1、1形状记忆合金发展与展望人居学院 建筑学 12 刘畅（2110703039) 2013-5-292形状记忆合金摘要：形状记忆效应自 20 世纪 30 年代报道以来逐步得到人们的重视并加以应用，被人们誉为“神奇的功能材料”, 本文主要介绍了形状记忆合金合金的发展历史及其在许多领域的应用以及未来的一些发展趋势。关键词：形状记忆合金、各领域应用、原理及发现引言：有一种特殊的金属材料,经适当的热处理后即具有回复形状的能力,这种材料被称为形状记忆合金( Shape Memory Alloy ,简称为SMA) ,这种能力亦称为形状记忆效应(Shape Memory Effect , 简称为SME) 。通常
2、,SMA 低温时因外加应力产生塑性变形,温度升高后,克服塑性变形回复到所记忆的形状。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) 。一、形状记忆合金的发展史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，Buehler 及其合作者在等原子比的 TiNi 合金中观察到具有
3、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，CuZn、CuZnAl、CuAlNi 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。二、形状记忆效应机理3a) 单程SME b) 双程SME btpsfa 为SME cdcjc 为伪弹性图1 形状记忆效应示意图 图2 形状记忆合金应力应变温度关系示意图图1 直
4、观地示意出合金的形状记忆效应。在T1 温度下,将原来SMA直棒弯曲变形后,加热至T2 ,弯曲棒便逐渐自动变直回冷至T1 ,棒仍保持直的形状。合金的这种在某种条件下经任意方式的塑性变形,然后加热至该种合金固有的某一温度以上,又完全恢复其原来形状的现象, 称为形状记忆效应( SME) 。图1a 中所示为单程SME;如果由T2 冷至T1 时,SMA 棒复又自动弯曲,从而随T 2T1 热循环,棒的形状亦发生直弯循环现，象,这种现象称为双程SME ,如图2b 所示。可见,合金的SME 是在应力() 应变() 温度( T)三维空间中的一种特殊机械行为。这种空间行为见图2 。由于SME 的微观机制与母相P
5、及马氏体M之间发生的P M 正逆相变密切相关,所以,图2 中的相变温度及应变量等均为重要的SMA 设计参数。其中Ms、Mf 为P M 正相变开始与终了温度;As、Af 为M P 逆相变开始与终了温度。Md 温度为在外力作用下,能够诱发P M 相变的最高温度,高于此温度变形, SMA 的变形行为与普通合金相同,因而,SME 的变形温度Td Md。对于Ni Ti 、Cu 基等多数SMA ,当满足Af Td Md 时,其应力应变行为如图2 中cdijc 所示,即在作用下,尽管合金呈现宏观屈服现象,并发生较大的范性变形(cdi 段) ,但是,一旦卸载后,如同普通合金的弹性变形一样,其范性变形减小至0
6、,即合金形状随加载变化,随卸载恢复。因为呈非线性,SMA 的这种机械行为称为伪弹性。SMA 的伪弹性与SME 取决于变形温度Td。如果Af Td Md ,呈现伪弹性;As Td Af 为伪弹性与SME 共有区; Td As 呈现SME。然而,近年来研制的一些SMA 不论任何温度变形,都不呈现伪弹性。应予指出,与钢在马氏体状态相反,SMA 在马氏体状态很软,故变形非常容易。4三、形状记忆效应的分类 最先在合金相变过程中观察到形状记忆效应的是Chang 和Read ,他们通过对AuCd的相变可逆性研究发现相变过程中发生了电阻率的变化。1958 年,在铜(CuZn) 中也发现了类似的现象。直到196
7、2 年, 当Buehlerh和其同事们在等原子的Ni2Ti 合金中发现了SME 后,对SMA 冶金学和应用的研究才蔚然兴起。随后的十年中,市场上出现了大量的利用SMA 制造的产品。经过广泛研究,到目前为止,具有SME 的合金可归纳为以下几类:a) Ni2Ti 系,包括等原子Ni-Ti , Ti-Ni-X(X = Fe ,Al ,Co) ;b) 铜系, 包括Cu-Zn 系, 如Cu-Zn , Cu-Zn-X(X = Si ,Al , Sn) ; Cu-Al 系, 如Cu-Al2 , Cu2Al2Ni ;c) 其他有色金属系, 如Co-Ni , Ti-Nb ,Au-Cu-Zn ,Au-Cd ,Ag
8、-Cd , In-Ti 等;d) 铁基合金,如Fe-Pt ,Fe-Ni-Co ,Fe-Mn-Si ,Fe-Ni-Co-Ti ,Fe-Mn-C 及不锈钢等。虽然目前已经发现的形状记忆合金有30 余种。但正式作为商品生产的只有Ni 系和Cu 基两大类。一般来说,Ni2Ti 合金反复使用的稳定性、耐蚀性、对生物体的适应性(界面相互作用) 、以及超弹性和制备加工性等都比Cu 基合金优越,但成本较高。Cu 基合金尽管在这些方面略微逊色,但价格便宜,在反复使用频率不太高、条件不太苛刻情况下,应用前景非常广泛。4、形状记忆效应的应用由于记忆合金的特殊的记忆功能，现已广泛应用于航空、卫星、医疗、生物工程、能源
9、和自动化等方面。1. 航空航天工业在航天方面，常用 Ni-Ti 合金制成天线。用在宇宙飞船上的天线是非常庞大的，呈半球月面状。若用普通金属制成这样的天线，由于宇宙飞船的体积是有限的，无法把它带上去，但采用记忆温度为 40 摄氏度的 Ni-Ti 合金在 40 摄氏度以上做成月面天线，然后再冷却到40 摄氏度以下，这时天线就可以折叠成一个小球团，从而达到方便的装进宇宙飞船的目的。当宇宙飞船到达月球后，受到太阳光的强烈照射，小球团的温度很容易达到 40 摄氏度以上，此时它就恢复原来的形状，张开呈伞面开始工作。 1 2.生物医疗.临床上用的最普遍的是镍钛（Ni-Ti）形状记忆合金（SMA） ，简称 N
10、TSMA。NTSMA 是集耐磨、耐腐蚀、形状记忆效应伪弱性和声阻尼等性能于一体的新材料，有热弹力5型的马氏体变态，有种种难以想象的性质。 3采用 Ni-Ti 合金做成人体用的生物植入件，如脊柱矫直用的支板，齿科用的矫齿丝以及人体矫形外科用的假肢等。用于医学领域的 Ti-Ni 形状记忆合金，除了利用其形状记忆效应或超弹性外，还应满足化学和生物学等方面的要求，即良好的生物相容性。Ti-Ni 可与生物体形成稳定的钝化膜。目前，在医学上 Ti-Ni 合金主要应用有： (1)牙齿矫形丝 用超弹性 Ti-Ni 合金丝和不锈钢丝做的牙齿矫正丝，其中用超弹性 Ti-Ni 合金丝是最适宜的。通常牙齿矫形用不锈钢
11、丝 Co-Cr 合金丝，但这些材料有弹性模量高，弹性应变小的缺点。为了给出适宜的矫正力，在矫正前就要加工成弓形，而且结扎固定要求熟练。如果用 Ti-Ni 合金作牙齿矫形丝，即使应变高达 10%也不会产生塑性变形。这种材料不仅操作简单，疗效好，也可减轻患者不适感。(2) 脊柱侧弯矫形 各种脊柱侧弯症(先天性、习惯性、神经性、佝偻病性、特发性等 )疾病，不仅身心受到严重损伤，而且内脏也受到压迫，所以有必要进行外科手术矫形。目前这种手术采用不锈钢制哈伦敦棒矫形，在手术中安放矫形棒时，要求固定后脊柱受到的矫正力保持在 3040kg 以下，一但受力过大，矫形棒就会破坏，结果不仅是脊柱，而且连神经也有受损
12、伤的危险。如果矫形棒的矫正力有变化，以通过体外加热形状记忆合金，把温度升高到比体温约高 5，就能恢复足够的矫正力。另外，外科中用 Ti-Ni 形状记忆合金制做各种骨连接器、血管夹、凝血滤器以及血管扩张元件等。同时还广泛应用于口腔科、骨科、心血管科、胸外科、肝胆科、泌尿科、妇科等，随着形状记忆的发展，医学应用将会更加广泛。 33.日常生活. (1) 防烫伤阀 在家庭生活中，已开发的形状记忆阀可用来防止洗涤槽中、浴盆和浴室的热水意外烫伤；这些阀门也可用于旅馆和其他适宜的地方。如果水龙头流出的水温达到可能烫伤人的温度(大约 48) 时，形状记忆合金驱动阀门关闭，直到水温降到安全温度，阀门才重新打开。
13、 6 (2) 眼镜框架 在眼镜框架的鼻梁和耳部装配 Ti-Ni 合金可使人感到舒适并抗磨损，由于 Ti-Ni 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 Ti-Ni 合金丝做眼镜框架，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能做到。 (3) 移动电话天线和火灾检查阀门 使用超弹性 Ti-Ni 金属丝做蜂窝状电话天线是形状记忆合金的另一个应用。过去使用不锈钢天线，由于弯曲常常出现损坏问题。使用 Ti-Ni形状记忆合金丝移动电话天线，具有高抗破坏性受到人们普遍欢迎。因此常用来制作蜂窝状电话天线和火灾
14、检查阀门。火灾中，当局部地方升温时阀门会自动关闭，防止了危险气体进入。这种特殊结构设计的优点是，它具有检查阀门的操作，然后又能复位到安全状态；这种火灾检查阀门在半导体制造业中得到使用，在半导体制造的扩散过程中使用了有毒的气体；这种火灾检查阀也可在化学和石油工厂应用。五、前景展望6在形状记忆合金的实用化进程中,急需积累并分析关于材料特性、功能可靠性、生物相容性和细胞毒性等方面的基础数据资料。可以预言,随着对SMA 研究的进一步深化,传统的机电一体化系统完全有可能发展成为材料电子一体化系统。参考文献：1、崔海宁. 形状记忆合金在建筑领域中的应用J. 山西建筑 , 20062、高志刚. 形状记忆合金
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