形狀記憶合金的應(yīng)用現(xiàn)狀綜述

牛豪杰，林成新

（大連海事大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，遼寧 大連116026）

形狀記憶合金（shape memory alloy，SMA）是一種獨(dú)特的材料，能夠在卸載或加熱后實(shí)現(xiàn)變形并恢復(fù)到預(yù)定的形狀.SMA 最早由Arne Olander 于1932 年發(fā)現(xiàn)，在1941 年由Vernon 首次采用“形狀記憶”一詞進(jìn)行描述. 直到1962 年William Buehler 和Frederick Wang 揭示了鎳鈦（Ni-Ti）合金中的形狀記憶效應(yīng)（SME），人們才開始意識(shí)到SMA 的重要性[1].隨著對(duì)SMA 研究的深入，在航空、航天、機(jī)械、電子及生物醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)τ赟MA 的應(yīng)用需求不斷增加.SMA 發(fā)展至今，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的共有三類：Ni-Ti基、Fe 基和Cu 基記憶合金，其中Ni-Ti 基記憶合金具有形狀記憶特性好、金屬耐疲勞特性強(qiáng)、金屬?gòu)?qiáng)度高、生物相容性優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，適合于大多數(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用；而Fe 基和Cu 基記憶合金成本較低，但其不穩(wěn)定性和較差的熱機(jī)械性能限制了自身的應(yīng)用，盡管如此，每種材料對(duì)于特定的要求或應(yīng)用場(chǎng)合都有自身的優(yōu)勢(shì)[2-11].本文分別從航空航天、汽車、石油工程、土木工程、生物醫(yī)學(xué)五個(gè)領(lǐng)域?qū)MA 的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，并介紹了新型形狀記憶合金材料的研究應(yīng)用.

1 形狀記憶合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

管接頭是SMA 最成功的應(yīng)用之一.SMA 管接頭是利用記憶合金的形狀記憶效應(yīng)，在母相狀態(tài)下機(jī)械加工成管接頭，接頭內(nèi)徑略小于被連接管外徑.將管接頭冷卻至低溫馬氏體狀態(tài)，用錐形擴(kuò)徑棒對(duì)管接頭進(jìn)行擴(kuò)徑，擴(kuò)徑后管接頭內(nèi)徑比被連接管外徑稍大[12].管接頭的裝配方法較簡(jiǎn)單，如圖1 所示[1].最早應(yīng)用的SMA 管接頭是Ni-Ti 記憶合金管接頭[13].自20 世紀(jì)70 年代中期研制成功以來，在美國(guó)各種型號(hào)飛機(jī)上已成功使用數(shù)百萬只，至今無一例失效.通常采用的Ni-Ti 記憶合金相變滯后較窄，管接頭需存在職在液氮中，給實(shí)際應(yīng)用帶來不便[14].為此研制出Ni-Ti-Nb 三元形狀記憶合金，其加工成的管接頭具有寬滯效應(yīng)，可以在常溫下儲(chǔ)存與運(yùn)輸，降低了應(yīng)用成本，安裝時(shí)加熱到逆相變溫度以上即可完成形狀恢復(fù)，工程應(yīng)用方便，成為近年來研究的熱點(diǎn)[15].

圖1 管接頭的連接過程[1]Fig.1 Connection process of pipe joint[1]

Fe-Mn-Si 記憶合金管接頭具有耐腐蝕性強(qiáng)，加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，特別是材料成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Ni-Ti記憶合金，但是其合金的可回復(fù)應(yīng)變較低，限制其工程應(yīng)用[16].為了改善SMA 管接頭回復(fù)率低的缺點(diǎn)，通過合金成分設(shè)計(jì)、熱機(jī)械循環(huán)、適當(dāng)預(yù)變形、時(shí)效處理等方式提高可回復(fù)應(yīng)變[17].Druker A V[18]對(duì)Fe-15Mn-5Si-9Cr-5Ni 進(jìn)行3.5%的擴(kuò)徑和650℃退火處理，形狀回復(fù)率可達(dá)83%.黃維剛[19]對(duì)Fe-C-Mn-Si-Cr-Ni-Ti-Re 進(jìn)行3.2%預(yù)變形處理，形狀回復(fù)率可達(dá)到94%. 程曉敏[20]對(duì)預(yù)變形量為2%的Fe-20Mn-5Si-5Cr-3Ni 進(jìn)行3 次熱機(jī)械訓(xùn)練后，形狀回復(fù)率可達(dá)98%，并且具有良好的耐堿液腐蝕性能.楊軍[21]采用快速凝固法細(xì)化Fe-Mn-Si 合金晶粒，增加了馬氏體形核點(diǎn)，與鑄態(tài)合金相比，其形狀回復(fù)率顯著提高，最高可提升160%左右.

鉚釘連接仍是輕金屬合金結(jié)構(gòu)的主要連接形式，結(jié)構(gòu)鉚接在飛機(jī)裝配中廣泛應(yīng)用.SMA 鉚釘結(jié)構(gòu)如圖2 所示，利用其形狀回復(fù)的特點(diǎn)，可在鉚接件結(jié)構(gòu)緊湊、敞開性不好及操作空間不足的場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)緊固連接，例如在密閉中空結(jié)構(gòu)件中，普通鉚釘連接難以實(shí)現(xiàn)，可采用SMA 鉚釘解決緊固連接的難題[22].

圖2 SMA 鉚釘連接過程[22]Fig.2 Connection process of SMA rivet[22]

除此之外，SMA 還被應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)和引擎，如機(jī)身、機(jī)翼、起落架、發(fā)動(dòng)機(jī)等結(jié)構(gòu).波音公司開發(fā)了一種帶有SMA 執(zhí)行器的鋸齒裝置，并安裝在GE90-115B 噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)上，該裝置有效的降低了飛機(jī)起飛期間的噪音，并增加了巡航效率[23].Sofla 等人[24]對(duì)飛機(jī)機(jī)翼變形技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，采用SMA 驅(qū)動(dòng)的彎曲結(jié)構(gòu)形式，設(shè)了一種適用于小型飛機(jī)的變形機(jī)翼結(jié)構(gòu)，能夠通過改變機(jī)翼剖面，提高空氣動(dòng)力性能.Icardi 和Ferrero[25]利用有限元模擬證明，完全由SMA裝置驅(qū)動(dòng)的小型無人機(jī)自適應(yīng)機(jī)翼能夠承受任何飛行條件下的空氣動(dòng)力壓力，并且與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，無重量增加或剛度損失.

2 形狀記憶合金在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

在現(xiàn)代車輛中，由于對(duì)安全、輕便、高性能的需求，車輛中傳感器和執(zhí)行器的數(shù)量正在急劇增加.新型的線驅(qū)動(dòng)技術(shù)為SMA 驅(qū)動(dòng)器提供了廣闊的應(yīng)用前景，可逐漸替代車輛應(yīng)用中的電磁驅(qū)動(dòng)器.汽車中可應(yīng)用SMA 的部位如表1 所示[26-27].

表1 SMA 在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用[26-27]Tab.1 Application of SMA in automobile[26-27]

SMA 在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用多數(shù)為傳感器和執(zhí)行器，其機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性和緊湊性顯著降低了汽車部件的規(guī)模、重量和成本，并且與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相比，SMA 結(jié)構(gòu)具有巨大的性能優(yōu)勢(shì).General Motors 公司自上世紀(jì)90 年代就開始研究SMA 的應(yīng)用，而Chevrolet Corvette 為汽車配備的執(zhí)行器，可驅(qū)動(dòng)后備箱的通風(fēng)口，更容易關(guān)閉后備箱蓋；同時(shí)正在研究的應(yīng)用領(lǐng)域包括：利用余熱發(fā)電的發(fā)電機(jī)、用于控制進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙氣流的主動(dòng)百葉窗、用于減少高速運(yùn)動(dòng)下的空氣阻力和方便打開車門的自適應(yīng)把手等[28-32].

3 形狀記憶合金在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用

自20 世紀(jì)90 年代，學(xué)者們開始探究SMA 在石油行業(yè)的應(yīng)用.封隔器是石油開采和注水驅(qū)油增能的井下分層工具，傳統(tǒng)的封隔器依賴于橡膠作為密封件，耐高溫、耐壓及耐腐蝕性能力較差，采用SMA 代替橡膠密封件的新型金屬封隔器，是石油工程領(lǐng)域的重要應(yīng)用之一.安少云等人[33]設(shè)計(jì)了一種Ni-Ti 記憶合金的封隔器密封件，完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并進(jìn)行了性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的橡膠密封件相比，Ni-Ti 記憶合金密封件承壓能力高，坐封力大，解封力小，密封效果良好.劉克勇等人[34]對(duì)封隔器所用的Ni-Ti 記憶合金進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出獲得最佳超彈性的時(shí)效工藝為450 ℃下時(shí)效處理，最佳超彈性相變窗口溫度為40 ℃，應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)次數(shù)對(duì)合金的超彈性有一定影響，機(jī)械循環(huán)次數(shù)超過20 次后，其超彈性性能趨于穩(wěn)定.胡玉志等人[35]利用Ni-Ti 記憶合金設(shè)計(jì)了一種大通徑金屬封隔器，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，其耐溫高于150 ℃，耐壓超過35 MPa，適用于深層油氣分層開采.

SMA 被應(yīng)用于油田抽油管堵漏和其他深孔管道堵漏中. 內(nèi)補(bǔ)口技術(shù)是以SMA 為骨架，表面依次涂有防腐涂層和粘合劑.焊接連接管后，將壓縮變形的骨架送至焊口內(nèi)表面，受焊接余熱或管外加熱的影響，骨架膨脹恢復(fù)，并產(chǎn)生較大的膨脹力，將防腐層牢固地粘貼在鋼管內(nèi)壁上，該技術(shù)可與焊接施工同時(shí)進(jìn)行，不會(huì)對(duì)常規(guī)的焊接工藝造成影響.中東的一些油田多采用Cu 基記憶合金熱脹套，特別是油溫100 ℃、壓力7 MPa 的酸性、腐蝕性油氣田[36].國(guó)內(nèi)內(nèi)補(bǔ)口技術(shù)多研究Fe 基記憶合金的相關(guān)應(yīng)用[37].

于洋等人[38]設(shè)計(jì)了一種新型鉆井堵漏系統(tǒng)，該系統(tǒng)由電加熱裝置、SMA、分離螺栓、菱形彈簧網(wǎng)和水龍帶等組成，利用分離螺栓將菱形彈簧網(wǎng)徑向壓縮到鉆桿上，當(dāng)鉆桿下到漏失層時(shí)，啟動(dòng)電加熱裝置，使SMA 變形將分離螺栓拉斷，菱形彈簧網(wǎng)張開，將水龍帶張緊到漏失井壁上，實(shí)現(xiàn)堵漏.

4 形狀記憶合金在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用

SMA 的抗疲勞性能好，容易與混凝土、鋼等結(jié)構(gòu)材料相結(jié)合，在結(jié)構(gòu)的變形控制與振動(dòng)控制方面具有廣泛的應(yīng)用.Watanabe 等人[39]利用直徑為1 mm 的Fe-27Mn-6Si-5Cr-0.05C 記憶合金絲材對(duì)石膏棱柱體試件進(jìn)行加固，在室溫下對(duì)SMA 絲進(jìn)行拉伸預(yù)應(yīng)變，應(yīng)變量分別為1%、2%、3%，之后將其嵌入石膏基體中，對(duì)試樣加熱至250 ℃，在基體中產(chǎn)生了壓應(yīng)力；對(duì)試件進(jìn)行彎曲試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)測(cè)試其力學(xué)性能，結(jié)果表明，SMA 絲能提高石膏的斷裂韌性，試件的抗彎強(qiáng)度隨SMA 絲的預(yù)應(yīng)變水平的增高而提升.Sawaguchi 等人[40]采用Fe-28Mn-6Si-5Cr-1NbC 記憶合金加固小型砂漿棱柱，在高壓釜中進(jìn)行高溫固化，結(jié)果表明，F(xiàn)e 基SMA 能有效地在砂漿中產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，與非加固試件相比，SMA 加固試件的抗彎強(qiáng)度顯著提高；同時(shí)，他們還提出可通過降低馬氏體逆向轉(zhuǎn)變溫度來實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的強(qiáng)化，避免對(duì)砂漿基體造成過大的熱損傷.李雙蓓等人[41]為探討SMA 對(duì)鋼筋混凝土梁裂縫的修復(fù)效果，研究了SMA 絲在不同直徑、根數(shù)和初始應(yīng)變各種參數(shù)組合下，對(duì)鋼筋混凝土梁的變形控制及裂縫修復(fù)的影響規(guī)律，結(jié)果表明，增大SMA 絲的直徑、增加根數(shù)以及提高初始應(yīng)變均能增強(qiáng)其對(duì)梁裂縫的修復(fù)效果，并且增大直徑是一種更為有效的提高混凝土梁裂縫控制率的措施.莊鵬等人[42]建立了可用于常規(guī)有限元分析的大尺寸超彈性SMA 螺旋彈簧恢復(fù)力模型，大尺寸SMA 螺旋彈簧適用于具有自復(fù)位功能的工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制器件；建立的SMA 螺旋彈簧恢復(fù)力模型具有較好的適用性和可靠性.周博等人[43]基于SMA 螺旋彈簧的宏觀試驗(yàn)現(xiàn)象，推導(dǎo)建立了描述SMA 螺旋彈簧的軸向變形和軸向外力之間關(guān)系的力學(xué)模型，可為相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ).

Sawaguchi 等人[44]研究的Fe-28Mn-6Si-5Cr-0.5NbC SMA 在0.1%以上的大應(yīng)變振幅區(qū)具有顯著的阻尼能力，且隨著應(yīng)變振幅的增加而增加，可作為良好的減震材料應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)中. Hedayati等人[45]對(duì)開發(fā)的Fe-Ni-Co-Al-Ta-B SMA 軸承進(jìn)行了有限元模擬，結(jié)果表明，該合金具有較高的超彈性應(yīng)變范圍和較低的奧氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度.鄭曉蒙等人[46]設(shè)計(jì)了一種單拉式SMA 阻尼器，對(duì)框架結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行地震作用下的有限元分析，結(jié)果表明，SMA阻尼器用于框架結(jié)構(gòu)具有良好的減震效果.劉海卿等人[47]利用SMA 的超彈性和阻尼特性設(shè)計(jì)了一種SMA 阻尼器，建立了力學(xué)分析模型，采用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)有限元分析方法，建立了應(yīng)用SMA 阻尼器的框架結(jié)構(gòu)模型，對(duì)其進(jìn)行地震時(shí)程分析，結(jié)果表明，SMA 阻尼器能有效減小主-子結(jié)構(gòu)的位移、加速度響應(yīng)，提高了結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性，具有很好的減震效果.

5 形狀記憶合金在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

SMA 在生物醫(yī)療應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，如高耐腐蝕性，生物相容性，非磁性，可以復(fù)制人體組織和骨骼的獨(dú)特能力，以及可以在人體溫度下做出反應(yīng)和改變等.在復(fù)雜醫(yī)療和外科手術(shù)中，常需要精確可靠的微型儀器來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，為SMA 的進(jìn)一步應(yīng)用提供了巨大的優(yōu)勢(shì)及機(jī)會(huì).SMA 在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用如表2 所示[48-51].

表2 SMA 在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[48-51]Tab.2 Application of SMA in biomedical field[48-51]

SMA 的超彈性特性與人體骨骼和肌腱的應(yīng)力應(yīng)變特性相適應(yīng)，使其成為一種良好的材料，用以解決支架手術(shù)中遇到的難題.SMA 的超彈性滯回特性可以在正常生理活動(dòng)中提供徑向阻力，并在恢復(fù)過程中對(duì)血管施加較小的外力，是支架應(yīng)用的理想選擇.自從1983 年第一個(gè)SMA 支架制作成功，迄今已有顯著的發(fā)展，全球近一半的支架產(chǎn)品是由SMA 制造，并將其應(yīng)用擴(kuò)展到人體的其他部位[52].

Kim 等人[53]提出了一種由Ni-Ti 記憶合金螺旋彈簧制成的微型肌肉纖維，可實(shí)現(xiàn)自身的變形和運(yùn)動(dòng).Shiraishi 等人[54]開發(fā)了一種人工心肌，由納米共價(jià)型SMA 纖維和并聯(lián)式心肌輔助裝置組成，研究得出，這種系統(tǒng)可能應(yīng)用于勞累性心臟病患者，以及在緊急情況下進(jìn)行心臟按壓.Pfeifer 等人[55]開發(fā)了一種由Ni-Ti 記憶合金制成的固定板，通過非接觸式熱感應(yīng)改變其剛度，可以幫助骨骼更快愈合.

6 新型形狀記憶合金的研究應(yīng)用

由于普通的SMA 存在著一定的局限性，如制造成本高、較低的相變溫度及有限的工作溫度等，各種新型的SMA 材料應(yīng)運(yùn)而生，如高溫SMA、磁性SMA以及SMA 薄膜等.Alexandrakis 等人[56]采用共濺射法制備了Ni-Mn-Ga-（Fe-Co-Cu）薄膜形式的高溫鐵磁SMA，并采用高通量篩選技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了表征，結(jié)果表明，馬氏體相變溫度和馬氏體晶格四方比對(duì)摻雜成分的弱依賴性及其不規(guī)則變化歸因于合金元素Fe、Co、Cu 的競(jìng)爭(zhēng)影響.Badhirappan[57]采用單靶共濺射的方法制備了Ni-Ti SMA 薄膜，并在400～700 ℃真空下退火，研究了熱處理溫度對(duì)Ni-Ti SMA 薄膜特性的影響，為Ni-Ti SMA 薄膜在微驅(qū)動(dòng)器中的應(yīng)用提供了理論依據(jù).Meng 等人[58]研究了Ti-Nb SMA薄膜在不同熱處理?xiàng)l件下的組織和形狀記憶行為，研究發(fā)現(xiàn)，β 相基體中的ω 相抑制了薄膜的馬氏體相變，沉淀態(tài)和大部分退火態(tài)薄膜由β 和雙相組成，退火后的SMA 薄膜在馬氏體逆轉(zhuǎn)變溫度以上變形時(shí)表現(xiàn)出良好的超彈性，當(dāng)預(yù)應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，可獲得3.5%的可恢復(fù)應(yīng)變，可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的新型微驅(qū)動(dòng)器.

7 結(jié) 論

隨著對(duì)SMA 研究的不斷深入，其應(yīng)用范圍也日益廣泛.盡管SMA 的相關(guān)工藝和制造技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是受限于SMA 特定的工作溫度以及較高的成本，整體應(yīng)用率依然較低.對(duì)于SMA 的研究，需繼續(xù)開發(fā)新型的SMA 材料或改善工藝以提高SMA 的性能，將SMA 的功能特性與其他結(jié)構(gòu)材料的特性相結(jié)合，以及開發(fā)新的應(yīng)用市場(chǎng)，SMA 的未來充滿了潛力.