形态记忆合金材料论文

题目：关于形态记忆合金的研究进展

摘要：形态记忆合金是新兴的材料，本文主要讨论形状记忆合金相关内容,扼要地叙述了形状记忆合金的发现以及发展历史和分类, 介绍了形状记忆合金在工程中应用的现状以及发展前景。记忆合金作为一种使用价值比较广泛额材料，我们有理由相信形状记忆合金的发展前途是相当广泛的，也必将造福于人类。此外，通过这些介绍使人们能够真正的理解和认识这种新的材料——形态记忆合金。

关键字：：形状记忆合金、探索、各领域应用、形状记忆合金效应

正文：

一，形态记忆合金简介。

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) 。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,并获得了广泛关注。

二、形态记忆合金分类及原理

形态记忆合金种类繁多，在现在情况来看，记忆合金主要分为以下几种：

（1）单程记忆效应：形状记忆合金在较低的温度下变形，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：某些合金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。

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。

三、形态记忆合金的发展。

1932年瑞典人欧勒特在观察某种金镉合金的性能时，首次发现形状记忆效应。

1938年哈佛大学的研究人员在一种铜锌合金中发现了一种随温度的升高和降低而逐渐增大或缩小的形状变化，但是此时并未引起人们的广泛注意。

1962年美国海军实验室在开发新型舰船材料时，在Ti-Ni合金中发现把直条形的材料加工成弯曲形状，经加热后它的形状又恢复到原来的直条形，引起了材料科学界与工业界的重视,从此形状记忆合金引起了极大的关注。

四、形态记忆合金的应用

3.1 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。也有人设想,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。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。

(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

(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。

3.2应用领域：

3.2.1航天航空领域：

人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作。还有在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飞机的智能水平旋翼中的形状记忆合金材料。另外，在卫星中使用一种可打

开容器的形状记忆释放装置，该容器用于保护灵敏的锗探测器免受装配和发射期间的污染。

3.2.2生物医疗方面：

TiNi 可与生物体形成稳定的钝化膜。目前，在医学上TiNi 合金主要应用有：牙齿矫形丝、脊柱侧弯矫形。另外，外科中用TiNi 形状记忆合金制做各种骨连接器、血管夹、凝血滤器以及血管扩张元件等。同时还广泛应用于口腔科、骨科、心血管科、胸外科、肝胆科、泌尿科、妇科等，随着形状记忆的发展，医学应用将会更加广泛。

3.2.3日常生活方面：

SMA主要应用于防烫伤阀、眼镜框架、移动电话天线和火灾检查阀门等几个方面，目的是为了使人们更好的更舒适的生活，同时也尽可能的减少生活中的难以避免的生活隐患。

五、形状记忆合金的应用前景

5.1 SMA尚待解决的问题

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, 因此SMA只适用于低频(10Hz以下)控制中,这就大大限制了材料的应用，有待研究。

2、对于SMA的驱动应用需要较为精确的形状控制，因此还需要进一步研究其形变的力学性能，从而提高控制精度和反应速度。

3、现有的SMA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。