淺談形狀記憶合金的特點(diǎn)和用途

于海衛(wèi)

（池州學(xué)院 材料與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 池州 247000）

一、形狀記憶合金概述

記憶合金在生活中應(yīng)用的非常廣泛，如鈦合金金屬眼鏡架，在生活中已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。這種類(lèi)型的金屬在日常生活中為了滿足使用功能也是發(fā)揮了十分強(qiáng)大的功能。形狀記憶合金最早發(fā)現(xiàn)于上世紀(jì)60年代期間，有一個(gè)專(zhuān)注海軍軍用器械研究的美國(guó)科學(xué)家叫比勒，他把鎳與鈦兩種金屬制成合金。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，這些合金金屬絲能恢復(fù)成了它們本來(lái)的形狀，因此他稱(chēng)作這種金屬具有“記憶功能”。

金屬材料在發(fā)生塑性變形之后，再次通過(guò)加溫加熱的過(guò)程又會(huì)恢復(fù)它本來(lái)的樣子,卻是該物理學(xué)效應(yīng)的一個(gè)悖證,國(guó)際上命名該現(xiàn)象叫做形狀記憶效應(yīng)（SME）。而這種金屬并非天然存在的，而是通過(guò)人為將兩種或兩種以上的金屬制成的合金。在現(xiàn)實(shí)生活中廣泛應(yīng)用的有Ti、Ni兩種金屬的合金和Cu、Al、Be三種金屬的合金，同時(shí)也可在以上兩種合金中添加別的元素來(lái)產(chǎn)生新類(lèi)型的合金。

二、形狀記憶合金特性及為何具有記憶

（一）形狀記憶合金特性。合金記憶特性因不同合金材質(zhì)特性有所差異，以NiTi記憶合金為例，其主要特性具有以下四點(diǎn)：1.記憶性形狀記憶合金材料在進(jìn)行加熱或加溫后能夠恢復(fù)成本來(lái)的樣子，該現(xiàn)象即形狀記憶合金的特性。2.形狀記憶合金在受到外力作用時(shí)會(huì)發(fā)生暫時(shí)性的形變，但是撤出外力作用時(shí)會(huì)恢復(fù)原狀，該現(xiàn)象說(shuō)明形狀記憶合金具有超彈性的特性。3.阻尼性。形狀記憶合金就是因?yàn)橄嘧兊淖晕艺{(diào)整與相變中產(chǎn)生的界面及運(yùn)動(dòng)，具有非常好的阻尼性。4.電阻性。形狀記憶合金在變形過(guò)程中，其電阻與應(yīng)變之間是線性的關(guān)系。

（二）具有記憶原因。形狀記憶合金具有記憶性，主要表現(xiàn)在合金的結(jié)晶狀態(tài)，合金在加熱及常溫下的狀態(tài)是不同的。從外表上觀察，其表面結(jié)構(gòu)并無(wú)變化，但是經(jīng)過(guò)加熱或者加溫后。合金的原子結(jié)構(gòu)排列方式發(fā)生了變化，該現(xiàn)象科學(xué)上命名為相變。可見(jiàn)溫度是引起記憶合金狀態(tài)改變的是溫度的變化。研究認(rèn)為，該種類(lèi)型的合金的晶體結(jié)構(gòu)變化是可逆的。當(dāng)合金中構(gòu)成比例分別為一半Ti金屬而另一半為Ni金屬時(shí)，產(chǎn)生了菱形及立方體形的晶體結(jié)構(gòu)。這兩種晶體結(jié)構(gòu)會(huì)相互轉(zhuǎn)變。它們之間存在一個(gè)臨界溫度。在高于或者低于該溫度時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生相互轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致金屬形狀的變化。

三、形狀記憶合金種類(lèi)

記憶合金根據(jù)“記憶”效應(yīng)不同可以分為不同類(lèi)型。目前記憶合金主要分為以下三個(gè)種類(lèi)：

（一）單程記憶效應(yīng)。記憶合金在一條件下（如低于臨界溫度）時(shí)會(huì)發(fā)生變形，而在加熱加溫之后又會(huì)恢復(fù)原狀，稱(chēng)之為單程記憶效應(yīng)。

（二）雙程記憶效應(yīng)。某些記憶合金會(huì)因?yàn)闇囟扰R界點(diǎn)上下的變化而呈現(xiàn)兩種不同的形態(tài)的，稱(chēng)之為雙程記憶效應(yīng)。

（三）全程記憶效應(yīng)。在加熱或者冷卻時(shí)呈現(xiàn)高溫相或者低溫相狀態(tài)的稱(chēng)之為全程記憶效應(yīng)。

四、記憶合金使用領(lǐng)域

形狀記憶合金因?yàn)槠湫螤钣洃浀奶匦?，目前在醫(yī)療、工業(yè)器械、電子元器件及日常生活中都有廣泛的使用。

（一）醫(yī)療器械。記憶合金在義肢制造使用過(guò)程中及醫(yī)療器械中都應(yīng)用十分廣泛，例如微型機(jī)械手的制造與應(yīng)用?？梢酝ㄟ^(guò)Ti、Ni兩種合金制成的記憶金屬制作成彈簧來(lái)滿足螺旋彈簧的開(kāi)閉和彎曲動(dòng)作，同時(shí)用該合金絲的伸縮性來(lái)滿足肘及肩膀的彎曲動(dòng)作，而且都可通過(guò)調(diào)節(jié)電流進(jìn)行控制。在醫(yī)療器械方面如牙齒整形中作為矯正材料也有是普遍的應(yīng)用。

（二）工業(yè)產(chǎn)品的應(yīng)用。形狀記憶合金因其獨(dú)特的形狀記憶特性在工業(yè)產(chǎn)品中的使用也十分的廣泛，

1.因其單程形狀記憶效應(yīng)的特點(diǎn)，可以應(yīng)用在電線，接頭等地方。

2.外因性雙向記憶恢復(fù)。即利用雙向記憶恢復(fù)效應(yīng)隨外界溫度變化的形變效應(yīng)，如熱敏元件、機(jī)器人、接線柱等。

3.內(nèi)因性雙向記憶恢復(fù)。即利用雙程記憶效應(yīng)隨溫度升降做反覆動(dòng)作，如熱機(jī)、熱敏元件等。

4.超彈性的應(yīng)用。如彈簧、接線柱等。

（三）電子產(chǎn)品。形狀記憶合金在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用一般是一些調(diào)節(jié)器和感知器，比較常見(jiàn)的就是電飯鍋壓力調(diào)節(jié)器、電子爐灶換氣門(mén)的開(kāi)閉器和飲用水沸騰感知器等，在理療和調(diào)理方面，常見(jiàn)的有電磁調(diào)理器過(guò)熱感知器和溫泉浴池調(diào)理器等。

（四）日常生活中。形狀記憶合金在日常生活中也比較如常見(jiàn)，如一些常見(jiàn)的換氣、轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)裝置，例如空調(diào)進(jìn)出口風(fēng)向調(diào)節(jié)器、衛(wèi)生間洗滌器水管轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、家庭換氣門(mén)開(kāi)閉器、浴池保溫器、凈水器熱水防止閥和恒溫箱混合水栓溫度調(diào)節(jié)閥等。在日常裝飾方面，與眼鏡相關(guān)的固定件、框架等一般也是采用記憶合金制成。

五、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上論文的描述，詳細(xì)分析了形狀記憶金屬的特性、使用方范圍和種類(lèi)。現(xiàn)階段對(duì)于記憶合金的研究與開(kāi)發(fā)還有很長(zhǎng)的一段路要走。在不久的將來(lái)我相信經(jīng)過(guò)各個(gè)研究者前仆后繼的努力，在這塊研究一定會(huì)取得更大的進(jìn)步。同時(shí)我國(guó)的合金應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)越來(lái)越廣。