未来潜力材料之形状记忆合金

形状记忆合金（shape memory alloys，SMA）是一种由两种以上金属元素

构成、能够在温度和应力作用下发生相变的新型功能材料，通过热弹性与马氏

体相变及其逆变而具有独特的形状记忆效应、相变伪弹性等特性，广泛应用于

航空航天、生物医疗、机械电子、汽车工业、建筑工程等领域。形状记忆合金

按合金种类主要分为镍钛基形状记忆合金（Ni-Ti SMA）、铜基形状记忆合金（Cu SMA）、铁基形状记忆合金（Fe SMA）3类。其中，镍钛基形状记忆合金

包括Ni-Ti-Cu、Ni-Ti-Co、Ni-Ti-Fe、Ni-Ti-Nb等具有较高实用价值的记忆合金；铜基形状记忆合金主要有Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-

Zn-Ga、Cu-Sn等种类；铁基形状记忆合金主要有Fe-Pt、Fe-Mn-Si、Fe-Ni-Co-Ti、Fe-Mn-Al-Ni、Fe-C-Mn-Si-Cr-Ni等种类。1/形状记忆合金的研究现状形

状记忆合金因其独特的形状记忆效应一直是各主要国家的研究热点。近年来，

美国、欧洲、日本等国家和地区针对形状记忆合金制备工艺、成分配比、与先

进制造技术结合的研究已取得显著的进展，尤其以4D打印技术为代表的先进制造技术使用形状记忆合金作为原材料，扩展了其在软体机器人、医疗器械、航

空航天等领域的应用范围。

（一）中美欧等国开发出多种形状记忆合金制备新工艺，扩大了材料应用范围

形状记忆合金/聚合物的制备方法主要有熔炼法、粉末冶金法、喷射沉积工艺、

4D打印技术等，再根据应用需求配置后续的锻造、热挤压、轧制、拉拔、冷加

工等成型工艺。

其中，熔炼法是传统金属冶金工艺，在真空下将金属原材料通过电子束、电弧、等离子体、高频感应等方式加热后进行熔炼，易产生杂质污染、成分不均匀、

能耗高等问题，且需要经过切割加工形成合金产品。

而粉末冶金法则是利用金属或合金粉末进行热等静压和烧结，制备出最终形状

的合金产品。

目前，中美欧等国在传统熔炼法和粉末冶金法的基础上，结合3D打印等先进制造技术，开发出选区激光熔化增材制造技术、激光粉末床融合技术、4D打印技

术等材料制备与材料成型新技术，不仅提升了材料的成分精度、超弹性、形状

记忆性能等特性，还拓展了合金的加工使用范围。

美国得克萨斯农工大学（Texas A&M University，TAMU）的研究人员通过激光

粉末床融合技术制造了一种形状记忆合金，在室温下保持了6%的拉伸超弹性，

在生物医学和航空航天领域酱油更多应用。英国利物浦大学的研究人员通过选

区激光熔化（SLM）工艺对镍钛合金进行加工，成型后的镍钛合金样件表现出60%-80%的变形率。

中国华南理工大学的研究人员基于纳米镍粒子改性的镍钛合金粉末，采用SLM

工艺获得了具有有序功能基元的Ni50.6Ti49.4合金，为调控镍钛合金的微观结构提供一种新的策略，进一步扩大其应用范围。

华中科技大学和吉林大学的研究人员选用Cr20Ni80金属纤维和高性能聚醚醚酮（PEEK），通过共挤出4D打印（CE-4DP）工艺制备了手形结构和百叶窗结构，对纤维依次通电可以实现手指按顺序恢复。这些先进制造技术使得形状记忆合

金/聚合物在生物医疗、航空航天、智能器件等方面具有更大的应用前景。（二）中美等国利用形状记忆合金和形状记忆聚合物开发机器人组件，提高机

器人性能

形状记忆合金/聚合物由于具有形状记忆效应、超弹性等特性，在机器人领域具有较大应用空间，各主要国家均对此加大了研究力度。

新加坡国立大学（National University of Singapore）和北京交通大学的研

究人员开发出一种新的杆驱动软体机器人（RDSR），通过硅管中装配的镍钛合

金柔性杆实现在推拉方向上对软体机器人的控制，协调控制多根推拉杆可使机

器人在任意方向上（多个自由度）运动。

美国西北大学的研究人员使用形状记忆合金制造微型遥控行走机器人，可完成

弯曲、扭曲、爬行、行走、转弯和跳跃等动作而无需液压或电力。

麻省理工学院的研究人员使用镍钛合金开发出一种线状机器人，在磁力的操控下，可以在狭窄、蜿蜒的路径中穿行，未来可应用于治疗动脉瘤和中风等疾病。英国赫瑞-瓦特大学（Heriot-Watt University）的研究人员采用功能分级激光诱导正向转移（FG-LIFT）技术将镍、钛或铜沉积在基板上，通过控制沉积位置和层数，在材料的特定点处构建不同属性的3D微结构，使得部分部件具有形状记忆效应，并将其应用于更复杂和可控制的微型机器人。

形状记忆合金/聚合物因其自身性质，在软体机器人执行系统、驱动系统、传感和控制系统等领域具有较大应用潜力。

（三）中美在航空航天领域利用形状记忆合金的形状记忆效应、质量轻等特性，提高航天器效能及稳定性

1969年，形状记忆合金在F-16战机的管接头应用中取得重大的突破后，其在

航空航天领域的应用日益受到中美等航天大国的关注。

美国国家航空航天局（NASA）和波音公司的研究人员利用形状记忆合金来制造

可折叠机翼，在F/A-18大黄蜂战机的机翼部分安装新型镍钛铪高温形状记忆合金扭矩管执行器，可根据指令进行电加热和冷却，使机翼上下移动90度或精确移动到任何选定位置，从而提高飞机的效率和控制能力。

此外，NASA还开发了可应用于月球及火星探测器的超弹性轮胎，不仅可以增加

轮胎的承载能力避免扎胎和漏气的情况，还可承受显著的可逆应变，使其适用

于各种复杂地形。哈尔滨工业大学研发了一款形状记忆聚合物卫星展开基板，

当基板的温度达到或超过玻璃化转变温度后，基板会从收拢状态自发变形为展

开状态，避免出现卡死、无法展开等故障。