形状记忆合金的应用现状与发展趋势

11　Santhanam A T,G odse R V,G rab G P et al.U.S.Patent.

1993(5):250,367

12　Nemeth B J,Santhanam A T,G rab G P.Proceed.10th Plansee Seminar,Plansee A.G.,Reutte/T yrol,1981:613～627

13　Santhanam A T,G rab G P,R olka G A et al.Proceed.con f.

on High Productivity Machining-Materials and Processes.

New Orleans,La,American S ociety for Metals,1985:113～121

14　Nemeth B J,G rab G P.U.S.Reissue Patent.1993,N o.34, 180

15　D oi H.Proceed.2nd Int.C on f.on the Science of Hard Mate2 rials,Adam Hilger Ltd.Ser.1986(75):489～523

16　Claussen N.Mater.Sci.Eng.1985(71):23～38

17　Wei G C,Becher P F.Am.Ceram.S oc.Bull.1985,64

(2):298～30418　Faber K T,Evans A G.Acta Metall.1983,31(4):565～576

19　N orth B,Baker R D.Int.J.of Refractory Hard Metals.

1984,3(1):46～51

20　Beeghly C W,Shuster A F.Proceed.S oc.of Carbide and T ool Engineers C on f.on Advances in T ool Materials for use in High S peed Machining,Scottsdale,AZ,AS M International, 1987,91～99

21　K ennametal Lathe T ooling Catalog4010.2004

22　Oles E J,Reiner K L,G ates et al.U.S.Patent.2003.6, 599,062

23　Inspektor A,Oles E J,Bauer C E.Int.J.of Refractory Met2 als and Hard Materials.1997(15):49～56

第一作者:M.S.G reen field,博士,美国肯纳金属公司材料总监

(胡红兵译)

收稿日期:2005年4月形状记忆合金的应用现状与发展趋势

肖恩忠

潍坊学院

摘　要:综述了形状记忆合金的发展概况,简要介绍了形状记忆合金在不同领域的应用现状,分析了当前形状记忆合金研究中存在的问题,指出了今后的发展前景与研究方向。

关键词:形状记忆合金,　形状记忆效应,　机理,　应用

Application Actuality and Development T rend of Shape Memory Alloy

X iao Enzhong

Abstract:The general development of the shape mem ory alloy(S M A)is summarized,and its applications in different fields are briefly introduced.Als o,problems in the study of S M A at present are analyzed.Finally,The development foreground and re2 search directions of S M A in the future are pointed out.

K eyw ords:shape mem ory alloy,　shape mem ory effect,　mechanism,　application

1　引言

形状记忆合金(Shape Mem ory Alloy,S MA)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 Mem ory E ffect,S ME)。

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。 2　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G reningerh和M oora2 dian在Cu2Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变。随后,前苏联的K urdium ov对这种现象进行了研究。1951年,Chang和Read在Au24715at%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In2T i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T i2Ni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“Niti2 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[1]。

1969年,Raychem公司首次将Ni2T i合金制成管接头应用于美国F14战斗机上;1970年,美国将T iNi 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70年代,相继开发出了Ni2T i基、Cu2Al2Ni基和Cu2Zn2Al基形状记忆合金;80年代开发出了Fe2Mn2 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]。

20世纪80年代初,科研工作者突破了T iNi合金研究中的难点。从此以后,形状记忆合金开始广泛应用于生产、生活的各个领域。在各国申请的有关形状记忆合金的技术专利已逾万件,投入市场付诸应用的实例已有上百种。同时,随着智能材料、智能机构研究的兴起,又将形状记忆合金的应用推向了更广泛的领域。目前,有关形状记忆合金研究的科技论文数已位居马氏体相变研究领域之首,而且该类材料所涉及的应用领域极其广泛。迄今为止,已生产的10多个系列50多个品种的形状记忆合金已广泛应用于电子、机械、能源、医疗、航空航天、汽车、家电和建筑等各个行业。

从S MA的发现至今已有四十余年历史,美国、日本等国家对S MA的研究和应用开发已较为成熟,同时也较早地实现了S MA的产业化。我国从上世纪70年代末才开始对S MA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S MA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S MA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S MA基础理论研究方面有了很大发展,在S MA的应用和开发方面更是取得了长足进步。现在,我国的S MA产业化进程正方兴未艾,国内涌现了一大批以S MA原料及产品为主要生产、经营项目的高科技公司(如兰州西脉记忆合金股份有限公司、北京圣玛特科技有限公司等)[4]。可以预见,未来几年我国S MA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。

除了合金材料外,人们还发现在非金属材料(如高聚物和陶瓷)中也存在形状记忆现象[5,6],但目前尚处于初期探索阶段。

3　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T i2Ni和Cu2Zn2Al合金系(Cu2Al2Ni及Fe2Mn2Si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[7,8],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。

表1　形状记忆合金的部分应用实例

工业上形状恢复的

一次性利用

工业上形状恢复的

反复利用

医疗上形状

恢复的利用紧固件温度传感器消除凝固血栓过滤器

管接头调节室内温度用恒温器矫形棒

宇宙飞行器用天线温室窗开闭器脑瘤手术用夹子火灾报警器汽车散热器风扇的离合器人造心脏、人造肾的瓣膜印刷电路板的结合热能转变装置骨折部位固定夹板集成电路的焊接热电继电器的控制元件矫正牙齿用拱性金属线电器的连接器夹板记录器用笔驱动装置人造牙根密封环机械手、机器人人造关节

311　连接紧固件

利用Ni2T i形状记忆合金优良的形状记忆效应,可制成各种连接紧固件,如管接头、紧固圈、连接套管和紧固铆钉等。

(1)管接头

形状记忆合金连接件结构简单、重量轻、所占空间小,并且安全性高、拆卸方便、性能稳定可靠,已被广泛用于航天、航空、电子和机械工程领域。其中管接头是形状记忆合金最成功的应用之一。管接头的使用方法如图1所示[9]。待接管外径为<(见图1a),将内径为<(1-4%)的T i2Ni合金经过单向记忆处理后(见图1b),在低温下(

(2)紧固铆钉

工程中通常采用铆钉和螺栓进行紧固,但在某些场合(例如在密闭真空中)很难进行操作,而采用形状记忆合金紧固铆钉则可较容易地实现这种紧固。如图2所示[10],铆钉尾部记忆成型为开口状,