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形状记忆合金论述形状记忆合金论述摘要：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，恢复其形变原始形状的 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、马氏相变体、记忆效应、各原理的应 用。引言:形状记忆合金是材料经适当的热处理后即具有回复形 状能力一种特殊的金属材料。人们也把它叫做形状 记忆效应。形状记忆合金在温度较低的时候因为外 加应力，产生塑性变形，在温度较高的时候有克服 外加应力回复形状，形状记忆合金的另一个独特性 质是在高温下(奥氏体状态)下发生大的“伪弹性” 或“超弹性”，即表现为这种合金的承载力比一般 金属大几倍甚至几十倍的可回复应变。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)。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。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。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"。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。原理一、由形状记忆合金的定义我们知道在某种条件下满足由A到B, B又恢复到A的合金材料，那 么我们就知道形状记忆合金在工作状况中；有两 个条件；一，形状改变是可逆和半可逆的。二，环境的改变能引起形状的改变。原 理一；母相在降温和施加应力的作用下变成马氏 体，在合金的单相作用下，马氏体顺应力发生再 取向，形成马氏体的择优取向，但大部分和全取 向是材料在宏观上表现为形变。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。材料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1962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：1) Ni2Ti系,包括等 原子 Ni-Ti , Ti-Ni-X(X =Fe ,Al ,Co)2)铜系，包括 Cu-Zn 系，如 Cu-Zn , Cu-Zn-X(X =Si ,Al , Sn) Cu-Al 系，如 Cu-Al2 , Cu2Al2Ni 3)其 他有色金属系,如Co-Ni , Ti-Nb ,Au-Cu-Zn ,Au-Cd ,Ag-Cd , In-Ti 等；4)铁基合金j如Fe-Pt ,Fe-Ni-Co ,Fe-Mn-Si ,Fe-Ni-Co-Ti ,F e-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。形状记忆效应的应用因为记忆合金的特殊的记忆功能，现 在已经广泛应用在航空、卫星、医疗、生物工程、能 源和自动化等方面。一、生物医疗临床上用的最普遍的是镣钛（Ni-Ti） 形状记忆 合金（SMA），简称NT-SMA。NT-SMA 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，有热弹力型的马氏体变态， 有种种难以想象的性质。采用Ni-Ti合金做成人体 用的生物植入件，如脊椎矫直用的支板，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。（1）牙齿矫形丝 牙齿矫正器是利用生物力学原理 来对牙合畸形的牙齿进行矫治，通过矫正系统施 以温和而持久的生物力，慢慢地使牙齿移动，让 牙齿恢复到正常位置，将 牙齿排列整齐。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 ik . . . 弹性Ti-Ni合金丝是最适宜 的。通常牙齿矫形用不锈钢丝Co-Cr合金丝，但是 $这些有弹性模量高，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，也可以 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，所以有必要进棒时，要求固定后脊椎受到的矫正力保持在3040kg以下，一但受力过 大，矫形棒就会被破坏，结果不仅是脊柱，而且 连神经也有受损伤的危险。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5C，就能恢复足够的矫正 力。另外，外科中用Ti-Ni形状记忆合金做各种骨连接器、血管夹、)疑 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。二、航天领域有些应用领域,要求形状记忆元件在多次循环往复运 动中对外产生力的作用。1997年美国航空航天局 (NASA)的科学家利用长3cm ,直径0.115mm的Ni-Ti SMA驱动火星探测器上的太阳能 电池挡板，加热SMA，使其收缩，通过传动装置，打 开太阳能电池上的玻璃挡板,电池充电。充电结束 后，偏置弹簧重新使挡板复位。挡板的有效开合可起 到防尘的目的。在神舟系列的的飞船中需要用到天 线。可是由于飞船的体积是非常有限的，假如用普 通的金属制成这样的天线就无法带到太空。但是采 用记忆温度为40C的Ni-Ti合金在40C以上做成的天线，然后在冷却到40C - 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 40C以上，此时它就恢复原来的形状，张开呈伞面工 作三、生产与生活领域（1）防烫伤的阀门在我们的家庭生活中，已经 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；这些阀门也可以用于旅馆和其他 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48C）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（2）眼镜框架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TiNi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TiNi 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TiNi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。四、其他方面的应用(5)其他方面的应用在工程和建筑领域用TiNi形状记 忆合金作为隔音材料及探测地震损害控制的潜力已显 示出来。已试验了桥梁和建筑物中的应用，因此作 为隔音材料及探测损害控制的应用已成为一个新的 应用领域。前景展望在形状记忆合金的实用化进程中，急需累积并分析 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。记忆合金 目前已发展到几十种，在航空、军事、工业、农业、 医疗等领域有着很大的用途，而且发展趋势十分可 观。这些研究表明我们已经做出了 一个进步，但是 我们需要将这一步迈的更大。假以时日，它将大展 宏图、造福于人类。参考文献1 吴德隆、阎绍泽、黄铁球、张永.空间大型伸展 机构动力学.陈演主编，动力学、振动与控制的研究长沙：湖南大学出版社，1998. 239-2452 阎绍泽、吴德隆、黄铁球、张永.航天压电陶瓷 微位移作动器设计与实验研究.导弹与航天运载技 术，1998(6) : 25-313 Thrasher M A , Shahin A R, et al. 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