镍钛合金形状记忆合金的特性及用途

形状记忆合金（简称SMA）是一种新型的功能材料,它已成为功能材料领域的研究热点之一。本文介绍了形状记忆合金的特性，综述了形状记忆合金的发展历程、研究现状及应用特点，最后分析了形状记忆合金的发展趋势。

关键词：形状记忆合金；功能材料；形状记忆效应

一．引言

形状记忆材料是集感知和驱动于一体的特殊功能材料,其中形状记忆合金是形状记忆材料中较为重要的材料之一。形状记忆合金(Shape Memory Alloy简称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。

二．形状记忆合金的特性

1．形状记忆效应：形状记忆合金经适当的热处理后具有恢复形状的能力,这种能力被称为形状记忆效应(Shape memory effect简称SME)。形状记忆效应按恢复情况分为单程形状记忆效应、双程形状记忆效应和全程形状记忆效应。

2．超弹性效应：形状记忆合金受到外力时发生形变,去除外力后就恢复原状，这种现象称为超弹性。形状记忆合金在发生超弹性形变时,诱发了马氏体相变, 去除外力后,又发生马氏体逆相变。

3．阻尼特性：形状记忆合金由于马氏体相变的自协调和马氏体中形成的各种界面(孪晶面、相界面、变体界面)及界面运动,而具有很好的阻尼特性。

4．电阻特性：吴小东等研究表明,对于初始组织为马氏体的Ni-Ti合金,在拉伸过程中电阻与应变之间呈线性关系;对于初始组织为奥氏体或奥氏体、马氏体两者混合的Ni-Ti合金,当发生应力诱发马氏体相变后,曲线的斜率降低,相变前后电阻-应变关系保持线性关系。

三．形状记忆合金的研究进展

形状记忆效应最早是1932年由Olander在研究Au-Cd合金时发现的[7]。1963年,美国海军武器实验室布勒(Buehler)等发现了钛镍合金具有形状记忆效应[8]。1964年Cu-Al-Ni也被发现有这种效应[9]。70年代以后，科学家又在304奥氏体不锈钢和Fe-18.5Mn中发现了这种效应[10]。

1969年美国Raychem公司生产Ti-Ni-Fe记忆合金管接头用于F14战斗机上的液压管路系统连接,这是SMA第一次成功应用。1970年,美国将Ti-Ni记忆合金丝制成宇宙飞船用天线。前苏联在1969年开始对形状记忆合金进行了系统研究。德国于1971年开始探索形状记

忆效应的机制及应用,1976年声称有成功的产品问世。日本在70年代也积极开展这方面的研究工作。由于形状记忆合金成本低廉、加工简便而引起材料工作者的极大兴趣。20世纪70年代,各国相继开发出了Ni-Ti基、Cu-Al-Ni基和Cu-Zn-Al基形状记忆合金。80年代开发出了Fe-Mn-Si基、不锈钢基等铁基形状记忆合金。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[11]。美国、日本等国家对形状记忆合金的研究和应用开发已较为成熟,同时也较早地实现了形状记忆合金的产业化。

我国从上世纪70年代末才开始对形状记忆合金展开研究,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认可,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,在形状记忆合金的基础理论和材料科学研究方面,我国与国际先进水平尚有一定差距,尤其是在形状记忆合金产业化和工程应用方面

与国外差距较大。

四．形状记忆合金的分类

到目前为止，被开发出来的形状记忆合金主要是Ti-Ni基、Cu基与Fe基三种。在这三大类中，根据不同的要求和工作环境，分别在基体中加入和调整一些合金元素的量，使得每一个大类中都有一系列合金被开发出来，应用在各行各业，以满足各种不同的特殊需求。

Ti-Ni形状记忆合金开发的最早，形状记忆效应最稳定，相对比较成熟，已在航天工业、汽车工业、电子工业、医学及人类生活领域获得应用。但由于其原材料Ni 、Ti价格昂贵，且加工成本高等因素，其应用受到限制。

Cu基形状记忆合金因价格便宜、原材料来源广泛、易于加工和制造等原因而得到迅速发展。铜基形状记忆合金是这三类合金中种类最多的一类，但有实际应用价值的目前只有Cu-Zn-Al和Cu-Al- Ni两种。

Fe基形状记忆合金发展较晚，成本较Ti-Ni系和铜系合金低得多，易于加工，在应用方面具有明显的竞争优势，被认为是一种具有广泛应用前景的功能材料，受到广泛的关注。

五．形状记忆合金的应用

由于形状记忆合金除具有独特的形状记忆功能外还具有超弹性、高阻尼、耐磨损和抗腐蚀等优点，所以在机械、建筑、航空航天、汽车以及医疗等许多领域中得到广泛的应用。

1．机械工程。最早应用是在管接头和紧固件上。在机械零件的连接、管道的连接,飞机的空中加油的接口处,用形状记忆合金加工成内径比欲连接管的外径小4%的套管,然后在液氮温度下将套管扩径约8%,装配时将这种套管从液氮取出,把欲连接的管子从两端插入.当温度升高至常温时,利用电加热改变温度,接口处记忆合金变形,套管收缩即形成紧固密封,使接口紧密滴水(油)不漏,远胜于焊接,特别适合用于航空、航天、核工业及船舰和海底输油管道

等.在一些施工不便的部位,用记忆合金制成销钉,装入孔内加热,其尾端自动分开卷曲实现紧固.利用记忆合金的感温驱动双重功能,制作机器人、机械手,体型微小,结构紧凑。

2．建筑工程。形状记忆合金具有超弹性特性和高阻尼特性,含形状记忆合金的结构可以显著增加系统的阻尼,减小结构的动力反应,可以用它制作各种形式的阻尼耗能装置。还可以利用形状记忆合金设计隔震器，它的工作原理是形状记忆合金装置变形后会产生较大的变形位移耗能,减少下部结构地震能量向上部结构的传输,从而达到保护上部结构的目的,提高结构的抗震性能。

3．航空航天工业。美国F-14型飞机的液压系统中，平均每架要用800个形状记忆合金接头.自1970年以来，美国海军飞机上使用了几十万个这样的管接头，没出现过一次失效的记录。除了做管接头外，形状记忆合金还用在宇宙飞船天线、紧固件、连接部件、电器连接和机电执行元件上[12]。

4．汽车工业。用于发动机防热风扇离合器、排气自动调节喷管、柴油机散热器孔自动开关和喷气发动机抽过滤器的形状记忆弹簧等。

5．医疗器械。形状记忆合金因具有良好的力学性能和生物相容性已在医用领域得到了广泛的应用。尤其是NiTi 形状记忆合金, 其良好的超弹性和形状记忆效应已成功应用于口腔牙齿的矫正、外科的矫正和整形及心血管的微创介入治疗。血栓滤器也是一种记忆合金新产品。被拉直的滤器植入静脉后,会逐渐恢复成网状,从而阻止95%的凝血块流向心脏和肺部。已进入医疗临床试用的还有手术缝合线、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、髓内针、人工关节、避孕环、人造心脏、人造肾脏用微型泵等。

六．形状记忆合金的发展趋势

1．铁基形状记忆合金。因其很好的可加工性和低廉的价格而备受关注.最近的研究工作包括相变机制和影响因素,主要是通过选择合适的合金成分配比和摸索恰当的制备工艺提高和改善Fe-Mn-Si系合金性能. .

2．高温形状记忆合金。NiTi和CuZnAl合金都只能在100℃以下使用。但在相当多的情况下，如防火装置，汽车发动机的记忆合金元件的工作温度均超过100℃。在核反应堆工程中，记忆合金热动元件的动作温度高达600℃，因而研制高温形状记忆合金就成为一个主要发展方向[3]。高温用形状记忆合金在热驱动器、继电器及核工业等高温领域具有非常广阔的应用前景.

3．磁性形状记忆合金。磁性形状记忆合金可以在磁场的作用下输出较大应变,同时将记忆合金的工作频率从温控状态的1Hz左右(TiNi记忆合金薄膜的热驱动工作频率最高可达100Hz),提高到磁控状态下的300Hz以上。利用磁驱动记忆合金的这些功能特性,制成的传感