形状记忆材料

形状记忆材料

摘要：材料是现代社会发展的三大支柱产业之一，本文介绍了形状记忆材料的概念，发展历史，记忆效应产生的原理和分类应用。形状记忆材料主要分为三种：形状记忆合金、形状记忆陶瓷、形状记忆聚合物。由于形状记忆效应的独特记忆效应的性质，广泛的应用于工业领域和医学领域。

关键词：形状记忆材料、记忆效应、形状记忆合金、形状记忆陶瓷、形状记忆聚合物一．引言

材料、信息、能源被称为现代社会发展的三大支柱产业，材料对当代社会的进步和发展起着十分重要的作用。科技的不断进步对材料各个方面的性能的要求越来越高，智能化的材料已经成为一种趋势，而形状记忆材料的更是引起了国内外的研究热潮。

自上个世纪以来，形状记忆材料独特的性能引起了人们的极大的兴趣。由于形状记忆材料具有形状记忆效应、高温复形变、良好的抗震性和适应性等优异性能，有着传统驱动器不可比拟的性能优点，形状记忆合金由于具有许多优异的性能，而广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域。

二．形状记忆材料的概念

形状记忆材料[1]（shape memory materials ，简称SMM）是指具有一定初始形状的材料经过形变并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物理或化学刺激处理又恢复成初始形状的材料。

三．形状记忆材料的发展史

1932年，瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到了“记忆”效应，即合金形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般的回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。

1938，当时的美国在Cu-Zn合金里发现了马氏体的热弹件转变，随后前诉苏联对这种行为进行了研究。

1951年美国的里德等人在金镉合金中也发现了形状记忆效应，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的足够兴趣和重视。

直到1962年，美国海军机械研究所的一个研究小组从仓库领来一些镍钛合金丝做实验。在实验的过程中，他们发现，当温度升到一定数值时，这些已经拉直的镍钛合金丝突然又恢复到原来的弯曲状态，他们反复做了多次实验，结果证明了这些细丝确实具有“记忆”。发现了Ni-Ti 合金中的形状记忆效应，才开创了“形状记忆”的实用阶段。

四．形状记忆效应机理

形状记忆效应[2]可分为三种类型：（1）单程记忆效应：形状记忆材料较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。（2）双程记忆效应：某些材料加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。（3）全程记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。大部分合金和陶瓷记忆材料是通过热弹性马氏体相变而呈现形状记忆效应的。马氏体相变具有可逆性，将马氏体向高温相（奥氏体）的转变称为逆转变。形状记忆效应是热弹性马氏体相变产生的低温相在加热时向高温相进行可逆转变的结果。这种可逆转换是具有一定条件的：（1）马氏体相变是热弹性的。（2）母体与马氏体相呈现有序点阵结构。（3）马氏体内部是栾晶变形的。（4）相变时在晶体学上具有完全可逆性。

图1. 三种变形示意图

五．形状记忆材料的分类及应用

常见的形状记忆材料有形状记忆合金(ShapeMemory Alloys，SMAs)、形状记

忆陶瓷(ShapeMemory Ceramics，SMCs)以及形状记忆聚合物(Shape Memory

Polymers，SMPs)LlJ。

5.1 形状记忆合金

具有形状记忆效应的合金叫形状记忆合金[3](Shape Memory Alloy，简称SMA)。

它是通过热弹性④与马氏体相变及其逆相变而具有形状记忆效应的由两种以上金

属元素所构成的材料。一般来说，给金属施加外力使它变形，之后取消外力或改

变温度，金属通常不会恢复原形；而这种合金在外力作用下虽会产生变形，当把

外力去掉，在一定的温度条件下，能恢复原来的形状。由于它具有百万次以上的

恢复功能，因此叫做"记忆合金"。人们发现的具有形状记忆效应的合金有50多

Ni、种。按组成和相变特征可分为三大类： Ti-Ni系形状记忆合金：TiNi、Ti

2

TiNi

，近年又开发了Ti-Ni-Cu、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Cr、Ti-Ni-Pb、Ti-Ni-Nb等3

新型合金；铜基系形状记忆合金：主要有Cu-Zn-Al、Cu-Al-Ni、Cu-Au-Zn；铁

基系形状记忆合金：应用前景最好的是Fe-Mn-Si-Cr-Ni、Fe-Mn-Co-Ti。

形状记忆合金主要应用于工业领域和医学领域[4]。在工业领域中：（1）利

用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天线、套环等。（2）外因性

双向记忆恢复。即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作，如

热敏元件、机器人、接线柱等。（3）内因性双向记忆恢复。即利用双程记忆效

应随温度升降做反复动作，如热机、热敏元件等。但这类应用记忆衰减快、可靠

性差，不常用。（4）超弹性的应用。如弹簧、接线柱、眼镜架等。在医学中

的应用：TiNi合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应和超弹性的医学实

例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓

内针、人工关节、避孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。

5.2 形状记忆陶瓷

氧化铝、氧化硅等陶瓷[5]有很好的耐热性、耐腐蚀性、耐磨性和机械强度。

但在室温或相近温度下没有塑性变形，不能进行象金属加工上用的塑性加工，

因此必须进行切断，切削、研磨。这样在进行精加工、复杂形状的加工时，需

要很多手续。陶瓷材料具有优良的物理性质，但不能在室温下进行塑性加工，性

质硬脆，因而限制了它的许多应用。形状记忆陶瓷按照形状记忆效应产生的机制