形状记忆合金及其应用

董天宇

（成都市第七中学高新校区，四川 成都 610000）

目前记忆合金由于其特殊的形状记忆特性受到了科学家和广大人民群众的关注。20世纪在一次美国海军兵器研究所例会上，偶然地发现了镍钛合金的形状记忆效应，通过科学家的深入研究发现了数十种具备这种效应的合金材料，从此以后记忆合金应用于航天航空，生物医学，土木工程等各个领域。它还被誉为“活的材料”，由于其巨大的发展潜力，因此本文对形状记忆合金做一定的探讨。

1 形状记忆合金的原理和特性

形状记忆效应是指在低温状态下对合金施加外力导致其发生塑性变形，通过加热到达一定温度后（As），合金会恢复到原来高温状态下的形状，我们把这种效应称之为形状记忆效应。形状记忆效应是由于合金在高低温转变时发生了两次相变，先由奥氏体（母相）转变为马氏体相，再由马氏体相逆变为奥氏体。

形状记忆合金进行热加工和冷加工均可，其热加工成型性好且本身也容易焊接。它还具有抗腐蚀性，抗疲劳性，高比强度，耐磨性等诸多优良特点。

形状记忆合金的特性主要分为四类

（1）单程记忆效应：奥氏体到达马氏体转变温度Ms时发生相变转化为马氏体，马氏体到达奥氏体转变温度As时发生相变转化为奥氏体，在马氏体转化为奥氏体的逆变过程中会恢复到奥氏体相的原有形状，这种效应只能记忆高温相的形状。

（2）双程记忆效应：双程记忆效应是由于在马氏体相情况下，施加外力使合金发生形变产生了位错和一些不可逆的塑性形变，在加热时，马氏体相中可逆部分逆变为奥氏体相，恢复到高温相的形状，冷却时，在位错的影响下，形成一定的马氏体，恢复到低温相的形状，这种效应被称为双程记忆效应，既可记忆高温相的形状，又可记忆低温相的形状。

（3）全程记忆效应：全程记忆效应在加热时与单程记忆类似，但在冷却时时，其恢复的形状与原有形状相同，但取向相反。

（4）超弹性效应：对于形状记忆合金，温度和应力都能引起合金内部发生相变，在较低温度下，对合金施加载荷后，合金发生形变，卸载后合金由马氏体逆变为奥氏体，恢复原始形状。

2 形状记忆合金的分类及其性能比较

形状记忆合金常常按照基体的种类来分类，主要分为镍钛基，铜基和铁基形状记忆合金。

（1）镍钛基 镍钛合金的主要优点在于疲劳寿命长，具有生物相容性并且机械性能优越，因此这种材料长作为执行机构的记忆材料，也在生物医学方面有很大的应用前景。其中Ni-Ti、Ni-Ti-Cu、Ni-Ti-Fe最为常见。

（2）铜基 铜基相比于镍钛基来说，具有许多优势，首先是价格便宜，其次铜基的制作工艺更加简易，热加工性良好，它的导热导电性相对镍钛基来说更高，在通信工程，机械制造，建筑行业有一定优势。其中典型的有Cu-Zn-Al、Cu-Al-Ni、Cu-Al-Mn。

（3）铁基。铁基形状记忆合金不同于以上两者，其记忆效应是通过应力诱发导致的马氏体正逆变换。铁基价格低廉，强度高，加工塑性好，但形状记忆效应相对较差。对新型铁基记忆合金材料的开发如Fe-Ni-Co-Al-Ta-B，使铁基记忆合金拥有更广泛的应用前景。

3 形状记忆合金的应用

形状记忆合金特性多种多样，因此其应用也较为广泛，以下选取一些典型应用进行详细说明。

（1）镍钛基形状记忆合金制作航天天线。制作天线主要应用它的形状记忆效应的特性，在常温下将天线变形装入运载器中，进入太空环境后，利用太阳辐射或其它热能，将天线加热恢复到最初在地面设定的形状。

（2）管接头。形状记忆合金管接头主要用于石油管道等其他方面，普通焊接操作困难，且密封性较差，而形状记忆合金不仅可以利用形状记忆效应连接管道，操作简易，密封性良好，其本身耐腐蚀性，耐磨性优良，更能胜任这类工作。

（3）火灾报警器。在特定温度下将记忆合金元件设置为一对应形状，当发生火灾时，合金恢复到原状带动其他元件工作并进行火灾报警及定位。这种方法有点在于不需要其他驱动能源供给普通温度传感器工作，稳定性更好。

（4）微型机械手制造。形状记忆合金可以将温度的变化转换为力，在机械手中的作用与人体手臂中肌肉的作用相似，通过控制电流的通断来控制温度变化从而控制合金的伸缩，这种机械手结构更简洁，紧凑，仿真性好，但工作中可能受外界环境温度影响较大。

（5）记忆合金发动机。这种装置对于回收利用低质能源（如冷却水）有较大意义，实验中利用记忆合金链条的不同部位同时置于温水和冷水中，从而产生伸缩力，伸缩力带动其他做功部位进行做功。达到这种低质能源的利用。

（6）牙齿矫正丝。在生物医学领域用到的记忆合金大多为镍钛合金，因为这种合金有无毒低毒性耐蚀性和良好的生物相容性。用为牙齿矫正丝时一般采用超弹性材料，超弹性材料弹性范围很大，又因为其力与材料的弯曲程度并不成线性关系，在弯曲程度有变化的情况下，矫正力也不会发生太大变化，而普通材料，不仅对于医者要求的操作难度较高，而且对于患者的舒适感相比超弹性材料也较差。

（7）消振器。对于一般消振材料当消振效果好时，其强度往往较低，这两者往往无法兼得，而形状记忆合金不仅消振效果好，强度也很高，相比其他材料有着明显优势。

4 形状记忆合金的发展趋势及发展阻碍

近年来记忆合金的研究与应用发展迅速，如镍钛基合金在医学骨科中的应用，对薄膜形状记忆合金的研究以及记忆合金在变厚度机翼上的应用等。但是形状记忆合金的发展道路也并不是一帆风顺下列出几个发展之中的阻碍：①生物医学中常采用镍钛合金，虽然其具有良好的生物相容性和无毒低毒性，但始终无法保证对人体的绝对安全，在治疗安全方面需要进一步研究。②在马氏体的反复正逆转变中会不可避免导致材料损伤，如何降低相变过程中的损伤提高材料的疲劳寿命是一件值得研究的课题。

5 结语

未来人民生活的进步必然与科技的发展紧密相关，而形状记忆合金作为一种新型的有巨大发展前景的功能材料必然会在未来的科学世界中大放异彩。但回到现实，记忆合金的发展仍然任重道远。记忆合金的功能和应用领域还有待我们去发现和挖掘。相信在未来的生活中，记忆合金会使社会得到更大的发展，让人们得到更多的便利。