形狀記憶合金的機(jī)理及其應(yīng)用

李星宇

摘 要：形狀記憶合金是一種原子排列較為規(guī)則的新型的功能材料，具有發(fā)生塑性形變后加熱到設(shè)定溫度下并恢復(fù)原態(tài)的能力。形狀記憶合金可以分為Ti-Ni基、Fe基和Cu基三種，除此之外近年來(lái)形狀記憶復(fù)合材料也有了巨大的進(jìn)步。本文通過(guò)對(duì)形狀記憶合金的形狀記憶機(jī)理、研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析和討論，進(jìn)而指導(dǎo)相應(yīng)的科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：形狀記憶;Ti-Ni基;Cu基;形狀記憶復(fù)合材料

中圖分類號(hào)：TG139.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）22-0090-02

0 引言

形狀記憶合金是指[1]具有一定初始形態(tài)的合金，在低溫狀態(tài)下經(jīng)過(guò)塑性形變并加工成某種特定形狀并在加熱或達(dá)到其特定的臨界溫度后會(huì)恢復(fù)初始形態(tài)的一類特殊合金。形狀記憶合金具有記憶原有形狀的功能[1]，稱為形狀記憶效應(yīng)，擁有形狀記憶效應(yīng)的還有形狀記憶陶瓷和高分子等材料，這些是21世紀(jì)新興的智能化材料。由于擁有了形狀記憶功能，我們可以將其應(yīng)用到生活的各個(gè)方面，例如，生物醫(yī)學(xué)中的人造合金骨、航空航天工業(yè)中的太陽(yáng)能電極板及其支撐結(jié)構(gòu)、軍事工業(yè)中的武器以及現(xiàn)代建筑等方面。

形狀記憶合金按照溫度升高到特定溫度后的變形特征，可以為三類[2]，第一種是單程記憶合金，單程形狀記憶效應(yīng)是指材料在較低的溫度下發(fā)生變形，并在后續(xù)的加熱的過(guò)程中恢復(fù)原來(lái)形狀，這種只在升溫過(guò)程中存在形狀記憶效應(yīng)的合金稱為單程記憶合金;第二種是雙程記憶合金，這是一種只在高溫狀態(tài)下不會(huì)變形的合金，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是在升溫過(guò)程中會(huì)變形一次，而在降溫過(guò)程中又會(huì)重新變?yōu)樵瓉?lái)低溫相的形狀;第三種是全程記憶合金，這種合金變化過(guò)程最為復(fù)雜，它在升溫過(guò)程變?yōu)楦邷叵嘈螤疃诶鋮s時(shí)又變?yōu)榕c形狀的取向相反的低溫相形狀。

目前生活中經(jīng)常用到的形狀記憶合金，按照構(gòu)成原料可分為三個(gè)大類：最早被人們使用的的Ti-Ni系形狀記憶合金、被稱為β相合金的銅系形狀記憶合金、貴金屬系的Fe系形狀記憶合金。人們?cè)谏鲜兰o(jì)30年代Au-Cd合金中首次發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)，到了上個(gè)世紀(jì)的50年代又再次發(fā)現(xiàn)，但人們并未重視，直到1963年美國(guó)海軍Buebler等人在Ti-Ni系合金中發(fā)現(xiàn)了具有實(shí)際作戰(zhàn)效果的形狀記憶效應(yīng)，形狀記憶材料才被人們所重視。

形狀記憶效應(yīng)[2]，是指特定材料在發(fā)生變形后并加熱至較高溫度，此時(shí)材料會(huì)恢復(fù)為之前的形狀，或者在之后的冷卻過(guò)程中由于內(nèi)部能量的釋放而恢復(fù)到馬氏體形狀的現(xiàn)象。冷卻至低溫馬氏體狀態(tài)后，將合金變化，接著加溫到高溫母相態(tài)時(shí)，又可以恢復(fù)到原來(lái)形狀的效應(yīng)。形狀記憶合金可以通過(guò)機(jī)械訓(xùn)練[3]、熱處理工藝以及合金成分改變形狀記憶合金的性能，根據(jù)不同的形狀記憶效果可以分為單程、雙程、全程形狀記憶合金。其中的單程記憶效應(yīng)的處理方法可分為3種，分別是中溫、低溫和時(shí)效三種不同的工藝。

1 Ti-Ni基形狀記憶合金

自1963年Ti-Ni系形狀記憶合金被人們發(fā)現(xiàn)，二元Ti-Ni系形狀記憶合金已經(jīng)無(wú)法完全滿足人們的需求，為了提高形狀記憶合金性能，通過(guò)加入各種合金化元素[4]，可得到諸如Ti-Ni-Co系、Ti-Ni-Cu系、Ti-Ni-Fe系形狀記憶合金。Ti-Ni基形狀記憶合金具有良好的超彈性[3]、高阻尼性、耐腐蝕性、生物相容性和形狀記憶效應(yīng)。而且當(dāng)這種記憶合金處于母相狀態(tài)時(shí)，具有回彈性大、硬度高、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。然而它的缺點(diǎn)也很明顯，Ti-Ni基形狀記憶合金制備成本較高、制備工藝?yán)щy且生產(chǎn)效率低下。

2 Cu基形狀記憶合金

Ni-Ti基形狀記憶合金的強(qiáng)度較高、性能優(yōu)異、韌性好且耐腐蝕性較好，在實(shí)際生活中的應(yīng)用也非常廣泛，但是它有一個(gè)致命的問(wèn)題[5]，其制備加工成本、原料成本高昂，制約了作為普通產(chǎn)品的大規(guī)模量化生產(chǎn)和運(yùn)用。Fe基形狀記憶合金成本雖然低，合金強(qiáng)度也比較高，但是其形狀記憶性能穩(wěn)定性弱，相變溫度可調(diào)范圍較小，生產(chǎn)過(guò)程也比較復(fù)雜，因此目前也只是處于實(shí)驗(yàn)室階段。Cu基形狀記憶合金是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的形狀記憶合金材料中種類最多的，它可以分為Cu-Zn系和Cu-Al系，其中最具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的是Cu-Ai-Ni、Cu-Al-Mn和Cu-Zn-Al 3大類。Cu基形狀記憶合金的形狀記憶性能優(yōu)良[4]、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能良好、相變溫度可調(diào)范圍大，且其價(jià)格大約只有Ti-Ni基形狀記憶合金的十分之一。在目前形狀記憶合金領(lǐng)域，除了需要長(zhǎng)期植入型的醫(yī)療工具和部分使用條件苛刻或反復(fù)使用次數(shù)高的特殊領(lǐng)域工業(yè)中只能用Ni-Ti基形狀記憶合金以外，其他領(lǐng)域Cu基形狀記憶合金都可以勝任。除此之外，Cu基形狀記憶合金在土木建筑、電子通信、機(jī)械制造及日常生活等方面有較廣的應(yīng)用。

Cu-Al-X形狀記憶合金的馬氏體轉(zhuǎn)變的起始溫度可以在-140～400℃內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)[2]，該系的形狀記憶合金彈性各向因子大于10，導(dǎo)熱系數(shù)是Ti-Ni基形狀記憶合金的數(shù)倍。Cu-Al-X形狀記憶合金具有較好的單程形狀記憶效應(yīng)[2]，還可以通過(guò)適當(dāng)?shù)难h(huán)訓(xùn)練，產(chǎn)生大量位錯(cuò)，以此提供形核源，從而使合金擁有雙程形狀記憶效應(yīng)。據(jù)以往科研報(bào)道記載，Cu-Al-Be合金多晶狀態(tài)單程形狀回復(fù)率可以達(dá)到86%，經(jīng)過(guò)多種加工之后，雙程恢復(fù)角度可達(dá)到30%，更有Cu-Al-Mn的柱狀晶形狀回復(fù)率可以達(dá)到91%。

3 形狀記憶金屬基復(fù)合材料

復(fù)合材料是一種為了滿足實(shí)際生產(chǎn)生活需要而被人為設(shè)計(jì)，并通過(guò)物理或化學(xué)變化使兩種或兩種以上不同性質(zhì)的組元復(fù)合而成的新型材料?，F(xiàn)如今復(fù)合材料的高速發(fā)展已帶動(dòng)航空航天[6]、交通運(yùn)輸裝備及其制造、機(jī)械電子工程、電子電器等領(lǐng)域的不斷發(fā)展?，F(xiàn)代社會(huì)需要更為強(qiáng)大的高性能材料，而復(fù)合工藝正是提升材料性能、發(fā)展高性能材料的重要手段。首先，以聚合物為基體的常用復(fù)合材料因價(jià)格低廉、技術(shù)門檻低，被廣泛應(yīng)用于建筑、家具、日用品等民用領(lǐng)域，而以樹脂基為基體、以金屬為基體和以陶瓷為基體的先進(jìn)復(fù)合材料強(qiáng)度高、韌性大、耐受極端溫度，可以制造摩擦片、曲軸、軋輥、車床刀頭和模具等耐磨部件，火箭、導(dǎo)彈整流罩，飛機(jī)機(jī)翼，燃?xì)廨啓C(jī)葉片，預(yù)警機(jī)雷達(dá)罩等，覆蓋高新技術(shù)和尖端制造業(yè)領(lǐng)域，是當(dāng)之無(wú)愧的國(guó)家重器。

形狀記憶合金增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是以金屬材料作為基體[7]，其余不同的形狀記憶合金作為增強(qiáng)體，通過(guò)多種方法將基體和增強(qiáng)體結(jié)合后，創(chuàng)造出兩相或多相的材料系統(tǒng)。形狀記憶復(fù)合材料的鑄造方法較多，但一直以來(lái)還是較為傳統(tǒng)的鍛造方法，如粉末冶金法、放電等離子燒結(jié)法、真空熱壓法和鑄造復(fù)合法等。

在20世紀(jì)80年代時(shí)期人們提出了機(jī)敏復(fù)合材料的概念[8]，這是一種可以對(duì)相對(duì)所處環(huán)境自行作出反應(yīng)的新型智能材料，這些反應(yīng)諸如自診斷、自適應(yīng)還有自我修補(bǔ)。研究復(fù)合材料的相關(guān)人員中的絕大多數(shù)都認(rèn)為[9]，形狀記憶合金SMA是在20世紀(jì)70年代被美國(guó)海軍發(fā)現(xiàn)的一種具有驅(qū)動(dòng)和感知能力的現(xiàn)代新型功能材料，形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)和超彈性等特點(diǎn)使得形狀記憶材料在馬氏體逆相變時(shí)彈性模量突發(fā)性增加以便產(chǎn)生較大的回復(fù)力，并在此時(shí)馬氏體相變可以自我協(xié)調(diào)并吸收能量，這是最重要的機(jī)敏符合材料驅(qū)動(dòng)組員。因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，將形狀記憶合金與其他材料復(fù)合在一起可以構(gòu)成一個(gè)復(fù)合的智能材料體系，這早已成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的共識(shí)，這也是機(jī)敏復(fù)合材料研究中的重點(diǎn)，在工業(yè)方面更是擁有非常光明的前景。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，功能材料越來(lái)越受到人們的重視并已逐漸應(yīng)用在各種工業(yè)設(shè)備中，形狀記憶合金未來(lái)的發(fā)展方向主要有三個(gè)方面：一是提高形狀記憶合金的服役和使用壽命，提高形狀記憶合金的穩(wěn)定性，在加工過(guò)程中使用更良好的加工工藝進(jìn)行高效化加工;二是精細(xì)化、一體化及智能化生產(chǎn)，保證生產(chǎn)的質(zhì)量和生產(chǎn)效率;三是需要將形狀記憶合金與多種不同學(xué)科方向進(jìn)行交叉融合，例如大數(shù)據(jù)計(jì)算、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)等熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，提高形狀記憶合金的科研價(jià)值和使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 高軍鵬，張晨乾，安學(xué)鋒，等.含氟聚醚醚酮改性環(huán)氧樹脂的形狀記憶性質(zhì)研究[J].材料工程，2009（S2）：123-126.

[2] 薛嗣創(chuàng)，王戊，吳殿震，等.形狀記憶合金的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2011（s2）：478-481.

[3] 耿冰.形狀記憶合金的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用特點(diǎn)[J].遼寧大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，34（3）：225-228.

[4] 劉康凱，賀志榮，馮輝. Ti-Ni基形狀記憶合金的加工工藝及應(yīng)用研究進(jìn)展[J].鑄造技術(shù)，2017（9）：2067-2071.

[5] 黃海友，王偉麗，劉記立，等.Cu基形狀記憶合金的應(yīng)用進(jìn)展[J].中國(guó)材料進(jìn)展，2016，35（12）：919-926.

[6] 啟明.TiNi形狀記憶合金絲增強(qiáng)鎂合金基復(fù)合材料[J].金屬功能材料，2006（01）：47.

[7] 練小正.NiTi形狀記憶合金絲增強(qiáng)鎂鋰合金復(fù)合材料研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2013.

[8] 王征，吳建生，董建偉，等.形狀記憶合金絲增強(qiáng)復(fù)合材料的熱機(jī)特性——智能復(fù)合材料研究[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，1997，14（4）：52-56.

[9] 楊素媛，楊勝男，沈娟，等.形狀記憶合金增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].金屬功能材料，2016，23（04）：1-9.