形状记忆合金的研究现状

Vol.49No 14工程与试验EN GIN EERIN G &TEST Dec.2009
[收稿日期]　2009-10-30[作者简介]　何子淑(1976-),女,研究生学历,讲师,从事机械工程材料教学工作。

形状记忆合金的研究现状
何子淑,高军成,梁益龙
(贵州工业职业技术学院,贵州贵阳550008)
摘　要:形状记忆合金是一种重要的智能材料,对其近年来的技术发展进行了综述,着重对形状记忆材料Ni Ti 合金的研究成果及其疲劳性能测试方法和存在的问题进行了讨论,并指出了今后的发展方向。

关键词:形状记忆合金;疲劳性能
中图分类号:TB381 文献标识码:A doi :1013969/j.issn.167423407.2009.04.002
R esearch Status of Shape Memory Alloys
He Zishu ,Gao J uncheng ,Liang Y ilong
(Gui z hou I n d ust ry Prof essional Technolog y College ,Gui y ang 550008,Gui z hou ,Chi na )Abstract :Shape memory alloy (SMA )is a kind of important intelligent material.In t his article ,we summarized t he technology develop ment of SMA in recent years ,especially discussed t he re 2search result s of Ni Ti alloy and t he test met hod of fatigue performance of SMA.At last ,we in 2t roduced t he develop ment direction of SMA.K eyw ords :shape memory alloy ;fatigue performance
1　引　言
形状记忆合金(Shape Memory Alloys ,简称SMA )是一类具有形状记忆性能的合金,其主要特征是具有形状记忆效应[1]。

作为一种新型的功能材料,形状记忆合金在理论研究方面,国内外已做了大量工作,但有关SMA 的疲劳性能研究成果甚少,寿命预测及安全估计成为主要困难。

为了更好地研究和使用,作者对以往的Ni Ti 合金的研究现状和疲劳测试概况进行综述和讨论。

2　形状记忆合金的研究现状及应用
2.1　SMA 在机械工程中的应用
SMA 在机械工程中常用作力敏、热敏驱动元件
和阻尼元件,而且SMA 基本都作为体材料如丝、板、棒等使用。

如军用机械SMA 紧固件、Ni Ti 2SMA 振膜泵(图1)[2]、温度调节器、金属封隔器、航
天器分离机构上的驱动器、紧固铆钉等,主要是利用了SMA 的形状记忆效应、伪弹效应和电阻特性。

这些特性使SMA 既具有感知、驱动的双重功效,又具有阻尼功能。

图1　形状记忆合金振膜泵示意图
此外,形状记忆合金在驱动器领域的应用,主要是利用了高温相和低温相在相互转变过程中产生的变形或者回复力达到驱动目的。

与传统机械或者电磁驱动方式相比较,形状记忆合金在驱动领域的应用最显著的特点是几乎没有驱动能量的消耗。

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2.2　SMA在医疗器械方面的应用
2001年9月,由国际形状记忆与超弹性技术委员会和国际形状记忆材料委员会两个组织共同组办的国际形状记忆与超弹性技术和形状记忆材料会议的总结得出:从目前销售和研发的记忆合金产品来看,医学产品占的比重最大,涉及心血管科、牙科、骨科、耳鼻喉科、放射科、介入医学等。

例如人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器、各类腔内支架、栓塞器、心脏修补器、血栓过滤器、介入导丝和手术缝合线等等,记忆合金在现代医疗中正扮演着不可替代的角色。

形状记忆合金因具有较高的抗拉强度和延伸率、良好的应变恢复特性、极大的超弹性完全可恢复应变量、优良的生物相容性、低生物蜕变性、耐腐蚀性和抗疲劳性,使其在生物医用领域得到了广泛的应用。

尤其是Ni Ti形状记忆合金,成为记忆合金产业的首选材料。

2.3　SMA在航空航天工业中的应用
形状记忆合金已应用到航空和航天装置,如用做军用飞机的液压系统中的低温配合连接件。

欧洲和美国正在研制用于直升机的智能水平旋翼中的形状记忆合金材料。

由于直升机高震动和高噪声使用受到限制,其噪声和震动的来源主要是叶片涡流干扰,以及叶片型线的微小偏差。

这就需要一种平衡叶片螺距的装置,使各叶片能精确地在同一平面旋转。

目前已开发出一种叶片的轨迹控制器,它是用一个小的双管形状记忆合金驱动器控制叶片边缘轨迹上的小翼片的位置,使其震动降到最低。

还可用于制造探索宇宙奥秘的月球天线,发射人造卫星之前,将抛物面天线折叠起来装进卫星体内,火箭升空把人造卫星送到预定轨道后,只需加温,折叠的卫星天线因具有“记忆”功能而自然展开,恢复抛物面形状。

2.4　SMA在现代机器人中的应用
随着计算机控制技术的引入,现代机器人的性能已大大提高,并使机器人具有智能特点,其应用领域不断扩大。

利用形状记忆合金集传感、驱动及执行机构于一体的特性,便可满足以上要求。

夹持器是机器人末端执行器之一,它是用来直接抓取和握持工件以达到约束被持工件的自由度,而对其进行位置控制的目的。

它一般由手指、传动机构和驱动装置组成,是机器人结构中的一个重要组成部分。

常用的机器人夹持器如图2所示[3]。

2.5　SMA在玩具及其他行业中的应用
在日本,
利用记忆合金推出了不少新颖别致的
图2　SMA片簧三指夹持器
商品。

除形状记忆合金之外,还出现了形状合金塑料,某些高分子聚合物也具有形状记忆的功能。

例如,日本有一种形状记忆塑料,它是苯乙烯和丁二烯的聚合物,当给这种聚合物加热至60℃时,丁二烯开始软化,而苯乙烯仍保持坚硬,这样就体现它的形状记忆性能。

形状记忆合金和形状记忆塑料的开发,对于玩具业的发展有很好的推动作用。

在工程和建筑领域中,用Ni Ti形状记忆合金作为隔音材料及探测地震损害控制的潜力已显示出来,已试验了SMA在桥梁和建筑物中的应用,因此将其作为隔音材料及探测损害控制的应用已成为一个新的应用领域。

在美国,科学家利用形状记忆合金作为固定桥梁道路的缆绳,它能在地震过程中伸长,而在震后重新收紧并将桥梁道路拉回到原来的位置。

这样,高架桥梁道路就有可能避免在地震中断裂坍塌[4]。

3　SMA疲劳测试现状和问题讨论
3.1　Ni Ti合金疲劳测试现状
目前国外对形状记忆合金的疲劳测试尚未成熟,国内相关成果报道更不多见,仅存的也是对常见的形状记忆材料Ni Ti合金的疲劳性能作探索性的研究。

文献[5-7]利用经典疲劳理论研究了Ni Ti记忆合金的疲劳寿命和裂纹扩展速率,疲劳裂纹扩展门槛值随温度的升高而升高,在应力诱发马氏体相变区间疲劳裂纹扩展门槛值迅速下降,材料处于母相状态时的裂纹扩展速率高于马氏体相状态。

Tobushi等[8]提出了旋转弯曲疲劳法(Bending rotation fatigue)测试形状记忆合金的疲劳性能。

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No.42009 何子淑,等:形状记忆合金的研究现状
该方法对于测试形状记忆合金丝材的疲劳性能有效而实用,越来越多的人采用这种方法来研究形状记忆合金的疲劳性能。

文献[9]采用试验和有限元计算相结合的方法,主要分析了超弹性Ni Ti 形状记忆合金的疲劳断裂性能以及在多轴循环加载下的力学行为。

模拟计算采用了基于广义塑性原理的Ferdinando Auricchio 唯象学模型,并对模型进行了验证,得出结论:有限元模拟结果和试验结果吻合较好。

3.2　问题与讨论通过纵观研究可知,形状记忆合金的应用越来越广泛,甚至与人们的生活息息相关,在航天航空、机械、化工、电子、医学等领域的应用有目共睹。

有关方面的开发研究成果已经进入成熟阶段,而对其疲劳性能研究报道很少,技术发展也较为缓慢,且仅有的疲劳研究成果中还存在一些问题。

目前,对形状记忆合金的疲劳研究还局限于测试方法讨论阶段,常用的是试验法、理论分析法、数值计算等方法。

鉴于形状记忆材料如Ni Ti 合金的性能独特性,其疲劳性能的研究趋向于把这几种方法结合起来使用(如文献[9]),才有可能更准确地测试其疲劳性能,原因是形状记忆合金独特的记忆效应使得其疲劳行为有别于普通金属材料,由于存在热弹性马氏体现变,其疲劳行为较为复杂,疲劳机理研究还不透彻。

根据形状记忆合金的不同性能应用在不同的领域,其疲劳表征方法也不一样,缺乏对记忆合金疲劳性能科学合理的评价手段,并且对于记忆合金疲劳性能的测试方法也是千差万别,没有建立统一规范的测试标准,无法准确地估计疲劳寿命,为其应用带来了安全隐患。

4　结束语
针对众多的形状记忆材料的研究结论和方法以及存在的问题,应该加强形状记忆合金的疲劳性能研究,根据形状记忆合金的性能和用途,有必要在世界范围内建立一套统一的研究方法和合理的评价体系,为其使用的安全性和可靠性提供依据。

参考文献
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1996,3:20-21.
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用研究[J ].郑州航空工业管理学院学报,1999,17(3):
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[N ].四川科技报,2008-5-30(005).
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[9]　王心美.Ni Ti 形状记忆合金疲劳断裂性能研究[D ].西
安:西北工业大学.
《工程与试验》
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