形状记忆合金的研究与应用

2015年6月21日
形状记忆合金的研究与应用
姓 名： 赵泰先 学 号： 013412154
指导教师：
汪 潇
形状记忆合金的研究与应用
摘要：形状记忆合金，是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的形变，恢复其形变原始形狀的合金材料。

这种合金在高温（奥氏体状态）下发生的“伪弹性”行为，表现为这种合金能承载比一般金属大几倍甚至几十倍的可恢复应变。

形状记忆合金的这些独特性质源于其内部发生的一种独特的固态相变——热弹性马氏相变体。

关键词：形状记忆合金（SMA）、马氏相变体、记忆效应（SME）
引言
形状记忆合金材料兼有传感和驱动的双重功能，是一种智能结构中技术成熟性很高的功能材料，可以实现机械结构的微型化和智能化。

形状记忆效应(SME)即某种材料在高温定形后，冷却到低温(或室温)，并施加变形，使它存在残余变形[1,2]。

当温加热超过材料的相变点，残余变形即可消失，恢复到高温时的固有形状，如同记住了高温下的状态。

SMA及其驱动控制系统具有许多的优点，如高功率重量比，适于微型化；集传感、控制、换能、致动于一身，结构简单，易于控制；对环境适应能力强，不受温度以外的其他因素影响等，有着传统驱动器不可比拟的性能优点。

形状记忆合金由于具有许多优异的性能，因而广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域。

1、发展史
1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到"记忆"效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。

记忆合金的开发迄今不过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"。

最早关于形状记忆效应的报道是由Chang及Read等人在1952年作出的。

他们观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。

后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象，但当时并未引起人们的广泛注意。

直到1962年科学家及其合作者在等原子比的钛镍合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应，才引起了材料科学界与工业界
的重视。

到70年代初，铜锌、铜金锌、铜铝等合金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应。

几十年来，有关形状记忆合金的研究已逐渐成为国际相变会议和材料会议的重要议题，并为此召开了多次专题讨论会，不断丰富和完善了马氏体相变理论。

在理论研究不断深入的同时，形状记忆合金的应用研究也取得了长足进步，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。

2、记忆合金种类
2.1 TINi墓合金
TINI基合金由于表现出优良的形状记忆效应和超弹性、高的耐磨耐腐蚀性能,而成为形状记忆合金家族中的佼佼者,是当今最具实用性的形状记忆合金系列。

为满足实际应用对TINI基合金提出的各种要求,近年来,我国研究者对合金相图、相变热力学及第三第四合金元素的添加等进行了大量的研究工作。

作者采用多元扩散偶一电子探针微区成分分析技术研究了Ti一Ni一Nb三元系全部成分范围相图的700C、800C、900C等温截面,确定了该三元系在以上3个温度下各相的相平衡成分和相平衡关系仁,一’〕,并提出了可用于热弹性马氏体相变热力学定量分析的改进O一P热力学模型闭。

贾堤研究了V对Ti4`Ni47Nb,记忆合金临界屈服强度应力的影响阁。

研究结果表明,利用lat写v替代该合金中的Nb,可有效地提高Ti一Ni一Nb记忆合金临界屈服应力,改善该合金的形状记忆回复率。

为提高TINI合金使用温度,人们通过在TINI合金中添加Pd、Pt、Au、Zr和Hf来提高合金的相变温度。

其中Pd、Pt、Au的加入使合金的造价极为昂贵,Zr 提高合金相变温度的作用又不十分显著,因而TINIHF合金以其价格低、相变温度高的优势受到高度重视。

对TINIHF合金的研究困表明,TINIHF合金的设计准则是:在保持Ni含量低于50at%的情况下,通过调整Hf的含量,使合金获得所需的相变温度及尽可能好的加工性能。

与此同时,可添加其它合金元素,在不显著影响合金相变温度的前提下,改善合金的加工性能。

在生物医用多孔TINI合金研究方面也取得了较大的进展比日〕。

采用燃烧合成工艺研制出性能优良的多孔TINI 形状记忆合金。

在形状记忆合金薄膜制备方面,曲炳郡和他的同事采用块材冷轧法制备出理想的TINI合金。

该工艺优点是:工艺难度小，制得的薄膜性能稳定可靠,相变温度与相应的块材相差不大;不足是:工艺周期长,且薄膜不能轧到任意
薄,一般在数十微米以上。

2.2铜基合金
铜基合金是继TINI合金之后的又一种实用性较强的形状记忆合金。

与TINI 合金相比,它容易加工、成本低,但也存在一些问题,主要是晶粒粗大,热稳定性差以及记忆性能易衰退等问题。

为克服以上不足,人们希望通过添加合金元素或改进工艺来细化组织,克服马氏体的稳定化。

在铜锌金合金中添加微量斓钵复合稀土(0.01~0.Owt%),能有效细化合金组织,改善力学性能,防止合金发生马氏体稳定化现象,并能减小马氏体相变温度滞后。

在CuAIBe合金中添加微量硼可显著细化合金的晶粒和组织,改变合金的组织形态,且在高温下能有效抑制晶粒长大,改善合金的记忆性能和力学性能。

硼的加入量以0.5%~10%范围效果最好即口。

在铜基高温形状记忆合金方面也有进展.研制出的具有高强、高塑性,同时又有较好单向形状记忆效应的Cu一Al一Mn一Zn-Zr合金的As点达到300oC。

Zr 的加入使合金的组织得到细化,提高了强度和塑性。

合金的强度达25oMPa以上,塑性达7%以上。

3.1铁基合金
TINI基合金虽然有优良的形状记忆效应,但价格较贵,加工困难。

铜基合金价格低但性能却不稳定,因而铁基合金以其价格低廉、强度高、加工方便等特点引起工业界的重视。

从实用的
观点来看,Fe一Mn一si系形状记忆合金最具有应用前景。

一般情况下,Fe一Mn一Si基记忆合金的最大回复应变量为2%,超过此应变量将会产生不可回复的应变。

显然,低的回复应变量是制约铁基记忆合金工程应用的难点之一,为提高材料的回复应变量,热机械处理或训练(Tarining,使材料经历一定变形,在高于Af温度加热后再冷却到Ms以上,如此反复多次)工艺的研究目前受到关注。

它可以显著降低诱发马氏体相变的应力,抑制滑移变形,提高回复应变量。

天津大学研制开发的Fe-Mn一Si系形状记忆合金,经多次训练后,记忆并未衰减,反而在
一定的训练次数内,有上升的趋势,然后逐渐趋于稳定。

2.4其它合金
哈斯勒合金NiZMnGa是同时兼有铁磁性和热弹性马氏体相变特性的金属间化合物,是为数不多的铁磁性形状记忆合金之一。

目前我国研究者对它的研究主要集中在提高磁感生应变和形状记忆功能方面。

研究中发现,如果在NiZMnGa材料中适当地掺加一些Fe元素,在保持材料的LZ:晶体结构不变的情况下,其机械性能可以得到很大程度的提高,而且材料仍具有完全的双向形状记忆效应和较大的磁感生应变,这非常有利于应用。

Co一Ni系合金是另一种磁控形状记忆合金。

对该合金的相变和微观组织研究帅〕表明,C。

一Ni系合金的马氏体组织呈有规则的多片状,经透射电子显微镜观察发现其母相中存在层错,Co一Ni合金中母相的饱和磁化强度达124Am/Kg,是典型磁控形状记忆合金材料NiZGaMn的近两倍;马氏体相变温度随Ni含量的增加而降低。

3、功能机理
形状记忆合金(Shape Memory Alloys，简称SMA)是一种能够记忆原有形状的智能材料。

当合金在低于相变态温度下，受到一有限度的塑性变形后，可由加热的方式使其恢复到变形前的原始形状，这种特殊的现象称为形状记忆效应（Shape Memory Effect，简称SME）。

而当合金在高于相变态温度下，施以一应力使其受到有限度的塑性变形（非线性弹性变形）后，可利用直接释放应力的方式使其恢复到变形前的原始形状，此种特殊的现象又称为拟弹性（Pseudo Elasticity，简称PE）或超弹性（Super Elasticity）。

这两种形状记忆合金所拥有的独特性质在普通金属或合金材料上是无法发现的。

形状记忆合金的特点主要有：形状记忆效应(Shape Memory Effect，缩写为SME)相变超性性能(Super Elasticity)，弹性模量随温度变化特性和阻尼特性。

其中起驱动作用的主要是形状记忆效应和弹性模量随温度变化特性。

形状记忆效应是指SMA具有的记忆并回复至它在奥氏体状态下的形状的能力。

如果在低温马氏体状态下拉伸SMA并留下较大的塑性变形，那么将SMA加热至一定温度后，马氏体就会转为奥氏体，SMA将回复到它刚刚开始时的形状，随后再进行冷却或加热，合金形状都将保持不变。

上述过程可以周而复始，称为单程形状记忆。

此外还有双群形状记忆合金和全方位记忆合金。

这种回复应力可用作结构控制时的驱动力，也可以用来直接控制结构的刚度。

弹性模量随温度变化特性是指，奥氏体SMA在高温下它的弹性模量是低温下马氏体SMA的弹性模量的3倍以上。

这种特性主要可以用米改变的固有频率，从而避免共振。

形状记忆合金的记忆效应可以分为下列三种：
（1）单程记忆效应（1-way）：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。

（2）双程记忆效应（2-way）：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。

（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。

4、形状记忆合金材料的应用
形状记忆合金材料的应用十分广泛,涉及到宇航、机械、电子、医疗及日常生活等多个领域。

4.1宇航工业中的应用
形状记忆合金可用于制造探索宇宙奥秘的月球天线.这种天线的形状像一朵朵盛开的巨型荷花。

由于天线体积庞大，运载上月球很不方便。

人们在高温环境下制做好天线。

再在低温下把它压缩成一个小铁蛋，使它的体积缩小到只有原先的千分之一，这样就能轻巧地放进太空船的登月小艇。

当小铁蛋送上月球后，太阳的强烈辐射唤醒了铁蛋的记忆，遂使它恢复了原来的形状，并按照人们的意愿向地球发回宝贵的宇宙信息。

形状记忆合金还可应用于直升飞机的智能水平旋翼。

由于直升飞机的高震动和高噪声使使用受到限制。

其噪声和震动的来源主要是叶片涡流干扰，以及叶片型线的微小偏差。

这就需要一种平衡叶片螺距的装置,使各叶片能精确地在同一平面旋转.目前已开发出一种叶片的轨迹控制器，它是用一个小的双管形状记忆合金驱动器控制叶片边缘轨迹上的小翼片的位置，使其震动降到最低。

4.2机械电气产品中的应用
形状记忆合金在早期的自动化方面的应用是一个可打开和关闭快门的弹簧。

它可用作保护雾灯免受飞行碎片的击伤.用记忆合金制造的精密仪器或精密车床,一旦由于振动、碰撞等原因变形。

只需用火一烘,即可排除故障.在机械制造过程
中。

各种冲压或机械操作常常需要将零件从一台机器转移到另一台机器上一般把零件放在刚性的手动机械压板或液压夹具上.现在开发了一种取代手动或液压夹具的装置,这种装置是用形状记忆合金做的驱动汽缸.当加热时,由于“H”型压板的弹簧特性,形状记忆气缸打开,使“H”压板偏转并放下零件.这种装置效率高灵活.并且装夹力大。

4.3医疗卫生中的应用
用于医学领域的记忆合金，除了具备形状记忆或超弹性特性外，还应该满足化学和生物学等方面可靠性的要求一般植入生物体内的金属在生物体液的环境中会溶解形成金属离子,其中某些金属离子会引起癌病、染色体畸变等各种细胞毒性反映或导致血栓等.称之为生物相容性差.在现有的实用记忆合金中.只有与生物体接触后会形成稳定性很强的钝化膜的合金才可以植入生物体内,其中仅TINI合金满足使用条件.是目前医学上主要使用的记忆合金.在医学上TINi合金应用较广的有口腔牙齿矫形丝.外科中用的各种矫形棒、骨连接器、血管夹、凝血滤器等.现在在血管扩张元件中应用了TINi形状记忆合金.。

4.4日常生活中的应用.
英国的旦特公司用记忆合金制成自动启闭器,安装在金库的窗户上,平常可以密不透风,一旦发生火灾，高温唤醒记忆，窗户便可自动开启，便于人们抢救，用在自动消防龙头上，平时可以关闭水道,防止泄露,一旦失火,消防龙头可以自动开启,洒水灭火。

在眼镜框架的鼻梁和耳部装配TINi合金可使人感到舒适并抗磨损，由于TINi合金所具有的柔韧性已使它们广泛用于改变眼镜时尚界。

用超弹性TNIi合金丝做眼睛框架,即使镜片热膨胀，该形状记忆合金丝也能靠超弹性的恒定力夹牢镜片。

这些超弹性合金制造的眼镜框架的变形能力很大，而普通的眼镜框则不行。

用记忆合金制造管道相接的接口,这种接口一般在常温下制作。

使它的内径小于管道外围。

再在低温下拉大(大于管道外围),套在两管相接的接缝上。

一旦放回常温环境,常温唤醒了它的记忆,接口随之收缩,紧紧箍住管口,使两管牢牢连成一体。

这种接口用于油压系统管道10万余例，至今无一发生漏油或破损事故。

5、结束语
形状记忆材料的开发研究已有多年,从最初的合金已扩展到陶瓷和高分子材料,
并且各种先进的生产工艺技术已被应用到形状记忆材料的研究、开发和应用中随
着科学技术水平的不断提高,形状记忆合金材料的应用将会更加广泛。

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