形狀記憶合金綜述

牛心如，王娜，黃寧昕，崔仲凱，王磊，趙辰

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引言

最有效最直接減少地震災(zāi)害的方法就是對(duì)建筑物進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，建造出能夠承受高強(qiáng)度地震的建筑。若在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用智能材料，即能增強(qiáng)其抗震效果。記憶合金的極限應(yīng)力可達(dá)到1 000 MPa，恢復(fù)應(yīng)變?yōu)?%左右，在奧氏體項(xiàng)表現(xiàn)出超彈性性能。利用記憶合金的特性，可在建筑結(jié)構(gòu)中進(jìn)行自我診斷和自適應(yīng)控制，同時(shí)，還可成為研究和應(yīng)用裂縫損傷、變形、結(jié)構(gòu)主動(dòng)隔振的智能驅(qū)動(dòng)器。

1 記憶合金分類

1.1 按其材料分類

目前形狀記憶合金可分為50多種，其中被廣泛應(yīng)用的有三大類:鎳鈦基記憶合金（Ni-TiSMA）、銅基記憶合金(Cu SMA)、鐵基記憶合金(Fe SMA)。而其中鎳鈦基記憶合金的應(yīng)用最為廣泛，在航空航天、醫(yī)療、自動(dòng)化、電子機(jī)械的產(chǎn)品中最為常見(jiàn);而 Cu SMA 主要有 Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Zn-Ga、Cu-Sn 等；Fe SMA 主要有Fe-Pt、Fe-Mn-Si、Fe-C-Mn-Si-Cr-Ni、Fe-Ni-Co-Ti(尚在研究中)等。但鎳鈦基記憶合金因加工技術(shù)復(fù)雜故其價(jià)格高昂,而銅基記憶合金較為低廉,價(jià)格僅為鎳鈦基記憶合金的十分之一，但其記憶性能、力學(xué)性能、耐腐蝕性能都較差，所以其發(fā)展與應(yīng)用也受到一定的限制。與鎳鈦基記憶合金、銅基記憶合金相比，鐵基記憶合金作為國(guó)內(nèi)外最為熱門的研究材料具有成本低廉、記憶性好、易成材、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。此外還有 Au-Cd、Ag-Cd、In-Ti、Ni-Al、U-Nb等其他材料合金。

1.2 按其記憶效應(yīng)分類

形狀記憶合金有兩大特性，記憶效應(yīng)（SME），偽彈性（PE）（也稱超彈性）。記憶合金在受力變形后可自行恢復(fù)，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是熱彈性馬氏體相變（形狀記憶合金分為兩種相——奧氏體相馬氏體相）所產(chǎn)生。其中奧氏體相的結(jié)構(gòu)適宜存在溫度較高的環(huán)境下，而馬氏體相的結(jié)構(gòu)適宜存在溫度較低的環(huán)境下。在不同的熱力荷載以及外力作用下具有以下三種記憶效應(yīng)：

1.2.1 單程記憶效應(yīng)

在高溫下形狀記憶合金可以被制成滿足需要的任意形狀，而在相對(duì)較低的溫度下又可以任意變形，經(jīng)過(guò)加熱又可以恢復(fù)到原來(lái)的形狀。這種僅在溫度變高過(guò)程中形狀發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為單向記憶效應(yīng)。

1.2.2 雙程記憶效應(yīng)

一些形狀記憶合金加熱后可恢復(fù)高溫狀態(tài)下的形狀，而降溫后又可恢復(fù)低溫狀態(tài)下的形狀。這種可以在溫度升高、降低過(guò)程中形狀發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為雙程記憶效應(yīng)。

1.2.3 全程記憶效應(yīng)

一些形狀記憶合金加熱后可以恢復(fù)高溫狀態(tài)下的形狀，降溫后又可以恢復(fù)低溫狀態(tài)下的形狀而其取向相反，該現(xiàn)象稱為全程記憶效應(yīng)。

一般情況下應(yīng)用中的形狀記憶合金不止存在某一種記憶效應(yīng)。

2 形狀記憶合金特性的應(yīng)用

2.1 超彈性性能（偽彈性，機(jī)械形狀記憶效應(yīng)）

形狀記憶合金的機(jī)械性能優(yōu)良，相較于普通金屬材料在彈性應(yīng)變的性質(zhì)方面近乎高出兩個(gè)等級(jí)，具有良好的沖擊韌性。通過(guò)對(duì)其超彈性記憶效應(yīng)-高應(yīng)變循環(huán)下滯回曲線的的相關(guān)研究，形狀記憶合金完全可以作為阻尼耗能元件獨(dú)立使用,并且其中的CT阻尼器的性質(zhì)比一般的阻尼器更加優(yōu)質(zhì),相較于常規(guī)的粘彈性阻尼器其性能會(huì)更加優(yōu)良[1]。超彈性性能在結(jié)構(gòu)控制上一般應(yīng)用于被動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)裝置為：首先將形狀記憶合金拉至超彈性滯回環(huán)起點(diǎn)，再將其與調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）相互結(jié)合，作為一種動(dòng)力裝置聯(lián)合使用。該動(dòng)力裝置的使用模式是將調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）的質(zhì)量塊與結(jié)構(gòu)通過(guò)形狀記憶合金拉索相連接，拉索放置方向與TMD系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方向相互垂直,當(dāng)TMD質(zhì)量塊受力而發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，形狀記憶合金拉索也會(huì)隨之產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)變形，拉索也將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的加載或卸載應(yīng)力,但由于預(yù)拉超彈性滯回環(huán)的起點(diǎn)一定高于卸載的最低點(diǎn)，因此形狀記憶合金拉索提供給TMD的就可保證為一個(gè)雙線型的阻尼力，很好地消耗地震等災(zāi)害帶給結(jié)構(gòu)的能量[2]。

2.2 形狀記憶性能（溫度形狀記憶效應(yīng)）

形狀記憶合金可分為三種溫度形狀記憶效應(yīng)，分別為單程、雙程、全程。該性能應(yīng)用于結(jié)構(gòu)控制可用做溫度調(diào)節(jié)的主動(dòng)控制裝置。該裝置具體為：在混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)較容易產(chǎn)生裂縫的位置加入形狀記憶合金絲（預(yù)拉但還有預(yù)應(yīng)變），可以得到具有自診斷裂縫和主動(dòng)控制性質(zhì)的混凝土構(gòu)件，將會(huì)很好地防止混凝土開(kāi)裂破壞[3]。

3 記憶合金其在結(jié)構(gòu)震動(dòng)控制方面的應(yīng)用

3.1 主動(dòng)控制

主動(dòng)控制是從外部加入能量的控制，利用記憶效應(yīng)（SME），控制器、施力作動(dòng)器和傳感器共同相互作用來(lái)抵抗變形，工作時(shí)傳感器收集信息，之后控制器接收信息并把信息轉(zhuǎn)為指令給施力作動(dòng)器執(zhí)行指令。記憶合金在主動(dòng)控制方面主要通過(guò)兩個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)：①當(dāng)外界環(huán)境的溫度升高或降低時(shí)，SMA的彈性模量也相應(yīng)發(fā)生改變，進(jìn)而改變被控結(jié)構(gòu)的固有頻率，令結(jié)構(gòu)減少了共振；②由于SMA在相變過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生恢復(fù)力，可以使振動(dòng)的結(jié)構(gòu)保持在一種平衡狀態(tài)。

3.2 半主動(dòng)控制

半主動(dòng)控制是從外部加入少量能量的控制，由于控制裝置自身的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的控制力，若將SMA阻尼器加入到控制裝置中主動(dòng)調(diào)整自身的參數(shù)，該控制裝置將會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制力。

3.3 被動(dòng)控制

被動(dòng)控制是無(wú)從外部加入能量的控制，利用SMA的偽彈性效應(yīng)（PE）和高阻尼特性制作成耗能阻尼器等，當(dāng)控制裝置隨結(jié)構(gòu)一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，該裝置就可被動(dòng)地吸收、消耗控制裝置被動(dòng)產(chǎn)生控制力的能量。

3.4 混合控制

在結(jié)構(gòu)上應(yīng)用兩種或兩種以上的被動(dòng)控制裝置或應(yīng)用主動(dòng)結(jié)構(gòu)和被動(dòng)結(jié)構(gòu)的方式叫做混合控制。混合控制裝置的優(yōu)點(diǎn)是可將每一種控制形式裝置的長(zhǎng)處應(yīng)用得淋漓盡致，并可解決各自的弱點(diǎn)，達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)揚(yáng)長(zhǎng)避短的控制效果。

4 結(jié)語(yǔ)

在地震來(lái)臨時(shí)，SMA能夠很好地減少建筑結(jié)構(gòu)的地震效應(yīng)，大大提高建筑穩(wěn)定性能。由于人們不能準(zhǔn)確的預(yù)估將要面臨的地震災(zāi)害作用的強(qiáng)度和特性，且傳統(tǒng)建筑抗震結(jié)構(gòu)不具備自我調(diào)節(jié)能力，故將SMA阻尼裝置應(yīng)用在結(jié)構(gòu)中能夠減輕地震對(duì)建筑物的危害，從而最大限度保證人類的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。