镍钛合金复合材料在节水阀门中的应用

贺国侠

引言：镍钛合金复合材料是一种新型复合材料，近年来，随着现代科学技术的飞速发展，越来越得到广泛的应用，除了由于航天，航空，军事，医疗外，民用领域也越来广泛。文章对镍钛合金复合材料在节水阀门中的应用进行了探讨。

一、镍钛合金的内容

镍钛合金是一种形状记忆合金，形状记忆合金是能将自身的塑性变形在某一特定温度 下自动恢复为原始形状的特种合金。它的伸缩率在20%以上，疲劳寿命达1*10的7次方，阻尼特性比普通的弹簧高10倍，其耐腐蚀性优于目前最好的医用不锈钢，因此可以满足各类工程和医学的应用需求，是一种非常优秀的功能材料。

二、金相组织特性

顾名思义，镍钛合金是由镍和钛组成二元合金，由于受到温度和机械压力的改变而存在两种不同的晶体结构相，即奥氏体相和马氏体相。 镍钛合金冷却时的相变顺序为母相（奥氏体相）-R相-马氏体相。 R相是菱方形，奥氏体是温度较高（大于同样地：即奥氏体开始的温度）的时候，或者去处载荷（外力去除Deactivation）时的状态，立方体，坚硬。形状比较稳定。而马氏体相是温度相对较低（小于Mf：即马氏体结束的温度）或者加载（受到外力活化）时的状态，六边形，具有延展性，反复性，不太稳定，较易变形。

三、镍钛合金的特殊性能

1.形状记忆特性（shape memory）

形状记忆是当一定形状的母相由Af温度以上冷却到Mf温度以下形成马氏体后，将马氏体在Mf以下温度形变，经加热至Af温度以下，伴随逆相变，材料会自动恢复其在母相时的形状。实际上形状记忆效应是镍钛合金的一个由热诱发的相变过程。

2.超弹性 （superelastic）

所谓的超弹性是指试样在外力作用下产生远大于起弹性极限应变量的应变，在卸载时应变可自动恢复的现象。即在母相状态下，由于外加应力的作用，导致应力诱发马氏体相变发生，从而合金表现出不同于普通材料的力学行为，它的弹性极限远远大于普通材料，并且不再遵守虎克定律。和形状记忆特性相比，超弹性没有热参与。

记忆合金除具有独特的形状记忆功能外，还具有耐磨损、抗腐蚀、高阻尼和超弹性等优异特点。抗腐蚀性能：有研究表明镍钛丝的抗腐蚀性能与不锈钢丝相仿。

3.抗毒性

镍钛形状记忆合金特殊的化学组成，即这是一种镍钛等原子合金，含约50%的镍，而已知镍有致癌和促癌作用。一般情况情况下，表面层钛氧化充当了一种屏障，使Ni-Ti合金具有良好的生物相容性。表面层的TiXOy和TixNiOy能抑制Ni的释放。

四、利用镍钛合金复合材料设计制造恒温节水器的应用

下面简单介绍利用镍钛合金复合材料设计制造恒温节水器的应用。

现在市场上90%的热水冷水混合阀芯均采用的感温包工艺：即阀芯的感温原理是利用铜屑和石蜡混合后，经过高温高压工艺进行密封成型，作为感温元件，当水温升高后，感温包受热膨胀，推动阀芯位移，减小出水流量，以便达到控制水温的目的，由于材料成本低廉，易形成大规模生产。但是，由于感温包是高压密封的，阀芯长期工作状态下，由于水温，腐蚀等因素的影响，易产生泄露，开裂，导致感温包失效。容易引起烫伤等危险情况的发生。

近年来，日本TOTO 公司研发制造出高端的利用镍钛复核感温材料制成的恒温弹簧阀芯。其原理就是利用镍钛合金记忆弹簧的线性记忆温度特性，根据温度的变化，引起弹簧的位移变化，从而改变发新的位移量，达到控制出水温度的目的，由于镍钛合金材料具有抗疲劳寿命强大，耐腐蚀，等优点，其可靠性大大提高。目前在欧美市场上，恒温水龙头及混合期已大量使用。据报道，节水效率可提高20%以上。

鉴于以上分析，本人有幸参与研制了国内第一家恒温阀芯的设计及制造。

由于镍钛合金材料的复杂性，金相组织复杂，我们与日本著名的古河公司进行了合作，该公司处于镍钛合金研究领域世界前列，其产品在全世界占有率到达70%。

首先我们根据我国现有市场的要求，特别是针对不同地区的环境，水温，水压，水质的不同，设定阀芯对水温的设定，给出镍钛复核材料的温度曲线要求，协同古河公司提供复核规定的具有线性特性的恒温弹簧。

同时，我们参照同类国外产品，重新设计阀芯，同类产品，日本等国家采用的是复核工程塑料，由于我国目前还没有成熟的配套产品机加工设备，我们改变为加工性能好切稳定的黄铜。根据水道的的要求用计算机辅助设计出结构图。

样机装配好后，对产品进行了模拟实验，为此，專门研制了一台综合测试仪，可以在较短的时间内对进水，出水温度，压力，时间，进行了实验。实验初期，发现有个别温度过高等现象，经过小批量样机从新对此实验对比，对日本提供的弹性元件从新进行了标定，剔除了不符合要求的弹簧，确定达到线性要求。

我们随后积极将样机送往国内知名企业，海尔，美的进行了可靠性实验，反复使用次数抗疲劳达到了30000次的国内最好记录。获得了一致好评。

目前已研制出8各大类，共20个规格的不同产品，由于使用寿命常，恒温设定，反应灵敏，特别对老人小孩的保护（防止烫伤）具有明显的优势，节水效果明显。阀芯已于国内知名品牌企业配套，出口德国一，意大利等国家。

我国是一个缺水大国，恒温阀芯即期节水功效越来越达到社会的认可，希望国家加强在此领域的扶持，特别是在材料研究方面的重视，相信在不远的将来，必将得到更加广泛的认可。

（作者单位：陕西省煤炭物资供应公司）