形状记忆合金

形状记忆合金摘要：形状记忆合金具有形状记忆效应、超弹性效应、高阻尼特性、电阻突变效应以及弹性模量随温度变化等一般金属不具备的力学特性，使其在仪器仪表、自动控制、机器人、机械制造、汽车、航天航空、生物医学等工程领域都能发挥重要的作用，对其本构性能和在工程应用中的性能的研究十分必要。

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。

关键字：形状记忆合金制备应用研究进展1 形状记忆合金简介1.1 形状记忆材料是指具有形状记忆效应(shape memory effect，简称SME)的材料。

形状记忆效应是指将材料在一定条件下进行一定限度以内的变形后，再对材料施加适当的外界条件，材料的变形随之消失而回复到变形前的形状的现象。

通常称有SME的金属材料为形状记忆合金(shape memory alloys，简称SMA)。

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。

已发现的形状记忆合金种类很多，可以分为Ti-Ni系、铜系、铁系合金三大类。

目前已实用化的形状记忆合金只有Ti-Ni系合金和铜系合金。

到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti合金和铜基合金(CuZnAl 和CuAlNi) 。

1.2 形状记忆合金效应分类1.2.1 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。

1.2.2 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。

1.2.3 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。

2 形状记忆合金的制备2.1 形状记忆处理形状记忆合金的制备通常是先制备合金锭，之后进行热轧、模锻、挤压，然后进行冷加工。

为把形状记忆合金用做元件，有必要使它记住给定形状。

形状记忆处理(一定的热处理)是实现合金形状记忆功能方面不可或缺，至关重要的一环。

2.2 单程记忆处理单程记忆处理方法有三种:低温处理、中温处理、时效处理2.2.1 低温处理在高于800℃的温度下保温后进行完全退火，然后在室温下制成特定形状，在200-300℃的低温下保温一定时间，以记忆其形状的方法。

由于在完全退火的软状态下进行加工，有利于合金记住复杂形状或曲率很小的形状。

2.2.2 中温处理将轧制或拉丝加工后充分加工硬化的合金成形成给定形状，在400-500℃温度下保温儿分钟到几小时，使之记住形状的方法。

此方法由于工艺简单而被广泛采用。

2.2.3 时效处理在800-1000℃温度下固溶处理后进行淬火，然后在400-500℃的温度下进行几小时时效处理的方法。

只对N I含量高于50.5AT％的富N I合金有效。

2.3 TiNi形状记忆合金的制备2.3.1 TiNi合金的熔炼成分的控制，N I含量变化0.1%，相变温度M S变化10K，A F变化10-20K杂质C、N、O的控制：T I C、T I4N I2O改变合金的相变温度及合金的性能熔炼方法有：电子束、电弧、等离子体、高频熔炼T I N I合金熔炼方法比较2.3.2 TiNi合金的加工热加工：加工温度在700—850℃，保温一段时间溶解非平衡相。

冷加工:材料的拉伸强度和屈服应力都与温度密切相关。

加工中迅速造成加工硬化，随着加工率的增加，合金的延伸率急剧下降，屈服强度明显上升。

措施：冷加工过程反复多次退火切削加工：非常困难，用超硬合金2.3.3 TiNi合金形状记忆处理单程记忆效应的记忆处理：3种方法中温处理：400℃—500℃，保温几分钟到几小时。

低温处理：800高温退火，室温加工成形，200—300℃温度下保温数分钟至数十分钟。

时效处理：N I含量在50.5AT％以上的合金，800—1000℃均匀化，急冷，400℃左右保温数小时。

2.4 铜基形状记忆合金的制备2.4.1 铜基合金的熔炼熔炼炉的选择：电磁感应炉原料和熔剂的选择：Z N蒸汽压大,A L燃烧热大C U Z N、C U A L母合金、高纯Z N、A L硼砂、氯化钠、氯化钾组成熔剂相变点的控制：合金成分的调整A L：3—6.5％，变动0.1%，变动15—20℃Z N：变动0.1%，变动5—7℃熔炼条件：熔炼温度、烧损量的补充，坩埚2.4.2 铜基合金的加工U Z N A L合金的热加工性能十分优良，在Α+Β两相共存状态下具有超塑性，用热锻方法可以容易地加工出形状复杂的元件C U Z N A L合金的冷加工性能与合金的组织紧密相关：Β、Γ、Α+ΒC U Z N A L合金的切削加工性能也十分良好，不论是Β单相组织，还是Α+Β两相组织，都不存在任何问题。

2.4.3 铜基合金形状记忆处理双程形状记忆处理:Β化处理：将合金元件加热到Β相区并保温一段时间使合金组织全部变成Β相，在Β相状态下固定合金元件的形状。

淬火处理：控制冷却速度，防止Α相的析出。

直接淬火：将Β化处理后的合金元件直接淬入室温水中或冰水中，稳定化处理。

分级淬火：把Β化处理后的合金元件先在150℃左右约油中淬火，停留—定的时间，然后再淬入室温水中。

双程形状记忆处理：主要采用训练法3 形状记忆合金材料的应用形状记忆合金的历史只有70多年，开发迄今不过20余年，但由于其在各领域的特效应用，正广为世人所瞩目，被誉为"神奇的功能材料"，其实用价值相当广泛，其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。

3.1 形状记忆合金在智能系统方面的应用3.1.1 SMA在结构振动控制方面的应用研究结构振动控制手段可分为被动控制、主动控制和智能控制。

被动控制是利用形状记忆合金材料的超弹性效应和高阻尼特性将其制做为耗能阻尼器。

形状记忆合金特有的超弹性变形特性使其变形能力比普通金属材料约大30倍，比阻尼（材料振幅衰减比的平方）可达40%，在小震情况下，形状记忆合金的弹性特性与普通金属相似，在大震时形状记忆合金表现出超弹性大变形能力，有效地消耗地震能量，并可利用其记忆效应使变形恢复。

3.1.2 SMA在精确定位控制方面的应用阎绍泽，徐峰等提出将SMA传感器与光导纤维制成一体，当温度出现异常时，SMA变形使光导纤维的光导系统出现光能损失，终端得到的散光光强和时间曲线就会出现明显变化, 判断异常温度的位置和时间，这种传感系统可用作工厂、大楼的火灾报警装置。

3.1.3 SMA在故障自监测、自诊断、自修复和自增强方面的应用将产生一定预变形的SMA埋入结构中，通过触发SMA所产生的回复力可降低结构的应力水平，改善其应力分布，提高结构的承载能力，同时也可以防止损伤的发生或损伤的扩展。

在承受弯矩或扭矩的构件中加入SMA丝，通过对SMA丝的加热与冷却可做成强度自应结构。

在孔板的孔周围埋入SMA丝对其诱发应变，可在孔边产生压应力，能降低孔边的应力集中因子并改善应力分布。

在一些大型建筑结构中加入SMA构成智能复合材料系统,通过用复合材料制成的形状记忆合金电缆的加热收缩来防止裂纹的扩展。

3.2 形状记忆合金在工程中的应用3.2.1 机械手形状记忆元件具有感温和驱动的双重功能,因此可以用形状记忆元件制作机器人、机械手,通过温度变化使其动作。

3.2.2 紧固件形状记忆合金首先用来制作单程元件,最先得到应用的是管接头。

1975年, Harrison等就将具有单程形状记忆效应的TiNiFe合金做成管接头,成功地应用于工业生产。

据报道,在美国的F214喷气式战斗机的油压管上使用了30多万个形状记忆合金管接头,没有出现过一例漏油事件,可靠性很高。

此外,在核潜艇、大口径海底输油管上也都得到应用。

在需要拆卸维修的地方,使用具有双程形状记忆效应的合金。

拆卸时,只需把管接头冷却到低温即可。

在材料的应用上,由于TiNi合金成本高、相变温度低、操作不方便,限制了其应用范围。

而铁基合金的相变点高、相变温度滞后大、价格低廉,最适合制作一次动作的管接头,近年来受到国内外研究者的特别关注。

近年来,我国开发成功的管接头已在石油、化工、市政建设等领域获得应用, Fe2Mn2Si系合金的应用最为广泛,目前它主要用于管道的连接。

这种记忆合金连接克服了在进行传统焊接和法兰连接时由焊接应力引起的应力腐蚀和由异种金属接触引起的接触腐蚀,而且具有占用的空间小、施工操作简单、速度快和可承受的压力高等优点。

3.2.3 环保发动机在全球性地倡导节约能源和防止环境污染的今天,利用形状记忆合金的特性,制作热驱动引擎,既可利用工业废排温水、温泉、地热等低能热转换成机械能,又毫无公害。

3.3 医学方面的应用作为一种新型智能材料,形状记忆合金在医学领域的应用也十分广泛。

如牙科中只和生物体表面接触的牙齿矫形正畸丝,整形外科中长时间与生物体组织接触的用以矫正变形骨骼用的矫正棒、移植到生物体内部的人造关节、骨髓针等部件,和生物体组织不直接接触的医疗器具的零部件等。

形状记忆合金主要应用于生物体内,不仅要有机械性能上的可靠性,还必须有化学、生物学、生化学的可靠性。

形状记忆合金移植到生物体内后,是否会造成生物体组织的恶化,是否有不利的元素被分解、溶出,是否会产生腐蚀,是否和生物体相容,是否有毒性,是否会引发癌症,是否有抗血栓性和抗原性等,目前正在探索之中。

3.4 SMA在航天航空及军事方面的应用关于SMA应用最典型的例子是航天飞机的伞型天线,为方便发射,把母相状态TiNi记忆合金制成的天线压扁,附在船体上,飞船升空后受阳光的辐射而升温,于是天线便记忆起原来的形状,重新支起；在火炮上的应用，能最大限度地提高炮管内膛的耐烧蚀能力，增大炮管的使用寿命；在枪弹上的应用，可增大枪弹的杀伤力。

还有在战斗机、潜艇火箭、航天航空等方面的应用；在微型飞行器的应用，如在翼面中埋入智能驱动元件，根据飞行器的飞行状况及飞行控制的需要，通过驱动元件激励使得翼面发生扭转或弯曲等来改变翼面的形状，以获得自适应气动稳定性, 从而获得最佳的气动特性。

此外，利用SMA的阻尼特性，在军事上用作吸震波的装甲材料、防弹材料等。

3.5 SMA在建筑工程上的应用由于SMA具有可恢复变形大、在受限回复时能产生很大的驱动力、电阻对应变敏感、高阻尼性能、抗疲劳性能好，并且可以实现多种变形形式，易于同混凝土、钢等材料相结合等特点而日益受到重视，国内外众多学者对SMA在土木工程中的应用进行了理论和实验研究。

特别是对于民用设施的保护方面，如建筑、桥梁的抗震减害等。

彭文屹,曾少鹏,张少青,等提出将SMA制成丝状或薄膜状粘贴于混凝土结构中易开裂的部位,一旦裂纹产生,该处的SMA的应变将增大,使其内部阻值变化,通过阻值的变化可以确定裂纹的宽度,由SMA的埋置位置,可以确定出现裂纹的构件,从而实现对裂纹的自诊断、自监测。