淺論SMA記憶合金

蘇賢 徐婷 陳語林

摘 要 本文簡述了SMA記憶合金這種全新的材料，從其分類入手，先簡單描述了它三種不同特性的類型，接著通過對近幾年市場數(shù)據(jù)的分析，得出記憶合金的市場價格呈逐年遞增的趨勢且在未來很有可能持續(xù)走高。然后指出SMA記憶合金的特殊性能：獨特的形狀記憶特性和相變超彈性特性，論述了其在建筑抗震方面的應用。最后總結(jié)出SMA記憶合金未來的市場前景較為廣闊，企業(yè)想要占據(jù)市場還需要提升自身能力和對技術(shù)的研究。

關(guān)鍵詞 SMA記憶合金 價格趨勢 抗震

中圖分類號：TG14 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）11-0003-02

SMA記憶合金是一種全新的功能性材料，自1932年被發(fā)現(xiàn)至今，很多人對其特性尚不了解，認為它是一種高昂的且應用范圍很窄的材料。其實不然，它的“智能性”可以被應用在醫(yī)療、建造、生活等各個方面。它的特殊性能能解決很多傳統(tǒng)材料無法解決的問題。例如在建造領(lǐng)域，一些對抗震要求很高的地區(qū)，有時是很難將傳統(tǒng)的抗震建筑材料運用其中，因為可能會存在環(huán)境破壞、運輸困難等問題，但這些都能利用SMA記憶合金有效解決。據(jù)資料顯示SMA記憶合金的極限應力可達1000MPa，恢復應變?yōu)?%左右[1]。因此利用SMA記憶合金的不同特性，加上其較高的極限應力，可在建筑結(jié)構(gòu)中進行自我監(jiān)測并能在地震發(fā)生時減少地震效應，有利于延長建筑的使用壽命，有效減少震害，對地震頻發(fā)地區(qū)尤其有利。

1 SMA記憶合金的分類

所謂記憶合金就是當記憶合金受到外力變形后，在加熱條件下可以恢復到原來的形狀，這種具有記憶特性的合金被人們稱為記憶合金。具體的類型有：Au-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、Ag-Cd、In-Ti、Au-Cu-Zn、NiAl、Fe-Pt、U-Nb和Fe-Mn-Si等，而SMA記憶合金按形狀記憶效應可分為以下三類。

1.1 不可逆形狀記憶效應

SMA記憶合金在受力變形后，在加熱條件下可使得其恢復高溫相形狀，但是冷卻后卻不能使其恢復低溫相形狀。這種僅在高溫狀態(tài)下使得合金形狀改變的現(xiàn)象稱為不可逆形狀記憶合金效應，又稱單程記憶效應。

1.2 可逆形狀記憶效應

顧名思義，即可以根據(jù)溫度高低自由可逆的變換到原來的形狀，又稱雙程記憶效應。

1.3 全程型記憶效應

SMA記憶合金受力變形后，對其加熱時可使其恢復高溫相形狀，但冷卻時卻變?yōu)樾螤钕嗤⑷∠蛳喾吹母邷叵嘈螤頪2]。

2 SMA記憶合金的價格趨勢

SMA記憶合金從1932年被發(fā)現(xiàn)至今，隨著我國對其不斷的深入研究，SMA記憶合金在我國各行各業(yè)的應用范圍已經(jīng)進一步擴大。想要在各領(lǐng)域使用廉價的SMA記憶合金已經(jīng)不再是癡人說夢。近年來，國內(nèi)的記憶合金行業(yè)均價整體呈下降趨勢，據(jù)《智研咨詢》整理顯示：國內(nèi)記憶合金均價從2011年的66.8萬元/噸，下降到2017年的58.2萬元/噸。據(jù)資料顯示我國SMA記憶合金行業(yè)的價格主要受材料成本、人工成本、制造費用的影響。拿2017年舉例，制造費用占記憶合金生產(chǎn)成本的27%，材料成本占62%，人工成本占11%。

不僅如此，從《智研咨詢》發(fā)布的《2019-2025年中國形狀記憶合金行業(yè)投資分析與投資決策咨詢報告》數(shù)據(jù)可知：2018年該行業(yè)價格將達到58.5萬元/噸，預計到2024年可達60.8萬元/噸，且從2018-2024年行業(yè)均價呈逐年上升趨勢，且極有可能依舊上升。相對于賣方市場來說，價格的上升導致利潤的提升，促使更多人加入這個行業(yè)中，對于買方市場而言，價格總體雖然呈上升趨勢，但上升幅度不大，在能夠承受的范圍之內(nèi)，因此買方市場規(guī)模不會縮小。

3 SMA記憶合金抗震性的應用

SMA記憶合金有兩方面特性，分別是獨特的形狀記憶特性和相變超彈性性能特性，這兩種特性使得它擁有較大的恢復應力和恢復應變，并能夠廣泛的運用到結(jié)構(gòu)當中。由于SMA記憶合金的高彈性模量以及對抗壓力、拉力、剪切荷載具有相同的阻尼系數(shù)，這使得它較其他的傳統(tǒng)阻尼材料更有優(yōu)勢且更易于應用于結(jié)構(gòu)中。方法如下：首先，將SMA記憶合金埋置于結(jié)構(gòu)當中，當結(jié)構(gòu)振動時，可利用其特性進行主動控制和監(jiān)測;其次，因為記憶合金的高溫奧氏相和低溫馬氏相的剛度有所不同，可在振動時對結(jié)構(gòu)進行頻率調(diào)整和改變。不僅如此，利用SMA記憶合金內(nèi)部有很大內(nèi)摩擦，因此可將其設(shè)計成智能隔震器并應用于土木工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計中。其原理是先對SMA記憶合金預加荷載，使其接近彈性極限附近，然后將其連同其他建筑材料埋于地基中，因此當?shù)卣鸢l(fā)生時，SMA記憶合金就可以吸收和耗散地震時的能量，減少地震對結(jié)構(gòu)的影響[3]。不僅如此還可以通過在傳統(tǒng)建筑的基礎(chǔ)上加入SMA記憶合金（如竹樓）來增加竹樓的抗震性（如圖1所示）。主要方法是通過確定竹子的有限離散點，并在該點處加增SMA記憶合金，那么當竹樓振動時，一方面利用SMA記憶合金高溫下的奧氏體與馬氏體彈性模量不同的特征（奧氏體高于馬氏體），通過對SMA記憶合金的加熱，使得竹樓的局部或整體剛度有所改變，進而改變竹樓的振動特性，降低竹樓的反應;另一方面也可以利用SMA記憶合金的塑性滯回變形耗能的特點來耗散振動時的能量，從而有效降低竹樓反應，減少破壞。

4 SMA記憶合金的前景

SMA記憶合金作為一種還未廣泛運用的新型材料，它具有其他絕大多數(shù)材料所不具備的智能性和優(yōu)越性。有著可以制作高度智能、性能優(yōu)良的材料的絕佳優(yōu)勢。在科技迅速發(fā)展的今天，各領(lǐng)域?qū)π滦椭悄懿牧系男枨蟛粩嘣黾?，因此記憶合金的前景不可忽視，在將來它極有可能代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料應用于人們各方面的生產(chǎn)生活中。

同時隨著我國對記憶合金的不斷研究，其已經(jīng)不是奢侈品類的新型材料，開始逐步的邁入人們的日常生活中。部分商品也逐漸開始利用記憶合金的“記憶性”來滿足人們的需求，如在眼鏡、汽車中的應用。

不僅如此，就建筑方面來說，記憶合金在建筑中的廣泛應用將使得該行業(yè)發(fā)展更為迅速，對于某些需要對建筑抗震性加強的地區(qū)，雖然傳統(tǒng)材料也能滿足抗震需求，但并不能解決所有問題。拿地震頻發(fā)的西雙版納地區(qū)而言，該處環(huán)境優(yōu)美且多以竹樓為主要建筑，想要利用傳統(tǒng)鋼筋混凝土材料解決地震破壞的問題顯然很難行得通，那只能在傳統(tǒng)竹樓上進行改造。而SMA記憶合金的性能能有效解決這個問題，當然還需要依托技術(shù)以及其他材料的聯(lián)合使用。

此外，就上述的價格來說，2018年合金的每噸價格為50.8萬元，較之前已經(jīng)有所減少，雖然預估后期價格會上升，但幅度不大。隨著技術(shù)的逐漸成熟，價格終究會降低，因此市場較為明朗。

當然這些所謂的市場還需要企業(yè)自己去創(chuàng)造，雖然利好消息較多，但存在的問題也很多，目前而言SMA記憶合金的技術(shù)也不算相當完善。各個企業(yè)需要吸取經(jīng)驗，吸納新技能，對傳統(tǒng)的記憶合金進行改造，提高企業(yè)競爭力和自主創(chuàng)新能力，這才是擁有廣闊市場前景的制勝法寶。

5 結(jié)語

當?shù)卣鸢l(fā)生時，SMA記憶合金的應用能有效降低結(jié)構(gòu)的地震反應，一些對環(huán)境有特殊要求的地區(qū)，其相比于鋼筋混凝土等材料可以大大減少對環(huán)境的破壞。但目前而言，記憶合金應用于建筑的想法還未成熟，比如它的價格、技術(shù)的完善以及還需要大量的實驗來驗證此想法的正確性。當然這不是一朝一夕能夠解決的，需要各個企業(yè)聯(lián)合起來，共同實現(xiàn)這個目標。這個問題解決了，那么SMA記憶合金的市場也將被打開，市場前景不可估量，企業(yè)也會收獲利潤，以此相輔相成，這才是推動SMA記憶合金甚至行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

參考文獻：

[1] 牛心如，王娜，黃寧昕，崔仲凱，王磊，趙辰.形狀記憶合金綜述[J].江蘇建材，2021（01）：22-23.

[2] 孫晉，陳松.形狀記憶合金及其在建筑工程中的應用[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2006（05）：192-193.

[3] 王社良，馬懷忠，沈亞鵬.形狀記憶合金在結(jié)構(gòu)抗震控制中的應用[J].西安建筑科技大學學報（自然科學版），1998 （02）：15-18，47.