形状记忆合金摘要：扼要地叙述了形状记忆合金及其机理, 介绍了形状记忆合金在工程中应用的现状以及发展前景。

关键词：形状记忆合金、形状记忆合金效应、应用引言：有一种特殊的金属材料,经适当的热处理后即具有回复形状的能力,这种材料被称为形状记忆合金( Shape Memory Alloy ,简称为SMA) ,这种能力亦称为形状记忆效应(Shape Memory Effect , 简称为SME) 。

通常,SMA 低温时因外加应力产生塑性变形,温度升高后,克服塑性变形回复到所记忆的形状。

研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。

到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti 合金和铜基合金(CuZnAl 和CuAlNi) 。

形状记忆合金（Shape Memory Alloys, SMA）是一种在加热升温后能完全消除其在较文 pseudoelasticity）行为，表现为这种合金能承载比一般金属大几倍甚至几十倍的可恢氏体相变。

一、形状记忆合金的发展史最早关于形状记忆效应的报道是由Chang及Read等人在1952年作出的。

他们观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。

后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象，但当时并未引起人们的广泛注意。

直到1962年，Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应，才引起了材料科学界与工业界的重视。

到70年代初，CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应。

几十年来，有关形状记忆合金的研究已逐渐成为国际相变会议和材料会议的重要议题，并为此召开了多次专题讨论会，不断丰富和完善了马氏体相变理论。

在理论研究不断深入的同时，形状记忆合金的应用研究也取得了长足进步，其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。

二、形状记忆效应机理a) 单程SME b) 双程SME btpsfa 为SME cdcjc 为伪弹性图1 形状记忆效应示意图图2 形状记忆合金应力—应变—温度关系示意图图1 直观地示意出合金的形状记忆效应。

在T1 温度下,将原来SMA直棒弯曲变形后,加热至T2 ,弯曲棒便逐渐自动变直回冷至T1 ,棒仍保持直的形状。

合金的这种在某种条件下经任意方式的塑性变形,然后加热至该种合金固有的某一温度以上,又完全恢复其原来形状的现象, 称为形状记忆效应( SME) 。

图1a 中所示为单程SME;如果由T2 冷至T1 时,SMA 棒复又自动弯曲,从而随T 2≒T1 热循环,棒的形状亦发生直≒弯循环现，象,这种现象称为双程SME ,如图2b 所示。

可见,合金的SME 是在应力(σ) ———应变(ε) ———温度( T)三维空间中的一种特殊机械行为。

这种空间行为见图2 。

由于SME 的微观机制与母相P 及马氏体M之间发生的P ≒M 正逆相变密切相关,所以,图2 中的相变温度及应变量等均为重要的SMA 设计参数。

其中Ms、Mf 为P →M 正相变开始与终了温度;As、Af 为M →P 逆相变开始与终了温度。

Md 温度为在外力作用下,能够诱发P →M 相变的最高温度,高于此温度变形, SMA 的变形行为与普通合金相同,因而,SME 的变形温度Td ≤Md。

对于Ni —Ti 、Cu 基等多数SMA ,当满足Af <Td < Md 时,其应力———应变行为如图2 中cdijc 所示,即在σ作用下,尽管合金呈现宏观屈服现象,并发生较大的范性变形(cdi 段) ,但是,一旦卸载后,如同普通合金的弹性变形一样,其范性变形减小至0 ,即合金形状随加载变化,随卸载恢复。

因为σ—ε呈非线性,SMA 的这种机械行为称为伪弹性。

SMA 的伪弹性与SME 取决于变形温度Td。

如果Af < Td < Md ,呈现伪弹性;As < Td < Af 为伪弹性与SME 共有区; Td < As 呈现SME。

然而,近年来研制的一些SMA 不论任何温度变形,都不呈现伪弹性。

应予指出,与钢在马氏体状态相反,SMA 在马氏体状态很软,故变形非常容易。

三、形状记忆效应的分类最先在合金相变过程中观察到形状记忆效应的是Chang 和Read ,他们通过对AuCd的相变可逆性研究发现相变过程中发生了电阻率的变化。

1958 年,在铜(CuZn) 中也发现了类似的现象。

直到1962 年, 当Buehlerh和其同事们在等原子的Ni2Ti 合金中发现了SME 后,对SMA 冶金学和应用的研究才蔚然兴起。

随后的十年中,市场上出现了大量的利用SMA 制造的产品。

经过广泛研究,到目前为止,具有SME 的合金可归纳为以下几类:a) Ni2Ti 系,包括等原子Ni-Ti , Ti-Ni-X(X = Fe ,Al ,Co) ;b) 铜系, 包括Cu-Zn 系, 如Cu-Zn , Cu-Zn-X(X = Si ,Al , Sn) ; Cu-Al 系, 如Cu-Al2 , Cu2Al2Ni ;c) 其他有色金属系, 如Co-Ni , Ti-Nb ,Au-Cu-Zn ,Au-Cd ,Ag-Cd , In-Ti 等;d) 铁基合金,如Fe-Pt ,Fe-Ni-Co ,Fe-Mn-Si ,Fe-Ni-Co-Ti ,Fe-Mn-C 及不锈钢等。

虽然目前已经发现的形状记忆合金有30 余种。

但正式作为商品生产的只有Ni 系和Cu 基两大类。

一般来说,Ni2Ti 合金反复使用的稳定性、耐蚀性、对生物体的适应性(界面相互作用) 、以及超弹性和制备加工性等都比Cu 基合金优越,但成本较高。

Cu 基合金尽管在这些方面略微逊色,但价格便宜,在反复使用频率不太高、条件不太苛刻情况下,应用前景非常广泛。

四、形状记忆效应的应用迄今为止,形状记忆合金在空间技术、医疗器械、机械器具、电子设备、能源开发、汽车工业及日常生活各方面都得到了广泛的应用,总的来说,按使用特性的不同,可归纳为下面几类:(1)自由回复。

SMA 在马氏体相时产生塑性形变,温度升高自由回复到记忆的形状。

自由回复的典型例子是人造卫星的天线和血栓过滤器。

美国航空航天局(NASA) 将Ti2Ni 合金板或棒卷成竹笋状或旋涡状发条,收缩后安装在卫星内。

发射卫星并进入轨道后,利用加热器或太阳能加热天线,使之向宇宙空间撑开。

血栓过滤器把Ni2Ti 合金记忆成网状,低温下拉直,通过导管插入静脉腔,经体温加热后,形状变为网状,可以阻止凝血块流动。

有人设想,利用形状记忆合金制作宇宙空间站的可展机构,即以小体积发射,于空间展开成所需的形状,这是很有吸引力的机构。

(2)强制回复。

强制回复最成功的例子是SMA 管接头。

事先把内径加工成比被接管外径小4 % ,当进行连接操作时,首先把管接头浸泡在液态空气中,在低温保温状态下扩径后,把被接管从两端插入,升高温度,内径回复到扩径前的状态,把被接管牢牢箍紧。

利用SMA 制作的脑动脉瘤夹可夹住动脉瘤根部,防止血液流入,使动脉瘤缺血坏死。

本田等人用厚度为015mm 的Ti2Ni 板制作的Ag2TiNi 复合夹满足小而轻、装卸简便等要求,效果良好。

此外,类似的用途还有电源连接器、自紧固螺钉、自紧固夹板、固定销、密封垫圈、接骨板和脊柱侧弯娇形哈伦顿棒等。

(3) 动力装置。

有些应用领域,要求形状记忆元件在多次循环往复运动中对外产生力的作用。

温度继电器和温度保持器、自动干燥箱、电子灶、热机、卫星仪器舱窗门自动启闭、自动火警警报器、热敏阀门、液氨泄漏探测器、煤气安全阀、通风管道紧急启动闸门、自动收进烟头的烟灰盒及人工心脏等都属于这种应用类型。

1997 年美国航空航天局(NASA) 的科学家利用长3cm ,直径0115mm(01006″) 的Ni-Ti SMA 驱动火星探测器上的太阳能电池挡板,加热SMA ,使其收缩,通过传动装置,打开太阳能电池上的玻璃挡板,电池充电。

充电结束后,偏置弹簧重新使挡板复位。

挡板的有效开合可起到防尘的目的。

(4) 精密控制。

因为SMA 的相变发生在一定温度范围而不是某一固定温度点,我们往往只利用一部分形状回复,使机械装置定位于指定的位姿。

微型机器人、昆虫型生物机械、机器人手抓及微型调节器、笔尖记录器及医用内窥镜都属于这一类。

形状记忆合金用作机器智能人的执行器,集传感、控制、换能、制动于一身,具有仿真性好、控制灵活、动作柔顺、无振动噪声、易于结构微型集成化等优点。

日本的日立公司已研制出具有13个自由度的能拣取鸡蛋的机器人。

俄罗斯St1Petersburg 机器人及控制技术学院在Cu-Al-Ni 基合金材料的研究基础上,研制出了拟人机械手(115m 长) ,其手爪能移动200kg的物体。

该研究小组还给出了手爪的精确控制系统。

医学上用到的具有多自由度能弯曲转入肠道内诊断疾病,进行手术的机器人也属于这一类型(图3) 。

现有的大肠镜的直径为10～20mm ,这种内窥镜的直径为13mm ,因此它特别适用于作大肠镜。

诊断过程中,医生一边看纤维镜中的图象,一边移动操纵杆给出前端的第1 ,2 节弯曲角指令和内窥镜前进、后退指令,通过计算机进行柔性控制, 使内窥镜能够平滑地沿着通路前进或后退,大大减小了患者的痛苦,也增加了诊断的准确性。

随着目前超大规模集成电路技术的飞速发展,可进一步制成微米级甚至更小的超微仿生物。

(5)超弹性应用。

SMA 的伪弹性在医学上和日常生活中得到了广泛的应用,市场上的很多产品都应用了SMA 的伪弹性(超弹性) 性质。

主要有牙齿娇形丝、人工关节用自固定杆、接骨用超弹性Ni2Ti 丝、玩具及塑料眼镜镜框等。

Ni2Ti 丝用于娇形上,即使应变量高达10 %也不会产生塑性变形,而且应力诱发马氏体相变的过程中,应变增大较多时矫正力却增加很少。

故能保持适宜的矫正力,既可保证疗效,也可减轻患者的不适感。

五、前景展望在形状记忆合金的实用化进程中,急需积累并分析关于材料特性、功能可靠性、生物相容性和细胞毒性等方面的基础数据资料。

可以预言,随着对SMA 研究的进一步深化,传统的机电一体化系统完全有可能发展成为材料电子一体化系统。

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