淺談形狀記憶合金的應(yīng)用及發(fā)展

（貴州理工學(xué)院工程訓(xùn)練中心，貴州 貴陽 550003）

1 形狀記憶合金的發(fā)展歷史

形狀記憶合金（Shape Memory Alloys）是一種具有優(yōu)異性能的形狀記憶材料（Shape Memory Materials），當(dāng)受到外力或磁性變化的影響時，能保持其先前的狀態(tài)，這種轉(zhuǎn)變現(xiàn)象稱為形狀記憶效應(yīng)。這些材料的應(yīng)用非常簡單，其中通過施加外力，材料很容易變形，當(dāng)通過外部或內(nèi)部加熱到一定溫度時，它將收縮或恢復(fù)到其原始形狀。1932年，瑞典物理學(xué)家首次在金鎘（Au-Cd）合金中發(fā)現(xiàn)了這種形狀記憶效應(yīng)。到1938年，Greninger和Mooradian首次在銅鋅（Cu-Zn）合金和銅錫（Cu-Sn）合金中觀察到了該種形狀記憶效應(yīng)。直到1969年，SMA首次商業(yè)應(yīng)用成功，Raychem公司將NiTi合金作為管接頭成功應(yīng)用于美國F14戰(zhàn)機(jī)上的油壓系統(tǒng)中，并實(shí)現(xiàn)油壓系統(tǒng)的良好密封性。

2 形狀記憶效應(yīng)介紹

形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)從本質(zhì)上講與合金內(nèi)部發(fā)生馬氏體相變有關(guān)。在較高溫度下形狀記憶合金以奧氏體結(jié)構(gòu)形式存在，而在較低溫度下以馬氏體結(jié)構(gòu)形式存在。當(dāng)SMA被加熱時，它開始從馬氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相。As被定義為奧氏體轉(zhuǎn)變開始的溫度，Af被定義為奧氏體轉(zhuǎn)變終了的溫度。當(dāng)SMA被加熱到As溫度以上時，馬氏體相會逐漸轉(zhuǎn)變回奧氏體相，同時恢復(fù)至原高溫時形狀，這種轉(zhuǎn)變也可以在高負(fù)載條件下進(jìn)行。而在冷卻過程中，從奧氏體開始恢復(fù)到馬氏體的起始溫度被定義為Ms，并將馬氏體轉(zhuǎn)變終了的溫度定義為Mf。我們把馬氏體相變不再受應(yīng)力誘導(dǎo)發(fā)生的溫度定義為Md。在此溫度以上，SMA在外力作用下發(fā)生形變，卸載后馬上恢復(fù)到原來的形狀。形狀記憶合金有三種不同類型的記憶效應(yīng)（如圖1所示），其特點(diǎn)如下：①單程記憶效應(yīng)。當(dāng)在降低溫時使合金發(fā)生形變，然后通過升高溫度使其恢復(fù)到變形前時的狀態(tài)，即在加熱過程中存在形狀記憶效應(yīng)；②雙程記憶效應(yīng)。當(dāng)合金在加熱過程中恢復(fù)到高溫時的狀態(tài)，而降低溫度時又恢復(fù)到低溫時的形狀時的現(xiàn)象。由于雙程記憶效應(yīng)需要經(jīng)過適當(dāng)?shù)摹坝?xùn)練”過程才可獲得并且在高溫狀態(tài)下的應(yīng)變量會大幅降低，所以它在商業(yè)上的應(yīng)用比較少。熱-力循環(huán)處理是實(shí)現(xiàn)雙程形狀記憶效應(yīng)的一種“訓(xùn)練”方法，它通過在奧氏體和特定馬氏體變體之間往復(fù)循環(huán)從而達(dá)到“訓(xùn)練”的目的；③全程記憶效應(yīng)。指合金在加熱過程中恢復(fù)到高溫時的狀態(tài)，當(dāng)降低溫度到低溫狀態(tài)時形狀變?yōu)楦邷貭顟B(tài)時相反的形狀。

圖1 不同類型的形狀記憶效應(yīng)

形狀記憶效應(yīng)是一種非擴(kuò)散型固相馬氏體轉(zhuǎn)變。除此之外，還存在形狀記憶相關(guān)的其他相轉(zhuǎn)變過程如R相轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變一般出現(xiàn)在從奧氏體向馬氏轉(zhuǎn)變時發(fā)生的一種中間相轉(zhuǎn)變。馬氏體逆相變中存在熱滯后現(xiàn)象，滯后是衡量加熱和冷卻之間的溫度差異的指標(biāo)（即ΔT=Af-Ms）。這種熱滯后屬性非常重要，并且在目標(biāo)技術(shù)應(yīng)用過程中需要仔細(xì)考慮SMA材料的熱滯后性，例如對于快速驅(qū)動應(yīng)用需要較小的熱滯后，而在管道連接中需要更大的熱滯后性以保證在較大的溫度范圍內(nèi)保持預(yù)定義的形狀。一些SMA在相轉(zhuǎn)變前后的物理性能和機(jī)械性能（導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、電阻率和楊氏模量等）也各不相同。奧氏體相結(jié)構(gòu)相對較硬并具有更高的楊氏模量；而馬氏體結(jié)構(gòu)更柔軟，更具延展性，即通過施加外力可以很容易地變形。

3 形狀記憶合金材料介紹

NiTi形狀記憶合金由于其具有優(yōu)異的生物相容性和優(yōu)異的機(jī)械性能，已經(jīng)被廣泛得應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域例如合金內(nèi)支架、微創(chuàng)醫(yī)療器械、矯形外科、腦外科和口腔醫(yī)學(xué)等。但由于SMA的明顯局限或缺點(diǎn)，例如較高的制造成本，有限的可恢復(fù)變形和使用溫度，所以其它類型的形狀記憶材料正在被探索。

3.1 高溫形狀記憶合金

由于對高溫形狀記憶合金的使用溫度要求越來越高，許多科研工作者在NiTi合金中通過添加第三元合金的方式來提高形狀記憶合金的使用溫度。實(shí)際上，高溫形狀記憶合金被定義為可以在100℃以上使用的形狀記憶合金，但由于大多數(shù)高溫形狀記憶合金在室溫時表現(xiàn)出較差的延展性和抗疲勞性能，很難進(jìn)行加工和“訓(xùn)練”，所以制造它們的成本非常昂貴。

3.2 鐵磁形狀記憶合金

鐵磁形狀記憶合金相較于傳統(tǒng)的溫控型形狀記憶合金，具有更大輸出應(yīng)變和更高的響應(yīng)頻率，這是因?yàn)榉圻^程中能量通過磁場傳播并且不會受到合金材料導(dǎo)熱性能和散熱條件的影響，它的形狀記憶效應(yīng)則是通過外加磁場激勵孿晶馬氏體變體間的擇優(yōu)再取向從而產(chǎn)生合金宏觀形狀變形。鐵磁形狀記憶合金不僅可以提供與傳統(tǒng)記憶合金相同的特定功率，而且可以以更高的頻率進(jìn)行傳輸。但是，一般來說鐵磁形狀記憶合金在應(yīng)用過程中也會碰到與傳統(tǒng)記憶合金類似的設(shè)計(jì)問題。此外，鐵磁形狀記憶合金硬度非常大并且很脆，只能在低溫下進(jìn)行加工和操作。因此，鐵磁形狀記憶合金很難塑造和成形，并且目前不適合用于高溫和高強(qiáng)度的環(huán)境中。所以仍需要加大對現(xiàn)有的鐵磁形狀記憶合金的深入研究，以便進(jìn)一步改善材料的使用性能。

3.3 形狀記憶薄膜材料

由于形狀記憶合金材料在機(jī)械系統(tǒng)尤其是在微驅(qū)動器方面的應(yīng)用，使得形狀記憶合金薄膜被廣泛研究。形狀記憶薄膜材料一般直接作為獨(dú)立薄膜成為微驅(qū)動器。在快速發(fā)展的微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域，NiTi薄膜已經(jīng)成為微觀層面上的首選執(zhí)行器，由于其優(yōu)異的形狀記憶性能和在較高的頻率下仍能保持較大的輸出功。預(yù)計(jì)基于濺射NiTi薄膜的微型NiTi驅(qū)動器件將占據(jù)商業(yè)市場的一大部分，特別是醫(yī)療微器件和植入式應(yīng)用。然而，形狀記憶薄膜材料在一些環(huán)境溫度高于100℃領(lǐng)域的應(yīng)用受到了限制，例如汽車引擎、火災(zāi)報(bào)警器和航空渦輪機(jī)中，所以近年來加大了對相變溫度高于100℃的高溫形狀記憶薄膜材料的研究。

4 形狀記憶合金的發(fā)展趨勢

（1）開發(fā)新的或改進(jìn)已有的形狀記憶材料，例如在形狀記憶合金體系中加入合適的第三合金化元素，改善其馬氏體相變，達(dá)到在微觀層面上對其相變過程進(jìn)行精細(xì)控制。

（2）可以將具有優(yōu)異功能特性的形狀記憶合金與其他具有良好結(jié)構(gòu)性能的材料進(jìn)行復(fù)合，以達(dá)到特殊領(lǐng)域應(yīng)用的要求。

（3）應(yīng)該加大對其商業(yè)化的應(yīng)用，改善制備方法進(jìn)行大規(guī)格生產(chǎn)，以滿足商業(yè)化應(yīng)用的需求。