形狀記憶合金及其復(fù)合材料的應(yīng)用*

徐立丹，趙繼濤，史明方，張翔宇，王振清

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭014010；2.攀枝花學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，四川 攀枝花617000；3.哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001）

1 形狀記憶合金

智能材料和自愈材料等新一代材料在當(dāng)今時(shí)代得到越來(lái)越多的應(yīng)用。形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，SMA），屬于智能或智能材料的范疇。形狀記憶合金或智能合金最早是由?lander[1]在1932年發(fā)現(xiàn)的，“形狀記憶”一詞最早是由Vernon[2]在1941年用來(lái)描述的他的聚合物牙科材料。1963年，Buehler[3]揭示了鎳鈦（NiTi）合金中的形狀記憶效應(yīng)（Shape memory effect，SME），由此，形狀記憶材料（Shape memory material，SMMs）的重要性才被認(rèn)識(shí)。它也被稱為鎳鈦諾。基于SMA獨(dú)特的記憶效應(yīng)，SMA在工程和技術(shù)中的應(yīng)用逐漸增加。

2 形狀記憶合金的特性

SMA作為一種感知驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新智能材料，因其獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)（SME）、超彈性（SE）、良好的抗疲勞、耐腐蝕能力和生物相容性，被廣泛應(yīng)用于電子儀器、汽車工業(yè)、醫(yī)療設(shè)備和工程控制等領(lǐng)域。SME是指一種具有一定初始形狀的合金，在低溫下進(jìn)行塑性變形，固定成另一種形狀，然后在一定的臨界溫度以上加熱，再恢復(fù)到原來(lái)的形狀。SE表現(xiàn)為在載荷作用下，SMA的變形恢復(fù)能力要強(qiáng)于絕大部分金屬材料，具有比一般金屬大得多的變形恢復(fù)能力，也就是說(shuō)，在卸載過(guò)程中，SMA產(chǎn)生的大應(yīng)變會(huì)逐漸恢復(fù)，基本不存在塑性應(yīng)變[4-6]。

3 形狀記憶合金的應(yīng)用

現(xiàn)今，SMA的種類越來(lái)越多，其中Fe基、Cu基和NiTi基合金應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛。除了具備SME和SE之外，還具備優(yōu)異的生物相容性、耐蝕性、電阻特性、高回復(fù)力、高阻尼特性、耐磨性和機(jī)械性能等，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療、橋梁建筑、機(jī)械電子、航空航天和日常生活等諸多領(lǐng)域[6-7]。

3.1 在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

F-14戰(zhàn)斗機(jī)液壓系統(tǒng)的管接頭是最早由NiTi合金制作的部件，美國(guó)海軍飛機(jī)上使用此類管接頭超過(guò)35萬(wàn)個(gè)，至今未發(fā)現(xiàn)失效管接頭。F15E“攻擊鷹”是一種被構(gòu)想用來(lái)完成各種任務(wù)的戰(zhàn)斗機(jī)。SMA被用來(lái)旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣道罩，以改變空氣流動(dòng)截面。除了推進(jìn)系統(tǒng)外，SMAs還可用于適應(yīng)提升體和變形機(jī)翼結(jié)構(gòu)。SMA元件在氣動(dòng)結(jié)構(gòu)中的集成已成為眾多研究的熱點(diǎn)[7]。此外，形狀記憶合金材料還應(yīng)用于星箭自動(dòng)解鎖機(jī)構(gòu)、均載連接件、衛(wèi)星儀器窗門自動(dòng)啟閉器和航天飛機(jī)傘形天線等結(jié)構(gòu)。近些年來(lái)，NiTi合金傳感/驅(qū)動(dòng)元件被用于飛機(jī)機(jī)翼、進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)和機(jī)翼結(jié)構(gòu)的控制。可以預(yù)見(jiàn)，這類具有自適應(yīng)能力的結(jié)構(gòu)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用是十分廣闊的。

SMA驅(qū)動(dòng)器可以用于構(gòu)建更安全、更輕、復(fù)雜度更低的系統(tǒng)，并與未來(lái)的電動(dòng)飛機(jī)概念相兼容。通過(guò)調(diào)整形狀記憶合金（SMA）執(zhí)行器的溫度，設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定目標(biāo)形狀的智能可變形航空結(jié)構(gòu)[8]。

3.2 在機(jī)械電子領(lǐng)域中的應(yīng)用

許多連接件和緊固件都采用NiTi合金制備，如：緊固鉚釘/銷釘、連接套筒等，緊固銷釘連接件也能夠在全封閉構(gòu)件中使用。感溫驅(qū)動(dòng)元件也可以采用能夠自動(dòng)控制的NiTi合金，如：NiTi熱變形率（TVR）彈簧用于調(diào)節(jié)自清潔烤箱開(kāi)門，家用安全裝置控制熱水、自動(dòng)變速器的換檔、工業(yè)安全閥，還有自動(dòng)百葉窗、火災(zāi)報(bào)警器、淋浴混水閥、電熱水壺手柄控制器、氣體管道防火閥、汽車中節(jié)溫器、空調(diào)風(fēng)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、霧燈保護(hù)罩風(fēng)扇離合器等[9-10]。

3.3 在工程建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用

利用SMA制成的重新定心裝置對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震保護(hù)，是超越基于性能設(shè)計(jì)的一種新的范式轉(zhuǎn)變。SMA材料的阻尼能力和高可恢復(fù)應(yīng)變（8%-10%）的特性[11-12]使其可用于土木結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)荷載防護(hù)系統(tǒng)。鑒于NiTi合金優(yōu)異的高阻尼特性和偽彈性，NiTi合金被用來(lái)制作隔振減震裝置和阻尼耗能裝置，用來(lái)降低高層建筑或橋梁受臺(tái)風(fēng)或地震載荷的影響。利用形狀記憶合金的偽彈性性能和動(dòng)阻尼特性，形狀記憶合金被用于被動(dòng)控制結(jié)構(gòu)受地震影響，起到抗震的作用。應(yīng)運(yùn)于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主動(dòng)阻尼控制等。SMA在大應(yīng)變循環(huán)下具有較高的抗疲勞性能。SMA密度低。SMA可用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，特別是在關(guān)鍵位置，如塑性鉸區(qū)域，在地震中該區(qū)域會(huì)有更多的破壞。

Fe基合金是土木工程應(yīng)用中比較廣泛的材料。Fe基合金表現(xiàn)出與NiTi合金相同的馬氏體相變是熱彈性相變，導(dǎo)致晶格畸變，但沒(méi)有原子擴(kuò)散，除了脫孿過(guò)程外，兩種合金的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。近年來(lái)，SMA合金的應(yīng)用主要用于結(jié)構(gòu)的修復(fù)。近表面安裝的SMA在提高梁的抗彎強(qiáng)度方面已被證明是成功的。這是一種提高極限荷載下抗彎強(qiáng)度的被動(dòng)加固方法[13]。

3.4 在生物醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用

NiTi形狀記憶合金是記憶合金中綜合性能最好的一種。NiTi記憶合金不具有毒性而且具有良好的組織相容性和生物退變性，這為NiTi記憶合金應(yīng)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。此外，NiTi記憶合金強(qiáng)度高、比重低、磁性低，還具有耐磨損、耐腐蝕、耐疲勞等特性[14]，因此被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械中，如矯齒絲、騎縫釘、髕骨爪、骨卡環(huán)、脊柱矯形棒、人工關(guān)節(jié)、心臟起搏器、血栓濾器、介入支架等[15]。

3.5 在日常生活領(lǐng)域中的應(yīng)用

日常生活中NiTi合金依然常見(jiàn)，如手機(jī)天線、耳機(jī)頭套、形狀記憶合金勺、眼鏡框架、釣魚絲線等。即使眼鏡框發(fā)生大變形，NiTi合金也能夠保持鏡片牢固，且更舒適耐磨。

4 形狀記憶合金復(fù)合材料及其應(yīng)用

4.1 形狀記憶合金復(fù)合材料

形狀記憶合金增強(qiáng)復(fù)合材料SMARC是通過(guò)化學(xué)和物理的復(fù)合工藝（如澆注、碾壓、膠合等）將基體材料與一定塑性變形的SMA元件復(fù)合制備而成[16]。SMA元件可以制備成絲、顆粒、薄板、薄膜等形狀。

4.2 形狀記憶合金復(fù)合材料的應(yīng)用

目前，越來(lái)越多的學(xué)者注意到將智能材料應(yīng)用在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中可以有效提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的性能。其中，智能材料SMA在土木工程、機(jī)器人、航空航天、醫(yī)療和工業(yè)等眾多領(lǐng)域中應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成果。

在航空航天領(lǐng)域中，SMA增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料在與航空航天、汽車和能源收集相關(guān)的系統(tǒng)的主動(dòng)形狀和振動(dòng)控制方面具有巨大的潛力。將SMA絲增強(qiáng)成復(fù)合材料的主要?jiǎng)訖C(jī)是通過(guò)熱機(jī)械以及電/磁刺激來(lái)主動(dòng)改變復(fù)合材料的剛度或彈性。SMA增強(qiáng)復(fù)合材料能夠適應(yīng)其形狀，利用形狀記憶效應(yīng)和SMA的SE特性，提高復(fù)合材料的比強(qiáng)度、減振和自愈能力[17]?？蓮澢冃蔚腟MA智能復(fù)合材料是變體機(jī)翼的熱門材料。

在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用中，SMA作為一種新型智能材料被引入到混凝土結(jié)構(gòu)中，使混凝土結(jié)構(gòu)具有了自修復(fù)功能。形狀記憶合金混凝土結(jié)構(gòu)的加入可以有效改善混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能，同時(shí)使混凝土結(jié)構(gòu)增加了控制甚至修復(fù)裂縫的能力。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)在載荷作用下出現(xiàn)裂縫時(shí)，利用SMA的電阻特性，可以采用通電方式激勵(lì)SMA使其產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)。變形恢復(fù)受限時(shí)SMA就會(huì)產(chǎn)生恢復(fù)應(yīng)力，即受限的SMA會(huì)對(duì)裂縫施加的壓應(yīng)力抑制裂縫的擴(kuò)展，使裂縫變小甚至閉合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫的自修復(fù)[18]。與此相似，將SMA絲材與瀝青混合料復(fù)合也能夠顯著提高車轍試樣的變形恢復(fù)率。

SMAs以條和條的形式，可以作為預(yù)應(yīng)力元素在新的鋼筋混凝土（RC）成員或用于加強(qiáng)現(xiàn)有的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力SMA本身可以作為預(yù)應(yīng)力鋼筋用于鋼筋混凝土梁的抗彎加固和鋼筋混凝土柱的主動(dòng)約束。

5 結(jié)束語(yǔ)

雖然SMA的種類越來(lái)越多，卻未有針對(duì)性的規(guī)劃，應(yīng)對(duì)不同領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)發(fā)最適合的合金，在減少成本的基礎(chǔ)上提高利用率。

由于SMA的造價(jià)過(guò)高，工程領(lǐng)域不能夠廣泛應(yīng)用，鐵基合金雖在工程領(lǐng)域應(yīng)用甚多，卻仍然存在局限性。

由于SMA特性很多，并不會(huì)都利用充分，開(kāi)發(fā)新型SMA針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，可以針對(duì)性提升某一特性，適應(yīng)各種相變溫度與應(yīng)用環(huán)境，減少材料特性浪費(fèi)。降低生產(chǎn)成本，提升使用性能，形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，提升SMA的利用率，尤其在土木工程領(lǐng)域，SMA能夠增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能，并能夠修復(fù)結(jié)構(gòu)裂縫，很大程度上減少結(jié)構(gòu)事后成本。