形状记忆合金未来展望

一、引言

形状记忆合金(Shape Memory Alloy ,SMA) 是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应(Shape Memory Effect ,SME) 。

形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。

二、形状记忆合金的发展史与现状

在金属中发现现状记忆效应最早追溯到20世纪30年代。1938年。当时美国的 Greningerh和Mooradian在Cu-Zn合金小发现了马氏体的热弹件转变。随后，前苏联的Kurdiumov对这种行为进行了研究。1951年美国的Chang相Read在Au47·5Cd(％原子)合金中用光学显微镜观察到马氏体界面随温度的变化发生迁动。这是最早观察到金属形状记忆效应的报道。数年后，Burkhart 在In-Ti 合金中观察到同样的现象。然而在当时，这些现象的发现只被看作是个别材料的特殊现象而未能引起人们足够的兴趣和重视。直至1963年，美国海军武器实验室的Buehler等人发现了Ni-Ti合金中的的形状记忆效应，才开创了“形状记忆”的实用阶断[1]。

1969年，Rsychem公司首次将Ni-Ti合金制成管接头应用于美国F14 战斗机上；1970年，美国将Ti-Ni记忆合金丝制成宇宙飞船用天线。这些应用大大激励了国际上对形状记忆合金的研究与开发。20世纪7 年代，相继开发出了Ni-Ti 基、Cu-Al2-Ni 基和Cu-Zn-Al 基形状记忆合金；80 年代开发出了Fe-Mn-Si 基、不锈钢基等铁基形状记忆合金，由于其成本低廉、加工简便而引起材料工作者的极大兴趣。从20世纪90 年代至今，高温形状记忆合金、宽滞后记忆合金以及记忆合金薄膜等已成为研究热点[2]。

从SMA 的发现至今已有四十余年历史，美国、日本等国家对SMA 的研究和应用开发已较为成熟，同时也较早地实现了SMA 的产业化。我国从上世纪70 年代末才开始对SMA 的研究工作，起步较晚，但起点较高。在材料冶金学方面，特别是实用形状记忆合金的炼制水平已得到国际学术界的公认，在应用开发上也有一些独到的成果。但是，由于研究条件的限制，在SMA 的基础理论和材料科学方面的研究我国与国际先进水平尚有一定差距，尤其是在SMA 产业化和工程应用方面与国外差距较大【3】。近十年来，我国在SMA的应用和开发方面更是取得了长足进步。现在，我国的SMA产业化进程方兴未艾，国内涌现了一大批以SMA原料及产品为主要生产、经营项目的高科技公司【4】。可以预见，未来几年我国SMA的研究和应用开发将会有令人瞩目的发展，甚至可能出现较大突破。

SMA的形状记忆效应源于热弹性马氏体相变，这种马氏体一旦形成，就会随着温度下降而继续生长，如果温度上升它又会减少，以完全相反的过程消失。两项自由能之差作为相变驱动力。两项自由能相等的温度T0称为平衡温度。只有当温度低于平衡温度T0时才会产生马氏体相变，反之，只有当温度高于平衡温度T0时才会发生逆相变[5]。

在SMA中，马氏体相变不仅由温度引起，也可以由应力引起，这种由应力引起的马氏体相变叫做应力诱发马氏体相变，且相变温度同应力呈线性关系。

至今为止发现的记忆合金体系

Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。形状记忆合金的历史只有70多年，开发迄今不过20余年，但由于其在各领域的特效应用，正广为世人所瞩目，被誉为"神奇的功能材料"，其实用价值相当

广泛，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【6】。

二、形状记忆效应的应用

目前,形状记忆合金在电子、机械、能源、宇航、土木、汽车、医疗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[7]。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。

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(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[8]。

(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。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[9]。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[10]。

三、存在的问题和研究方向

在SMA 的研究和应用中,目前尚存在许多有待解决的问题【11】,例如:

(1) 由于SMA 的各种功能均依赖于马氏体相变,需要不断对其加热、冷却及加载、卸载,且材料变化具有迟滞性,因此SMA 只适用于低频(10Hz 以下)窄带振动中,这就大大限制了材料的应用。

(2) SMA 自身存在损伤和裂纹等缺陷,如何克服这些缺陷,改善材料性能是当前迫切需要解决的问题。

(3) 现有的SMA 机构模型在实际工程应用中都还存在一些缺陷,如何克服这些缺点,从而精确地模拟出SMA 的材料行为也是一个需要研究的重要课题;

(4) 在医学应用方面,还需继续研究SMA 的生物相容性和细胞毒性。

(5) SMA 作为一种新型功能材料,其加工和制备工艺较难控制,目前还没有形成一条SMA 自动生产线,此外材料成本也相当昂贵。

(6) 为了提高应用水平,SMA 元器件还需要进一步微型化,提高反应速度和控制精度,在这方面仍有许多工作要做。

SMA 研究今后的发展方向和趋势可归纳为以下几方面:

(1) 充分发掘、改进和完善现有SMA 的性能;

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(2) 研究开发新的具有形状记忆效应的合金材料;

(3) SMA 薄膜的研究与应用;

(4) SMA 智能复合材料的研究与开发;

(5) 高温SMA 的开发。

四、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。

五、结语

综上所述，SMA作为一种新型功能材料，具有其它材料很难取代的独特优点，应用前景十分广阔。今后，随着SMA基础理论研究的日趋成熟和应用开发力度的不断加大，必将不断开拓出新的应用领域。

形状记忆合金未来展望 [篇2]

一.引言

形状记忆合金((Shape Memory Al坷,SMA)是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后，通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应(Shape Memory Effect, SME)。形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料，是集感知与驱动于一体的智能材料，因其功能独特，可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目，并获得了广泛应用。

二.形状记忆合金的发展历史与现状

在金属中发现形状记忆效应最早可追溯到20世纪30年代。1938年，美国的Greningerh和Moora-than在Cu-Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变。

随后，前苏联的Kurdiumo、对这种现象进行了研究。1951年，Chang和Read在Au-47. 5 at 0 o Cd合金中用光学显微镜观察到马氏体界面随温度的变化而发生迁动。这是最早观察到金属形状记忆效应的报道。数年后，Burkhart在In-Ti合金中观察到同样的现象。然而在当时，这些现象的发现只被看作是个别材料的特殊现象而未能引起人们足够的兴趣和重视。直到1963年，美国海军武器实验室的Buehler等人发现等原子比的Ti Ni合金具有优良的形状记忆功能，并成功研制出具有实用价值的形状记忆合金“Ni}-nol”以后，才引起了人们的广泛兴趣，对形状记忆合金的研究从此进入了一个新的阶段。

二、形状记忆合金的特性

形状记忆合金是一种具有形状记忆效应的材料。这种材料在一定的状态及条件下}i 经变形，但在加热至超过某一温度，或者卸除载荷后具有回复其原始形状的能力。图I 示意地说明形状记忆效应(以及超弹性效应)的`特点。一般合金的a一。曲线如图la所示。在弹性范围内时，应力与应变呈线性关系，当应力卸除后变形消失。但当应力超过弹性限后，将产生塑性变形，在应力卸除后，材料的变形不能完全消除而有残余变形存在，即材料不能回复原状。可是，对于形状记忆合金则情况便不相同。当在一定的状态下施加应力产生百分之几到十几的大变形量之后，若将载荷卸除并加热至一定温度以上

时，则变形可以完全消除，材料回复原状。这种现象叫形状记忆效应(图1b )。如果加载与变形是在超过某一特定的温度下进行时，则产生

的大变形量无需加热只在卸载后便

能自然回复。这种现象叫超弹性效应(图1c ) o形状记

忆合金一般兼具有这两种特性。

不论形状记忆效应还是超弹性效应，它们的机制是相同的，即都是以马氏体发生逆

向转变形成其母相(奥氏体)而使形状得到恢复为基础的。这种现象的发生同温度、应力有密切的关系。图2定性地表明这一关系。

在图中，AB线乃是Ms点与应力(诱发马氏

体形成的临界应力)的关系。CD线是在合金中发生滑移变形的临界应力。由此图可以看出，在高温区出现的是超弹性效应;在低温区出现的是形状记忆效应;中间部分是两种效应的重合地带。

形状记忆现象早在研究Au-Cd合金的相变时就已发现，并确认为是热弹性马氏体可

逆转变的结果。但直到1960年，美国海军兵器实验室制成NiTi记忆合金后，才开拓了形状记忆合金在工业技术上应用的新纪元。从此之后，记忆合金的研究和应用获得了大幅度的进展。在机械、计算机、机器人、能源等工业部门以及在医疗方面都获得了多方面的应用，取得了满意的效果。

三、形状记忆合金的发展

最近的研究表明，这种合金不仅发生M相变，而且还发生R ( Rhomb,菱形结构) 相变。这种R相变所产生的记忆效应同M相变所产生的记忆效应有所不同(表3)。

由表3可以看出，M相变的记忆回复量及回复应力虽大，但温度滞后量也大。而R相变的记忆回复量及回复力虽小，但温度滞后量也小。相应地后者的疲劳寿命高，这对于作为执行机构的记忆材料是非常关键的。记忆合金的一个重要特征是其回复温度(Af温度)0 NiTi合金的回复温度约为30} 1000G图1} )。为了获得具有更低回温度的合金，在NiTi合金中加入Co，可使回复温度降至一lOC，从而使NiTi系记忆合金的使用范围可以扩展至更低的温区。为了降低NiTi合金的价格，改善其加工性和记忆特性，还开发了Ni-Ti-V及Ni-Ti-Cu等合金。 2.铜基形状记忆合金与BViTi合金相比具有很多优点

其一是价格便宜(只及后者的1/5} 1/TO )。其次是制造工艺简便热加工性优良，其导热、导电性均较N i'f' i合金为高，而且具有相变温度{ M5)的可调范围宽(NiTi合金为一5 0 "} I 00 0C,而Cu基合金则为一100" 1000C )的优点。但铜基合金(多晶态)的塑性不足，容易发生脆断，疲劳寿命也低。其主要原因是由于铜基合金晶体的弹性各向异性大。以Cu-A1-Ni合金为例，其弹性各向异性A=2Cl/(C,a-C孔)=13(式

中，Cm, Cia及C石e为单晶体的弹性常数)，而N iTi合金晶体的A=2^}3, A值大，则晶体取向不同时的弹性应变差异就大。为了在晶界上保持连续性，在该处的应力集中现象就特别明显，如果晶粒也大时，则很容易产生沿晶界的破坏。为此，要采取各种措施 (粉末冶金法、急冷凝固法以及添加微量元素等)使铜合金的晶粒细化(达到几微米至十几或儿十微米)。经过细化晶粒的铜合金，其断裂应力、疲劳寿命都有很大的改善。其次，为了改善铜基记忆合金在较高温度下使用的性能，在Cu-A}-Ni的基础上研制了 Cu-12A1-5Ni-2Mn-1Ti的新型铜基记忆合金(其中Ti有细化晶粒作用)，它可在1000C 以上的高温稳定地长期地工作。

2.铁基形状记忆合金

最近日本研制成功了Fe基形状记忆合金(Fe-M n-Si合金)。一般，铁基合金的马

氏休相变县非热弹性的。非可逆的原子位移不可能产生明显的记忆效应。但在Fe基合会中的Y(fcc)-sE(Yacp)马l羌体相变的晶格对应性好，不伴随大的体积变化。相变时可能产生可逆性的原子位移，一因而是具有记'C}r.}效应钓马氏体相变。

但这种马氏体相变不是在冷却时发生，’而是在M。点以上施加应力下发生的，即应力诱发马氏体转变。在施加应力时使丫一。，加热时发生。~丫相变，回复原状。这就是铁基合金的记忆机制。

Fe-IVI n-Si合金中的Mn在28 ^}32肠之间，Si在6肠左右。这种合金的记忆性是单向性的，形状回复力也比NiTi合金为小(约为29}.IvIFa，而NiTi合金约为588MPa )，形状回复温度也高(125℃以上)。但这种合金的制造容易，成本比NiTi合金为低，在高温下可以使用。、所以作为形状记忆结构材料是很有发展前途的。

总之，形状记忆合金的性能在不断完善，合金的品种在不断增加，这类合金在新型工业技术中的应用潜力很大。在我国，形状记忆合金的应用还很有限，今后应引起人们的重视。

四、形状记忆合金的应用

迄今发现具有形状记忆效应的合金系已达二十余种，但其中已得到实际应用的还仅局限于Ti-Ni和C} Zn Al合金系(C} Al Ni及Fe}VIn-Si系记忆合金也在开发应用中)。目前，形状记忆合金在电子、机械、能源、宇航、土木、汽车、医疗及日常生活等领域都得到了广泛应用[7, A]，表1列举了形状记忆合金的部分应用实例，下面择其典型应用加以概述。

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