形状记忆合金

高分子形状记忆合金的发展以及其现状

摘要：本论文主要讨论形状记忆合金相关内容,扼要地叙述了形状记忆合金的发现以及发展历史和分类, 介绍了形状记忆合金在工程中应用的现状以及发展前景。

关键词：形状记忆合金、形状记忆合金效应、应用.

一、形状记忆合金(Shape Memory Alloy ,SMA)

记忆合金是一种原子排列很有规则、体积变为小于0.5%的马氏体相变合金。这种合金在外力作用下会产生变形，当把外力去掉，在一定的温度条件下，能恢复原来的形状。由于它具有百万次以上的恢复功能，因此叫做"记忆合金"。当然它不可能像人类大脑思维记忆，更准确地说应该称之为"记忆形状的合金"。（如图1-1）此外，记忆合金还具有无磁性、耐磨耐蚀、无毒性的优点，因此应用十分广泛。科学家们现在已经发现了几十种不同记忆功能的合金，比如钛－镍合金，金－镉合金，铜－锌合金等。

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 Memory Effect ,SME) 。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。到目前为止,应用得最多的是

Ni2Ti 合金和铜基合金(CuZnAl 和

CuAlNi) 。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.

（记忆合金变体图1-1）

二、形状记忆合金的发展史

记忆状合金作为一种新型材料，早在20世纪就被人发现。1932年,瑞典人在金镉合金中首次观察到"记忆"效应，即可恢复金属，人们把这种合金称为形状记忆合金。

1938年。当时美国的哈佛大学的研究人员在Cu-Zn合金发现了马氏体的热弹件转变。

随后，1951年美国的Chang相Read在Au47·5Cd(％原子)合金中发现了行状记忆效应。这是最早观察到金属形状记忆效应的报道。数年后，In-Ti 合金中观察到同样的现象。但当时，这些现象而未能引起人们足够的兴趣和重视。

至1962年，美国海军实验室在开发新型舰船材料时，发现了Ni-Ti合金中的的形状记忆效应，可以把直条形的材料加工成弯曲形状，经加热后他的形状又恢复到原来的直条形，才开创了“形状记忆”的实用阶断。

1969年，美国一家公司首次将Ni-Ti合金制成管接头应用于美国F14 战斗机上；1970年，美国将Ti-Ni记忆合金丝制成宇宙飞船用天线。20世纪7 年代，相继开发出了Ni-Ti 基、Cu-Al2-Ni 基和Cu-Zn-Al 基形状记忆合金；开发出了Fe-Mn-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，大大激励了国际上对形状记忆合金的研究与开发。

现今，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。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。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。

从SMA 的发现至今已有四十余年历史，美国、日本等国家对SMA 的研究和应用开发已较为成熟，同时也较早地实现了SMA 的产业化。我国从上世纪70 年代末才开始对SMA 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SMA 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SMA 产业化和工程应用方面与国外差距较大。

三、形状记忆合金的其他特性

1.1 超弹性

在高于Af点、低于Md点的温度下施加外应力时产生应力诱发马氏体相变,卸载就产生逆相变,应变完全消失,回到母相状态,表观上呈现非线性拟弹性应变,称为相变拟弹性或超弹性.普通金属材料弹性应变一般不超过0.5%,而超弹性材料的拟弹性应变则达5%～20%[8] .在介入医疗领域有超过80%的产品利用的是Ni-Ti合金的超弹性,它使得合金支架或合金丝具有良好的柔顺性,可以与柔软且复杂的人体内管道很好的贴合.（如图：超弹性产生过程2-）

1.2 高阻尼特性

形状记忆合金在低于Ms点的温度下进行

热弹性马氏体相变,生成大量马氏体变体(结

构相同、取向不同),变体间界面能和马氏体

内部孪晶界面能都很低,易于迁移,能有效地

衰减振动、冲击等外来机械能,因此阻尼特性

特别好,可用做防振材料和消声材料.

2.3 耐磨性

在形状记忆合金中独有Ti-Ni合金在高

温相(CsCl型体心立方结构)状态下同时具有

极好的耐腐蚀性和耐磨性.可用作在化工介

质中接触滑动部位的机械密封材料,原子能

反应堆中用做冷却水泵机械密封件,冷却水

净化系统可以长期不检修.

（超弹性产生过程 2-）

1.4 逆形状记忆特性

将Cu-Zn-Al记忆合金在Ms点上下的很小的温度范围内进行大应变量变形,然后加热到高于Af点的温度时形状不完全恢复,但再加热到高于200℃的温度时却逆向地恢复到变形后的形状,称为逆形状记忆特性

1.5 传感与执行的双功能性

由于具有形状记忆效应，形状记忆合金能够随着温度的变化而发生形状变化，集温度传感与执行于一身，这点与具有有类似功能的双金属片相似，但是，二者有本质的不同。一是工作原理不同，形状记忆合金的形状变化依靠的是热弹性马氏体相变；而双金属片是因为两种金属的热膨胀系数不一致，在温度变化时候发生不均变形，刀子形状变化。而是形状记忆合金动作时产生的恢复力（输出功）要比双金属片大几个数量级，而对温度更为敏感。三是双金属片的绕曲度与形状记忆合金相比要小得多。因此形状记忆合金的应用前景比双金属片更加广阔，而且功能更强。