形状记忆合金材料的研究进展

常见形状记忆合金材料的研究进展

摘要:形状记忆合金是一种新型的功能材料,目前在许多领域都得到了应用。本文综述了形状记忆材料的原理，及常见形状记忆材料的开发与在各个领域的广泛应用,同时阐述了其现状与未来的发展前景。

关键词:形状记忆合金；合金；形状记忆效应；应用

形状记忆合金( Shape M em ory Alloy, SM A) 是一种特殊的新型功能材料,

它是集传感、驱动和执行机构于一体的新型功能材料, 其制件具有结构简单, 成本低廉和控制方便等独特的优点，备受人们瞩目。早在20世纪60年代人们就开展了对SMA及其连接技术的研究。近年来，世界各国研究人员正在开发的记忆功能材料主要有形状记忆、温度记忆以及色彩记忆等多种，其中以形状记忆合金材料发展最为迅速。由于形状记忆合金材料在汽车、机器人、能源开发、医疗器械及家用电器等领域具有优越的性能及广阔的应用前景，因此它已成为21世纪重点开发的新材料之一。

形状记忆合金作为一种新型的热致变形材料,由于其变形原理独特, 故与其它材料相比不仅具有更大的热致变形量,而且可以实现感温、驱动及多维空间的热致变形等功能[1]。因此, 形状记忆合金被认为是一种应用前景很广的、新型的热致变形材料。

1.形状记忆效应原理[2,3]

SMA产生形状记忆效应是由于合金中发生了热弹性马氏体相变和伪相变, 这是通过多晶和单晶Cu-Zn合金的实验时发现的。相变时, 马氏体常围绕母相的一个特定位向形成 4 种变体,合称为一个“马氏体片群”。在光学显微镜下采用偏振光观察, 每个马氏体片群具有4种不同的颜色, 这表征各个变体的位向不同。形成这种结构的因为每片马氏体形成时,在其周围的基体中造成了一定方向的应力场, 变体沿这个方向长大很困难。如果有另一个马氏体变体在此应力场中形成, 它将沿阻力小的取向长大,使应变能降低。通常的形状记忆合金中, 根据马氏体与母相的晶体学关系,共有6个片群, 24种马氏体变体。而变体的择优生长称为马氏体的再取向过程。当加热温度在As-Af之间时,马氏体发生逆转变。由于马氏体晶体的对称性低,因此在逆转变时马氏体中只形成几个母相的晶体位

向, 有时只形成一个母相的原来位向。当母相为长程有序时,形成单一母相原来位向的倾向更大,使马氏体完全回复了原来母相的晶体,宏观变形也就完全回复。正是基于这种机理, SMA即会产生形状记忆效应。

2.常见几类形状记忆材料的开发

2.1镍—钛系形状记忆合金

镍—钛系合金是形状记忆合金材料中性能最优越而且用途最广的一种。镍—钛系合金的延展性、形状记忆强度、应变、耐蚀性、电阻及稳定性均较好，但其成本较高。这类合金的形状记忆行为有单向和，其呈现记忆行为的温度范围可

借助合金的改良而加大或缩小。近年来，许多国家正致力于开发一系列改良型镍—钛合金，通过添加其他元素进一步改善其性能，并降低其成本。

2.2铜系形状记忆合金

铜系形状记忆合金比镍—钛记忆合金更便宜且容易加工成型，因此颇具发展潜力。但铜系形状记忆合金的强度不如镍—钛记忆合金，反复受热的形状记忆能力也衰减较快。为了提高铜系记忆合金的机械性能，可添加微量的钛、锰、锆。铜系形状记忆合金中性能最好、应用最广的是铜—锌—铝合金。铜—锌—铝合金的导热率高且对温度变化敏感，可用于制作热敏元件。

2.3铁系形状记忆合金

铁系形状记忆合金成本低廉，原料丰富，更具有竞争力。已经开发的铁系形状记忆合金有铁—锰合金、铁—铂合金以及不锈钢系形状记忆合金等。通过在铁—锰合金中添加硅，可获得具有良好形状记忆效应的铁—锰—硅合金。铁—锰—硅合金的强度高，但耐腐蚀性较差。而在这种合金中添加铬，则可大大提高耐腐蚀性。铁系形状记忆合金目前已在制作管接头、铆钉之类连接件以及夹具等方面获得广泛应用，不仅便于人们安装和操作，而且安全可靠，是很有发展前途的功能材料。

3.形状记忆合金的特性及应用

迄今为止,形状记忆合金在空间技术、机械器具、能源开发、及日常生活各方面都得到广泛的应用,总的来说,按使用特性的不同,可归纳为下面几类[4]。(1)自由回复。SMA在马氏体相对产生塑性形变,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。美国航空航天局(NAAS)将Ti爪合金或棒卷成竹笋状或旋涡状发条,收缩后安装在卫星内。发射卫星并进入轨道后,利用加热器或太阳能加热天线,使之向宇宙宿营空间撑开。

(2)强制回复。强制回复最成功的例子是SMA泪叨管接头。事先把内径加工比被接管外径小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,把被接管从两端插人,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月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。

(3)动力装置。有些应用领域,要求形状记忆元件在多次循环复运动中对外产生力的作用。温度继电器和温度保持器、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。SMA的相变发生在一定温度范围而不是某一固定温度点,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、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、制动于一体,具有仿真性好、无振动噪声、易于结构微型集成化等优点。

(5)超弹性应用。SMA注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。主要有牙齿矫形丝、接骨用超弹性NiTi丝、玩具及塑料眼镜框等。Ni-Ti丝用于娇形上即使应用变量高达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。

4.形状记忆合金材料的研究现状

至今为止已经研究、开发出十几种记忆合金体系.包括Ag-Cd、Au-Cd、

Cu-Al-Ni、Cu-Al-Be、Cu-Au-Zn、Cu-Sn、Cu-Zn、Cu-Zn-X(X=Si、Sn、Al、Ga)、In-Ti、Ni-Al、Ti-Ni、Ti-Ni-X(X=Hf、Pd、Pt、Au、Zr)、Co-Ni、Co-Ni-Ga、和Fe-Mn-Si等.Ti-Ni合金以其优良的形状记忆效应和超弹性、耐磨性、耐腐蚀性以及良好的生物相容性,成为实用化程度最高的合金系列。研究形状记忆合金薄膜材料的工艺与组织和性能之间的关系、开发材料性能的测试方法与设备、测量和积累性能的基础数据、研制新型的性能优异的复合梯度薄膜、拓宽薄膜的应用范