guān)形狀記憶合金研究的科技成果逐年遞增。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著智能材料、智能機(jī)構(gòu)研究的興起，將形狀記憶合金的應(yīng)用推向了更廣泛的領(lǐng)域[4]，相關(guān)的基礎(chǔ)理論研究、新材料開發(fā)及應(yīng)用的論文、專利等呈爆發(fā)式增長[5]。圖1是對(duì)1960～2013年全球所發(fā)表的形狀記憶合金相關(guān)論文和美國申請(qǐng)專利的統(tǒng)計(jì)(數(shù)據(jù)來源：SCOPUS和USPTO數(shù)據(jù)庫)，預(yù)期2010～2019這10年間，相關(guān)論文和專利數(shù)量將是上一個(gè)10年(2000～2009)的3倍[6]?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了形狀記憶合金產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，記憶合金材料全球市場貿(mào)易額在2010年已達(dá)到196億美元，預(yù)計(jì)到2016年會(huì)達(dá)到400億美元，年增長率將達(dá)到12.8%[5]。

圖1 形狀記憶合金相關(guān)論文和美國專利統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)[6]Fig.1 Number of “Shape Memory Alloy” articles and patens by years-group[6]

在目前已得到實(shí)際應(yīng)用的Ni-Ti、Cu基和Fe基形狀記憶合金3大體系中，Ni-Ti形狀記憶合金形狀記憶性能優(yōu)異，強(qiáng)度、韌性和耐蝕性好，實(shí)際應(yīng)用也最多，但其原料成本和制備加工成本高昂，限制了其作為普通產(chǎn)品的大規(guī)模應(yīng)用。Fe基形狀記憶合金的價(jià)格雖然低，合金強(qiáng)度也很高，但其相變溫度可調(diào)范圍窄，形狀記憶性能穩(wěn)定性差，生產(chǎn)過程也較復(fù)雜，雖然也具有應(yīng)用前景，但目前仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

Cu基形狀記憶合金是已發(fā)現(xiàn)的形狀記憶合金材料中種類最多的一類，主要可分為Cu-Al系和Cu-Zn系，其中最具實(shí)用價(jià)值的是Cu-Zn-Al、Cu-Al-Ni和Cu-Al-Mn 3大類。Cu基形狀記憶合金具有形狀記憶性能優(yōu)良，價(jià)格低廉(只有Ni-Ti合金的1/10)、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能良好、相變溫度可調(diào)范圍寬等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]。目前，除了長期植入型醫(yī)療器件應(yīng)用和部分反復(fù)使用次數(shù)高或使用條件苛刻領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用只能依靠Ni-Ti合金來完成，其他領(lǐng)域的應(yīng)用，Cu基形狀記憶合金均可完成。另外，Cu基形狀記憶合金由于成本低廉、易加工、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能和阻尼性能良好等優(yōu)點(diǎn)，在電子通信、機(jī)械制造、土木建筑及日常生活等應(yīng)用領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢(shì)，例如由于對(duì)熱敏感性高，相變溫度可控范圍廣，使用Cu基形狀記憶合金制造的溫控器件結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、可靠性好[7]，已廣泛應(yīng)用于溫室天窗開閉器[8]、恒溫自動(dòng)控制器、控溫水閥[9]、電加熱水壺控制器、百葉窗或遮陽張合裝置[10]、空調(diào)風(fēng)向調(diào)節(jié)器、散熱器閥門、化學(xué)反應(yīng)溫度自動(dòng)控制器、對(duì)流電子爐中氣流調(diào)節(jié)器和冰箱冷柜自動(dòng)開關(guān)等。本文主要綜述了近5年來Cu基形狀記憶合金在交通運(yùn)輸、機(jī)械制造、土木建筑、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的典型應(yīng)用實(shí)例。

2 交通運(yùn)輸

在現(xiàn)代交通運(yùn)輸中，出于對(duì)安全、舒適和性能的需求，傳感器和驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用越來越多。新興的線驅(qū)動(dòng)技術(shù)為形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器在汽車制造業(yè)中替代電磁驅(qū)動(dòng)器提供了廣泛的應(yīng)用機(jī)遇[11, 12]。表1所列為近5年來形狀記憶合金在交通運(yùn)輸領(lǐng)域中的代表性應(yīng)用。形狀記憶合金制成的器件相比傳統(tǒng)的機(jī)電控制器件具有更簡便、重量和價(jià)格更低的優(yōu)點(diǎn)，如汽車中的加油口蓋，采用熱彈性的形狀記憶合金絲進(jìn)行驅(qū)動(dòng)相比電機(jī)驅(qū)動(dòng)，更快捷、無噪音、質(zhì)量更小、安裝所需的空間更小[13]。從表1中可以看出，除了如散熱器、離合器、閥門和轉(zhuǎn)子等作為傳感器和驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用外，還可利用形狀記憶合金的超彈性可吸收大量能量以及高應(yīng)變恢復(fù)的特性，用于門、保險(xiǎn)杠和機(jī)翼等抗沖擊和碰撞結(jié)構(gòu)器件，如用形狀記憶合金制作的飛機(jī)翼鰭[14, 15]可降低飛機(jī)在氣流中所受的振動(dòng)。圖2所示為形狀記憶合金制成的可變形飛機(jī)機(jī)翼，可以根據(jù)飛行條件改變驅(qū)動(dòng)形狀記憶合金彈簧，改變機(jī)翼形狀，使飛機(jī)飛行更安全，平穩(wěn)，同時(shí)降低油耗。

表1 形狀記憶合金在汽車、航天航空領(lǐng)域中的存在和潛在應(yīng)用

圖2 形狀記憶合金制成的可變形飛機(jī)機(jī)翼[27]：(a)可變形機(jī)翼整體示意圖；(b)驅(qū)動(dòng)機(jī)翼變形的可伸縮柵格陣列； (c)一個(gè)可伸縮柵格Fig.2 The aircraft’s wing makes from SMA[27]：(a) schematic view of an aircraft having wings constructed using morphing grid；(b) a morphing grid including a plurality of coupled morphing units and (c) a SMA morphing unit

3 機(jī)械制造

隨著現(xiàn)代工業(yè)，特別是微型機(jī)器人和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)微觀領(lǐng)域的探索不斷加深，研究發(fā)展適于微型區(qū)域的驅(qū)動(dòng)元件日漸重要，對(duì)體積小、重量輕、高功率密度電機(jī)的需求與日俱增。傳統(tǒng)電磁式電機(jī)由于存在電磁干擾以及重量、體積等方面的局限性，很難滿足這些特殊的需要。為此，人們研制了利用功能材料構(gòu)成的各類新型電機(jī)，如形狀記憶合金電機(jī)、壓電效應(yīng)電機(jī)、電致伸縮電機(jī)和磁致伸縮電機(jī)等。其中壓電、電致伸縮和磁致伸縮電機(jī)反應(yīng)速度較快，但輸出位移小，使用受到了一些限制。比較而言，形狀記憶合金電機(jī)輸出時(shí)，在相變驅(qū)動(dòng)力作用下，相變產(chǎn)生的體積變化導(dǎo)致的位移大，同時(shí)有較高的功率-質(zhì)量比，具有廣闊的應(yīng)用前景，如表2所示。

形狀記憶合金電機(jī)通常由驅(qū)動(dòng)元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成。驅(qū)動(dòng)元件即形狀記憶合金材料，多為絲材、片材或管材，可根據(jù)需要做成不同形狀、規(guī)格的驅(qū)動(dòng)元件，常使用的有直線張力金屬絲型、螺旋壓縮彈簧型、螺旋拉伸彈簧型、懸臂彈簧型、盤狀彈簧型、螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧型、扭轉(zhuǎn)金屬絲型和扭轉(zhuǎn)金屬管型等[43]。傳統(tǒng)的形狀記憶合金電機(jī)結(jié)構(gòu)比較簡單，有單向型和雙向型兩種。多數(shù)形狀記憶合金電機(jī)利用了形狀記憶合金的單程形狀記憶效應(yīng)，即溫度升高時(shí)產(chǎn)生形狀回復(fù)，溫度降低時(shí)無形狀變化。若要電機(jī)產(chǎn)生雙程往復(fù)運(yùn)動(dòng)，需要借助偏動(dòng)或差動(dòng)裝置重新進(jìn)行預(yù)變形，雙向型形狀記憶合金電機(jī)如圖3所示。由安裝在同一支架上的形狀記憶合金彈簧和不銹鋼彈簧組成。在加熱過程中形狀記憶合金彈簧推動(dòng)不銹鋼彈簧，在冷卻過程中的形狀記憶合金彈簧回縮，而不銹鋼彈簧輸出回復(fù)力，同時(shí)帶動(dòng)機(jī)構(gòu)，如此反復(fù)便可向?qū)崿F(xiàn)電機(jī)雙軸向運(yùn)動(dòng)[44]。

表2 不同類型驅(qū)動(dòng)器的性能比較[6, 41, 42]

與傳統(tǒng)基于電磁原理的電機(jī)相比，形狀記憶合金電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①輸出功率/重量比大、質(zhì)量越小，優(yōu)勢(shì)越明顯，適宜制造微型機(jī)械；②機(jī)構(gòu)簡單，形狀記憶合金電機(jī)可以通過合金的熱彈性馬氏體相變直接輸出力和位移，不需要任何減速機(jī)構(gòu)；③無污染和噪音，由于采用形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)不需要減速齒輪這樣的摩擦機(jī)械，使電機(jī)可以在不產(chǎn)生磨屑和噪音的狀態(tài)下工作；④傳感功能，利用形狀記憶合金自身物理參數(shù)的變化，可以監(jiān)測(cè)到溫度的變化和相變的發(fā)展過程，并可以進(jìn)一步獲悉輸出力的大小，由于將驅(qū)動(dòng)與傳感功能集于一身，形狀記憶合金不需要附加力和溫度傳感器就可實(shí)現(xiàn)反饋控制；⑤低壓驅(qū)動(dòng)，可采用5 V以下電源加熱驅(qū)動(dòng)形狀記憶合金，這比壓電和靜電電機(jī)的電源電壓要低得多，這樣控制與驅(qū)動(dòng)電路可以采用同一個(gè)低壓電源。形狀記憶合金電機(jī)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)及良好的性能，隨著對(duì)其設(shè)計(jì)理論及控制的研究不斷的深入，形狀記憶合金電機(jī)得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。

圖3 雙向型形狀記憶合金電機(jī)的功能原理和原型[44]：(a)原理示意圖，(b)結(jié)構(gòu)示意圖，(c)實(shí)物照片F(xiàn)ig.3 Functional principle (a), structure model (b) and prototype (c) of the SMA drive system

除了利用形狀記憶合金的驅(qū)動(dòng)感知特性外，利用其高阻尼性能，可以對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行維穩(wěn)。Araki Y等[45]利用Cu-Al-Mn形狀記憶合金具有8%的恢復(fù)應(yīng)變大小和17%以上的斷裂應(yīng)變，設(shè)計(jì)了包含Cu-Al-Mn形狀記憶合金棒材固定和連接的結(jié)構(gòu)件，并將Cu-Al-Mn形狀記憶合金替換為鋼索，進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，相比一般的鋼索固定，帶超彈性Cu-Al-Mn合金固定的結(jié)構(gòu)件在大的震動(dòng)中具有更高的對(duì)中穩(wěn)定能力以及震動(dòng)后不會(huì)出現(xiàn)殘余變形[46]，而傳統(tǒng)鋼索固定的結(jié)構(gòu)件發(fā)生了鋼索斷裂和傾斜。在精密儀器的設(shè)計(jì)中，保證精密儀器在使用過程中的穩(wěn)定性是確保儀器性能和測(cè)量精度的重要設(shè)計(jì)要求，通常采用復(fù)雜的機(jī)電器件制成的穩(wěn)定裝置(如阻尼器、減震器等)。如果將形狀記憶合金應(yīng)用于這些穩(wěn)定裝置的設(shè)計(jì)中，可設(shè)計(jì)出具有不同功能的結(jié)構(gòu)功能一體化器件。本文作者課題組發(fā)明的一種可用于精密儀器的各向異性減震裝置[47]，這種裝置利用各項(xiàng)異性的柱狀晶組織Cu-Al-Mn形狀記憶合金作為減震元件，將其高超彈性的方向緩沖精密儀器的上下顛簸，而將其高強(qiáng)度的方向(垂直或斜向于高超彈性方向)維持水平或斜向的穩(wěn)定。

4 土木建筑

地震、臺(tái)風(fēng)和海嘯等自然災(zāi)害對(duì)人類生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成巨大威脅，其中建筑物的破壞和倒塌是造成災(zāi)難的主要原因之一，而道路橋梁的破壞切斷了災(zāi)區(qū)交通生命線，造成救災(zāi)工作的巨大困難，進(jìn)一步使災(zāi)情加劇。在土木建筑中，當(dāng)鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)遭到一定應(yīng)力沖擊時(shí)，有時(shí)即使不發(fā)生斷裂或坍塌，也會(huì)在大范圍內(nèi)產(chǎn)生裂紋，使得修復(fù)變得十分困難和不經(jīng)濟(jì)。目前，在建筑物的抗震減震設(shè)計(jì)中，常把對(duì)地震作用的“硬抗”變?yōu)椤笆鑼?dǎo)”來隔離和消耗地震能量，可以避免傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)加固方式僅靠自身塑性變形吸收能量的缺點(diǎn)，使得建筑物上部結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震動(dòng)中只發(fā)生剛體搖晃而基本不發(fā)生變形，從而保證建筑物自身的安全。如果將形狀記憶合金置于土木建筑結(jié)構(gòu)中，不僅能在結(jié)構(gòu)受到外界振動(dòng)影響而出現(xiàn)變形、裂紋、損傷時(shí)，較大部分的能量都可被形狀記憶合金吸收并耗散掉，而且還可以利用形狀記憶合金的功能特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的自我診斷，因此顯著增加了結(jié)構(gòu)的安全可靠性。在工程實(shí)踐中，最常見的是將形狀記憶合金安置于結(jié)構(gòu)層間、底部或建筑物四角等受地震力作用較大的部位，實(shí)現(xiàn)對(duì)地震能量的吸收和消耗[48]。有關(guān)研究結(jié)果顯示，耗能器安裝形狀記憶合金結(jié)構(gòu)后，耗能器可吸收約為三分之二的地震能量，并顯著抑制結(jié)構(gòu)的位移[49]。為此越來越多的形狀記憶合金減震吸能裝置應(yīng)用于建筑物和橋梁的設(shè)計(jì)中[2, 45, 50-52]。

Murakami S等[53]將Cu-Al-Mn記憶合金做成建筑用銷釘，不僅具有很好的對(duì)中能力(Recenterable Effect)和可修復(fù)能力，而且使被連接物件在長期使用中或振動(dòng)中具有很高的能量耗散能力，如圖4所示，但這種記憶合金銷釘?shù)膹?qiáng)度和硬度均相比鋼釘要低，需要提高記憶合金的強(qiáng)度和硬度以應(yīng)用于高強(qiáng)度連接的需要。

圖4 形狀記憶合金銷釘結(jié)構(gòu)圖(a)及其力-位移曲線(b)[53]Fig.4 The schematic construction (a) and the load-displacement curve (b) of SMA dowel [53]

國內(nèi)王風(fēng)華等[54]利用形狀記憶合金的超彈性滯回耗能特性，根據(jù)古塔的受力和主要災(zāi)變特點(diǎn)設(shè)計(jì)提出一種適合古塔的新型形狀記憶合金阻尼器，如圖5所示，通過試驗(yàn)得出該阻尼器的雙線性恢復(fù)力模型，數(shù)值分析某古塔模型原型結(jié)構(gòu)和加形狀記憶合金阻尼器結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。結(jié)果表明：新型SMA阻尼器能有效降低古塔的地震反應(yīng)，并對(duì)新型形狀記憶合金阻尼器在古塔中布置的數(shù)量和位置進(jìn)行了優(yōu)化分析，為形狀記憶合金阻尼器被動(dòng)控制系統(tǒng)在古塔等類似古建筑結(jié)構(gòu)中的實(shí)際應(yīng)用和設(shè)計(jì)提供借鑒。

圖5 古塔用形狀記憶合金阻尼器[54]Fig.5 SMA damper for protecting ancient tower[54]

本文作者利用柱狀晶組織Cu-Al-Mn高的超彈性各向異性，制備了各向異性器件應(yīng)用于土木建筑中做減震吸能的同時(shí)，對(duì)上層建筑進(jìn)行承重[55, 56]。圖6所示為一個(gè)簡單的各向異性形狀記憶合金的記憶合金隔震支座，由各向異性柱狀晶Cu-Al-Mn板材(板材軋向沿高超彈性方向SD)和鋼板進(jìn)行疊層構(gòu)成。在鉛垂方向上，利用CG Cu-Al-Mn板材厚度方向的較高強(qiáng)度來承受對(duì)建筑物重量的支撐作用，同時(shí)利用其較高的超彈性吸收縱向震波的能量；在水平方向上，利用柱狀晶Cu-Al-Mn板材沿SD方向的高超彈性來提供大的可恢復(fù)應(yīng)變，以保證隔震支座水平方向的穩(wěn)定性，且在經(jīng)受較大幅度的水平搖擺后還能自動(dòng)復(fù)位。

圖6 柱狀晶組織Cu-Al-Mn形狀記憶合金制備的各向異性建筑物隔震支座簡圖[56]Fig.6 Schematic diagram of isolation bearing in buildings including anisotropic CG Cu-Al-Mn plates[56]

另外，形狀記憶合金在工程應(yīng)用中常與鋼、鋁等其他金屬基體，聚合物基體、水泥基體以及其它增強(qiáng)纖維復(fù)合而成復(fù)合材料。在復(fù)合時(shí)，Cu基形狀記憶合金良好的可加工性能使其易于加工成絲狀、帶狀、管狀等各種形式。不同形式的記憶合金可以與結(jié)構(gòu)有不同的連接方式。它既可以像玻纖或碳纖那樣埋入基體材料，也可以離散地連接于結(jié)構(gòu)上，還可以張貼于結(jié)構(gòu)表面，可滿足各種應(yīng)用需求。

形狀記憶合金及其復(fù)合材料除能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的“被動(dòng)疏導(dǎo)”，還能夠通過其具有驅(qū)動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的“主動(dòng)控制”。如日本學(xué)者Takazawa和Shrestha等[51, 52]將Cu-Al-Mn合金加入混泥土做成的房屋橫梁、地基、隔離墻等，除可以在地震、臺(tái)風(fēng)或其他嚴(yán)重災(zāi)害中的起到抗震作用，而且能夠?qū)σ寻l(fā)生開裂的結(jié)構(gòu)實(shí)施修復(fù)，如圖7所示。相比鋼筋增強(qiáng)橫梁，在震動(dòng)產(chǎn)生裂紋(5～6 mm寬)，再卸載后，鋼筋增強(qiáng)橫梁僅愈合了0.5 mm，而添加有Cu-Al-Mn合金棒材的橫梁則在卸載后愈合了4.7 mm，恢復(fù)率高達(dá)94%，表明在地震后形狀記憶超彈性合金增強(qiáng)橫梁具有更強(qiáng)的裂紋愈合能力，能夠抵擋和最大限度緩和地震對(duì)建筑物造成的損壞，從而減少對(duì)生命財(cái)產(chǎn)的損害，該項(xiàng)設(shè)計(jì)已應(yīng)用于日本的建筑、橋梁材料(結(jié)構(gòu))設(shè)計(jì)中。

圖7 鋼筋增強(qiáng)(a)和形狀記憶合金增強(qiáng)(b)的混泥土結(jié)構(gòu)在震動(dòng)拉裂后的恢復(fù)情況對(duì)比[51]Fig.7 Comparison of recovery of steel reinforced concrete (a) and SMA reinforced concrete (b)[51]

5 生物醫(yī)療等其他應(yīng)用

形狀記憶合金在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，例如外科醫(yī)生對(duì)病人手術(shù)前要探測(cè)人體內(nèi)的情況，如內(nèi)窺鏡檢查。常規(guī)的內(nèi)窺鏡需要施加外力進(jìn)入人體，病人很痛苦，操作技術(shù)要求高。而使用形狀記憶合金電機(jī)制作的微型內(nèi)窺鏡可以很方便地進(jìn)入體內(nèi)進(jìn)行診斷，甚至可以對(duì)體內(nèi)的病變進(jìn)行微創(chuàng)外科手術(shù)，病人痛苦小。目前，在生物醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用主要是Ni-Ti形狀記憶合金，但近幾年，以Cu基形狀記憶合金為基體的復(fù)合材料在一些非長期植入性器件制造中逐漸顯示出應(yīng)用前景，并已有一些應(yīng)用實(shí)例出現(xiàn)。如用Cu基形狀記憶合金制作的指甲支撐片和牙齒矯正器[57]，在Cu-Al-Mn合金外面包裹生物活性樹脂用于腸管等內(nèi)窺鏡或藥物傳輸?shù)鹊囊龑?dǎo)絲和引導(dǎo)管[58, 59]，以及血栓過濾器、結(jié)石收集器、臨時(shí)支架、縫針、繃帶、手術(shù)夾子、假肢等。

除了以上的應(yīng)用外，Cu基形狀記憶合金還可用于光學(xué)領(lǐng)域，例如可制成色調(diào)記憶配件。Cu-Al-Ni在熱彈性馬氏體相變中具有色調(diào)記憶功能，隨著在-200～400 ℃的溫度范圍或在不同應(yīng)力作用下調(diào)節(jié)，合金發(fā)生相變產(chǎn)生色調(diào)變化和記憶，可用于開發(fā)溫度指示器和交變應(yīng)力下的指示器[7]。另外，在微電子領(lǐng)域，利用超彈性相變循環(huán)過程中引起的溫度變化而設(shè)計(jì)的形狀記憶合金制冷系統(tǒng)，可用于對(duì)微型電子產(chǎn)品實(shí)施冷卻[60]。

6 結(jié) 語

如前所述，易發(fā)生晶界開裂、強(qiáng)度低和疲勞壽命短是嚴(yán)重阻礙Cu基形狀記憶合金應(yīng)用的主要問題。近年來，有關(guān)前兩個(gè)問題的研究獲得了較大的突破，已能夠制備出達(dá)到Ni-Ti形狀記憶合金的超彈性和強(qiáng)度水平的(超彈性應(yīng)變大于5%，馬氏體相變臨界應(yīng)力大于650 MPa)的高性能Cu基形狀記憶合金。但對(duì)改善Cu基形狀記憶合金疲勞性能的研究進(jìn)展仍然較為緩慢。在超彈性循環(huán)過程中，馬氏體-母相界面與各種組織缺陷(例如空位、晶界、位錯(cuò)等)之間的交互作用是造成合金產(chǎn)生疲勞行為和發(fā)生疲勞破壞的重要原因，其中尤以與晶界的交互作用為甚。通過對(duì)合金晶界形貌和類型進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，制備具有與相界面交互作用弱的平直晶界形貌和低能晶界類型特征的合金組織，可能是改善Cu基形狀記憶合金疲勞性能的一個(gè)有效途徑。作者等人采用定向凝固方法制備的晶界平直，以小角度晶界類型為主的柱狀晶組織Cu-Al-Mn合金試樣在4%應(yīng)變量下循環(huán)拉伸1000次后，不可恢復(fù)應(yīng)變小于0.4%，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性能。但更深入、系統(tǒng)的研究工作仍有待進(jìn)行。

圖8是對(duì)形狀記憶合金不同應(yīng)用領(lǐng)域的論文和專利數(shù)量統(tǒng)計(jì)，其中生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用占形狀記憶合金總應(yīng)用的60%以上，而目前這個(gè)領(lǐng)域幾乎完全被Ni-Ti合金所壟斷，導(dǎo)致目前生物醫(yī)療用形狀記憶合金產(chǎn)品價(jià)格高昂。近年來，隨著Cu基形狀記憶合金性能的不斷提升，已在非長期植入性醫(yī)療器件、手術(shù)器械等應(yīng)用領(lǐng)域獲得了突破，如第5小節(jié)所述，但形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模仍需時(shí)日。生物兼容性差是阻礙價(jià)格低廉、性能優(yōu)異的Cu基形狀記憶合金擴(kuò)大其在生物醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的最大障礙。通過制備復(fù)合材料的方法可以解決Cu基形狀記憶合金的生物相容性問題，第5小節(jié)中所提到樹脂包覆Cu-Al-Mn形狀記憶合金復(fù)合材料制造醫(yī)用引導(dǎo)絲和引導(dǎo)管就非常具有代表性?？梢灶A(yù)見，隨著Cu基形狀記憶合金復(fù)合材料研究的不斷發(fā)展，其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用必將越來越廣闊。

圖8 形狀記憶合金專利涉及的應(yīng)用領(lǐng)域統(tǒng)計(jì)[6]Fig.8 Application areas of SMA[6]

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(本文為本刊約稿，編輯 蓋少飛)

Progress on the Applications of Cu-Based Shape Memory Alloys

HUANG Haiyou1, WANG Weili1, LIU Jili2, XIE Jianxin1,2

(1.Beijing Laboratory of Metallic Materials and Processing for Modern Transportation,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083, China) (2.State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Shape memory alloys (SMAs), as a kind of intelligent functional materials combining with perception and driving function, are more attention to and widely used in various fields since the first application in 1962. Cu-based SMAs are the most potential ones for large-scale industrial applications because of their good shape memory properties, high electrical and thermal conductivities, wide-range transformation temperature and low cost, etc. In recent years, the applications of Cu-based SMAs are booming with the rapid developments of the intelligent system and high performance Cu-based SMAs. This paper reviewed the typical applications of Cu-based SMAs in recent five years in transportation, machinery, civil construction, biomedical devices, etc. Finally, the future development for Cu-based SMAs was also discussed.

review; shape memory alloy; superelasticity; martensitic transformation; application

2015-10-19

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFB0700505)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51574027)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(FRF-TP-14-089A2)

黃海友，男，1979年生，副研究員

謝建新，男，1958年生，中國工程院院士，博士生導(dǎo)師，Email:jxxie@mater.ustb.edu.cn

10.7502/j.issn.1674-3962.2016.12.06

謝建新

TG139.6

A

1674-3962(2016)12-0919-08