鎳鈦形狀記憶合金的研究及其應(yīng)用進(jìn)展

王本力

形狀記憶合金（SMA）是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經(jīng)塑性變形并固定成另一種形狀后，通過加熱到某一臨界溫度以上又可以恢復(fù)成初始形狀的一類合金。作為集感知與驅(qū)動一體的智能材料，形狀記憶合金的研究工作受到了來自學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的廣泛重視。形狀記憶合金的相關(guān)產(chǎn)品也已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如航空航天、機(jī)械、電子、能源、交通以及建筑等，并取得了良好的效果。形狀記憶與超彈性鎳鈦（NiTi）合金是目前工程領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛的一類功能金屬材料，作為智能結(jié)構(gòu)的敏感元件和驅(qū)動器等器件，其應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了機(jī)械、電子、汽車、航空航天、礦業(yè)、能源、土木工程、核工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。

1? 研究進(jìn)展及研發(fā)機(jī)構(gòu)

1.1? 研究進(jìn)展

國際上，NiTi形狀記憶合金的研究熱潮始于1963年，美國海軍軍械研究室的Buehler等人在NiTi合金中發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)。早期的研究集中在歐美等發(fā)達(dá)國家。我國從20世紀(jì)70年代后期開始研究形狀記憶合金，自“七五”起便列入國家攻關(guān)計(jì)劃。經(jīng)過近幾十年的努力，NiTi形狀記憶合金的基礎(chǔ)理論研究與材料加工工藝與技術(shù)已獲得長足發(fā)展，在工程應(yīng)用領(lǐng)域也取得了較大進(jìn)展。

近年來，NiTi形狀記憶合金的基礎(chǔ)理論與工程應(yīng)用取得許多新進(jìn)展。①鎳鈦合金多步相變行為研究新成果;②鎳鈦合金性能預(yù)測與調(diào)控新方法與理論;③新型NiTi基三元合金，寬滯后NiTiNb合金、高溫NiTiHf合金、窄滯后NiTiCu合金工程實(shí)際中的新應(yīng)用;④大量新穎結(jié)構(gòu)NiTi合金，例如NiTi合金薄膜薄帶、NiTi合金毛細(xì)管、塊狀納米晶NiTi合金等;⑤NiTi合金新的制備工藝，例如多孔結(jié)構(gòu)NiTi合金、NiTi合金粉末等。

1.2? 主要研究機(jī)構(gòu)

國外從事形狀記憶合金研究的單位主要集中在美國、德國、日本等國家，如美國國家航空航天局（NASA）格倫研究中心、德國馬普金屬所、德國波鴻魯爾大學(xué)、日本筑波大學(xué)、日本國立材料科學(xué)研究所、比利時(shí)魯汶天主教大學(xué)、俄羅斯烏法國立航空技術(shù)大學(xué)等。國內(nèi)從事形狀記憶合金研究的單位主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、大連理工大學(xué)、北京有色金屬研究總院、北京科技大學(xué)等。表1總結(jié)了目前活躍在形狀記憶合金領(lǐng)域的國內(nèi)外主要研究機(jī)構(gòu)的基本情況。這些科研機(jī)構(gòu)對推進(jìn)我國記憶合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。

2? 應(yīng)用情況及主要企業(yè)

2.1? 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用

NiTi形狀記憶合金在生物醫(yī)學(xué)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，為其進(jìn)一步應(yīng)用提供了巨大的優(yōu)勢及機(jī)會。形狀記憶合金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。形狀記憶合金的超彈性滯回特性可以在正常生理活動中提供徑向阻力，并在恢復(fù)過程中對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)形狀記憶合金支架制作成功，迄今已有顯著的發(fā)展，全球近一半的支架產(chǎn)品是由形狀記憶合金制造，并將其應(yīng)用擴(kuò)展到人體的其他部位。表2總結(jié)了NiTi記憶合金在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的主要應(yīng)用。

2.2? 工程領(lǐng)域應(yīng)用

20世紀(jì)70年代初，美國Raychem公司研制了NiTiFe航空用液壓管路接頭和緊固件，并應(yīng)用于F14戰(zhàn)斗機(jī)，成為NiTi合金第一個(gè)成功的工業(yè)應(yīng)用案例。至今，在美國各種型號的飛機(jī)上已成功使用數(shù)百萬只，無一失效，現(xiàn)在美國軍方已規(guī)定記憶合金管接頭作為軍用液壓管路連接的唯一許用系統(tǒng)。之后，研究者根據(jù)NiTi記憶合金的特性發(fā)展了種類繁多的工程應(yīng)用產(chǎn)品，應(yīng)用范圍涉及交通、土木建筑、航空航天、能源、機(jī)械、電子等眾多的領(lǐng)域。

NiTi基記憶合金構(gòu)件依據(jù)其工作原理可以分為3類：一類是利用其應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變及其逆相變所誘發(fā)的超彈性，用于建筑物的自復(fù)位裝置、恒彈力結(jié)構(gòu)和均載連接等場合;一類是基于其溫度誘發(fā)馬氏體相變及其逆相變所導(dǎo)致的形狀記憶效應(yīng)，在達(dá)到某一特定的溫度后，發(fā)生形狀回復(fù)并對外做功，制作各種驅(qū)動器與緊固連接件等;最后一類是利用NiTi基記憶合金高阻尼特性，用于土木結(jié)構(gòu)抵御自然災(zāi)害的阻尼器等。其中第2類應(yīng)用最為廣泛，應(yīng)用形式也最為多樣。表3總結(jié)了NiTi記憶合金在工程領(lǐng)域的主要應(yīng)用。

2.3? 主要企業(yè)

隨著研究工作的深入，NiTi基形狀記憶合金的產(chǎn)品逐漸走向市場，應(yīng)用范圍涉及到航空、航天、機(jī)械、電子、化工、能源、建筑等工程、民用和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。形狀記憶合金主要企業(yè)有新日本制鐵、美國冶聯(lián)科技（ATI）、古河電器工業(yè)株式會所、美國TiNi Aerospace和美國TiNi Alloy這幾家公司。表4總結(jié)了全球NiTi形狀記憶合金主要公司的情況。

3? 結(jié)語

NiTi合金作為綜合性能最好的形狀記憶與超彈性材料，長期成為形狀記憶合金研究中的重中之重。從傳統(tǒng)的絲材、板材到新穎結(jié)構(gòu)的薄壁管、薄膜，從傳統(tǒng)的微米晶到通過大塑性變形獲得的納米晶和非晶態(tài)，從單純的NiTi二元合金到NiTi基三元和四元合金，NiTi合金的應(yīng)用探索仍在不斷深入。也許從事形狀記憶合金應(yīng)用研究的人員所面臨的最大挑戰(zhàn)不是發(fā)現(xiàn)新的合金，而是考慮如何全面地利用好現(xiàn)有合金?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》提出，支持工業(yè)設(shè)計(jì)中心建設(shè)，設(shè)立國家工業(yè)設(shè)計(jì)研究院?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出，聚焦提高產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新力，加快發(fā)展研發(fā)設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)等服務(wù)業(yè)。這為形狀記憶合金的應(yīng)用發(fā)展創(chuàng)造了良好的政策環(huán)境。包括中國在內(nèi)的全球由形狀記憶與超彈性NiTi合金發(fā)展起來的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)正方興未艾。Global Industry Analysts，Inc報(bào)告顯示，2020—2027年，全球形狀記憶合金市場規(guī)模將從144億美元增加到310億美元，年均增長11.6%。其中，NiTi合金市場規(guī)模從73億美元增加到171億美元，年均增長12.9%;銅基合金市場規(guī)模從52億美元增加到112億美元，年均增長11.6%;Fe基合金市場規(guī)模從19億美元增加到36億美元，年均增長9.4%。分區(qū)域看，2020—2027年，中國、日本、加拿大、德國市場年均增長率分別達(dá)到11.1%、10.4%、9.7%和8.3%，其中，中國市場規(guī)模將從26億美元增加到54億美元。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.04.008