形状记忆合金

陈钊　徐淑琼

【摘 要】形状记忆合金是一种新型的智能材料，其特性为在特定温度下可以恢复原始形态，一般而言这种特性的发生环境为高温，其所具有的超弹性效应、高电阻特性、在不同的温度下具有的弹性模量可变性和自我恢复功能是一般金属材料不能实现的。基于这样的优良特性，这类金属材料被广泛应用于数字自控、机器人、机械工程、汽车、航天航空、生物医学等领域。

【关键词】形状记忆合金;优良特性;应用

中图分类号： TQ324文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）13-0025-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.011

Shape Memory Alloy

CHEN Zhao XU Shu-qiong

（School of Mechanical and Vehicle Engineering，Linyi Shandong，China）

【Abstract】Shape memory alloy （SMA） is a new type of smart material. Its characteristic is that it can restore the original shape at a specific temperature. Generally speaking， the environment of this characteristic is high temperature. Its superelastic effect， high resistance， elastic modulus variability and self-recovery function at different temperatures are not realized by ordinary metal materials. Based on such excellent characteristics， this kind of metal material is widely used in digital automatic control， robotics， mechanical engineering， automotive， aerospace， biomedical and other fields.

【Key words】Shape memory alloy; Excellent characteristics; Application

1 形狀记忆合金的概况

1.1 形状记忆合金发展史

上世纪三十年代初，瑞典学者奥兰德第一次发现了一种特殊的金镉合金出现了前所未有的“记忆”特性，引起了他极大的兴趣，但由于当时的科学设备条件以及技术使得该发现未能得到重视;1938年，哈佛大学研究人员在铜锌合金中发现热弹性效应，仍未得到重视;1952年，Chang以及Read等人也发现金与镉按一定比例混合出的材料也具有一定的恢复形变的能力，并且在后续的实验中发现有些特殊的铜锌合金也有差不多的性质。时至上世纪六十年代初，美国海军机械研究所通过对镍与钛的混合材料研究发现其可以一定程度记忆原始形状并引起了材料科学界和工业界的极大重视。六十年代末，这种合金的特性第一次被运用到了工业之中，并且效果良好;1969年7月20日，美国将镍-钛形状记忆合金材料制成天线带上月球，推动了形状记忆合金在航空航天领域的发展;我国于上世纪80年代开始研制，虽然起步较晚，但截止到现在已经形成镍钛基、铜基及铁基的该类材料，并取得了初步的成就。随着科学技术的不断创新，这种类型的合金在材料领域地位也不断上升，科研人员的努力探索也使得形状记忆合金的发展更具有现实意义。

1.2 形状记忆合金的分类

将高温下材料的形变程度作为依据，SMA可以分为三类：单程、双程和全程记忆合金。这三类材料最大的区别就在于，第一种材料的形变在低温产生，在一定高温下恢复;第二种材料则是在不同温度下恢复为对应温度下的形状;而最后一种材料则是，高温下为一种形态，低温时则会呈现与前者相反的形态。

1.3 形状记忆合金材料的研究现状

迄今为止，人们发现具有形状记忆效应的合金大约有50多种，包括：金基镉合金、银基镉合金、铜基锌合金、金铜锌合金、镍铝合金和钛镍合金等。目前，较为实用正式作为商品生产的只有Ni系和Cu基两大类。

以钛、镍为基础材料形成的合金所具有的形状记忆性质、耐用性与生物相容性，在许多领域都得到了应用并且效果良好，值得一提的是其在微机电系统的表现和其制成的Ti-Ni形状记忆合金薄膜的使用;以碘、镍为基础材料形成的合金价格昂贵且加工困难，相变温度较低，主要应用于专门领域。

铜基合金最常见的有铜锌合金与铜铝合金两个系列，目前有研究证明，铜-锌-铝系列与铜-铝-镍系列的实用意义较为广泛。这种材料相对于Ti-Ni合金而言，具有明显的价格优势，并且容易加工，但由于该种材料疲劳强度较低，晶界容易发生破坏且热稳定性差，所以在反复使用频率不太高，可以满足一般情况的条件下经常使用。

2 形状记忆合金的优良特性及其应用

2.1 形状记忆合金的优良特性

形状记忆合金可以一定程度恢复原始形状，并且具有超弹性、高阻尼性能以及相变超性性能等特性。

2.1.1 形状记忆效应

形状记忆效应主要分为三种：单程、双程和全程记忆效应。其含义为合金材料可以暂时储存其原始形状信息，并在一定条件下令自身还原成奥氏体状态的能力，即合金在高温下形成一定的形状后，在冷却至低温马氏体相变状态后，将其进行塑性变形，然后再加热到高温母相状态时，可以还原为较低温度下最初形状的效应。

2.1.2 超弹性

超弹性（Super Elasticity， SE）指的含义为SMA实际的应变值高于对应的弹性极限应变量，消除应力条件时则还原为最初形态的能力。

2.1.3 高阻尼性能

形状记忆合金具有良好的高阻尼性能，这一特点取决于晶体结构下的马氏体相变效应。在应力作用下，马氏体相下应激发生的多界面互相摩擦产生位置变动而造成的弹性迁移的延迟，导致应变相对于应力影响也有所延迟，这就使得震动能转变成为内能，宏观体现则为减震阻尼。

2.2 形状记忆合金的应用

由于形状记忆合金的特殊记忆功能，其应用领域相当广泛，包括机械、医疗、机器人、航空航天及日常生活用品等多方面，形状合金的应用极大地促进了这些领域的发展。

2.2.1 在机械工程中的应用

形状记忆合金常用作汽车中的线制动器（如：后视镜折叠）、热制动器（如：离合器）、减震垫片以及储能弹簧等使得汽车更具有安全和舒适性的部件。SMA也已经应用到了航空领域，Ni-Ti合金制成的伞形天线彻底解决了普通合金制成的天线占据宇宙飞船庞大体积的问题：在人造卫星发射之前，将天线折叠之后再放入卫星中，待火箭升空把卫星送入预定轨道之后，通过太阳光的照射，天线的温度开始上升，待温度达到40℃左右形状记忆合金制成的天线自然展开，恢复了原始的形状。

2.2.2 在医疗器械方面的应用

临床中用的最普遍的就是Ni-Ti记忆合金，其具有耐磨、耐腐蝕、形状记忆效应和声阻尼等特性。如利用它的形状记忆效应的介入医疗，将各类人体腔内支架进行一定程度的压缩处理，利用微腔的空间将其固定于人体血管等难以触及的部位，支架扩展后，可以在对应部位制造出一个微小的空间。在实际运用过程中这种手段效果显著稳定、操作不繁琐，成本也相对低廉。又如Ni-Ti合金制成的牙齿矫正丝，由于Ni-Ti合金的超弹性，使得其制成的牙齿矫正丝具有弹性模量大、弹性应变大的特点，不仅使得安装更加方便，也增加了患者的舒适感。

2.2.3 在现代机器人中的应用

在计算机控制技术的不断发展与融合趋势下，目前所研发出的机器人具有十分强势的功能，并被赋予了一定的计算功能，被大量运用于各个行业。形状记忆合金制成的人造肌肉、微制动器等器件应用于机器人中，使得机器人具有类似人类的感知，提升了机器人的运动协调性和对位置的感知性能。

2.2.4 在日常生活中的应用

在日常生活领域中，形状记忆合金制作而成空调百叶板，浴室水管水温的控制阀门，暖气片的控温阀门、眼睛框架以及移动电话的天线等已经得到了良好的使用。家庭浴室使用的形状记忆合金制作而成的防烫伤阀保证了使用者的安全，当热水水温达到大约48℃时，形状记忆合金就会发生变形，使得阀门关闭，在水温降到安全温度以后，阀门才会重新打开。Ti-Ni合金具有很好的柔韧性和超弹性，其制成的眼睛框架在鼻梁处和耳部可以使人感到更加的舒适，使得长时间佩戴眼镜也不会感到压迫;而且在高温下，即使镜片发生膨胀变形，该框架也可以依靠其超弹性使得镜片牢牢地固定在镜架上，不会发生脱落。

3 前景展望

形状记忆合金具有超强的智能性和实用性，其已经成为材料领域目前较为热门的项目之一，被世界范围内的学者深入探究。纵观全世界科学家在这一领域的研究进程，我国国内的成果还有较大的进步空间，尤其是其在应用中的几个关键问题还没有最优的处理方案，仍需科研人员的努力探索。但相信在未来，随着科研团队的不断努力，形状记忆合金将会逐渐走入日常的商品化，包括但不局限于汽车、家电、航空航天、机器人、医疗等领域，人们生活中的部分小物品也将会普及形状记忆合金的使用，在极大地方便了人们的生活的同时，也会直接推动形状记忆合金的进一步发展。

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