形状记忆合金的应用现状综述

牛豪杰，林成新

（大连海事大学 船舶与海洋工程学院，辽宁 大连116026）

形状记忆合金（shape memory alloy，SMA）是一种独特的材料，能够在卸载或加热后实现变形并恢复到预定的形状.SMA 最早由Arne Olander 于1932 年发现，在1941 年由Vernon 首次采用“形状记忆”一词进行描述. 直到1962 年William Buehler 和Frederick Wang 揭示了镍钛（Ni-Ti）合金中的形状记忆效应（SME），人们才开始意识到SMA 的重要性[1].随着对SMA 研究的深入，在航空、航天、机械、电子及生物医疗等领域对于SMA 的应用需求不断增加.SMA 发展至今，具有实际应用价值的共有三类：Ni-Ti基、Fe 基和Cu 基记忆合金，其中Ni-Ti 基记忆合金具有形状记忆特性好、金属耐疲劳特性强、金属强度高、生物相容性优异等优点，适合于大多数领域的应用；而Fe 基和Cu 基记忆合金成本较低，但其不稳定性和较差的热机械性能限制了自身的应用，尽管如此，每种材料对于特定的要求或应用场合都有自身的优势[2-11].本文分别从航空航天、汽车、石油工程、土木工程、生物医学五个领域对SMA 的应用进行了综述，并介绍了新型形状记忆合金材料的研究应用.

1 形状记忆合金在航空航天领域的应用

管接头是SMA 最成功的应用之一.SMA 管接头是利用记忆合金的形状记忆效应，在母相状态下机械加工成管接头，接头内径略小于被连接管外径.将管接头冷却至低温马氏体状态，用锥形扩径棒对管接头进行扩径，扩径后管接头内径比被连接管外径稍大[12].管接头的装配方法较简单，如图1 所示[1].最早应用的SMA 管接头是Ni-Ti 记忆合金管接头[13].自20 世纪70 年代中期研制成功以来，在美国各种型号飞机上已成功使用数百万只，至今无一例失效.通常采用的Ni-Ti 记忆合金相变滞后较窄，管接头需存在职在液氮中，给实际应用带来不便[14].为此研制出Ni-Ti-Nb 三元形状记忆合金，其加工成的管接头具有宽滞效应，可以在常温下储存与运输，降低了应用成本，安装时加热到逆相变温度以上即可完成形状恢复，工程应用方便，成为近年来研究的热点[15].

图1 管接头的连接过程[1]Fig.1 Connection process of pipe joint[1]

Fe-Mn-Si 记忆合金管接头具有耐腐蚀性强，加工性能好等优点，特别是材料成本远远低于Ni-Ti记忆合金，但是其合金的可回复应变较低，限制其工程应用[16].为了改善SMA 管接头回复率低的缺点，通过合金成分设计、热机械循环、适当预变形、时效处理等方式提高可回复应变[17].Druker A V[18]对Fe-15Mn-5Si-9Cr-5Ni 进行3.5%的扩径和650℃退火处理，形状回复率可达83%.黄维刚[19]对Fe-C-Mn-Si-Cr-Ni-Ti-Re 进行3.2%预变形处理，形状回复率可达到94%. 程晓敏[20]对预变形量为2%的Fe-20Mn-5Si-5Cr-3Ni 进行3 次热机械训练后，形状回复率可达98%，并且具有良好的耐碱液腐蚀性能.杨军[21]采用快速凝固法细化Fe-Mn-Si 合金晶粒，增加了马氏体形核点，与铸态合金相比，其形状回复率显著提高，最高可提升160%左右.

铆钉连接仍是轻金属合金结构的主要连接形式，结构铆接在飞机装配中广泛应用.SMA 铆钉结构如图2 所示，利用其形状回复的特点，可在铆接件结构紧凑、敞开性不好及操作空间不足的场合实现紧固连接，例如在密闭中空结构件中，普通铆钉连接难以实现，可采用SMA 铆钉解决紧固连接的难题[22].

图2 SMA 铆钉连接过程[22]Fig.2 Connection process of SMA rivet[22]

除此之外，SMA 还被应用于飞机结构和引擎，如机身、机翼、起落架、发动机等结构.波音公司开发了一种带有SMA 执行器的锯齿装置，并安装在GE90-115B 喷气式发动机上，该装置有效的降低了飞机起飞期间的噪音，并增加了巡航效率[23].Sofla 等人[24]对飞机机翼变形技术进行了总结，采用SMA 驱动的弯曲结构形式，设了一种适用于小型飞机的变形机翼结构，能够通过改变机翼剖面，提高空气动力性能.Icardi 和Ferrero[25]利用有限元模拟证明，完全由SMA装置驱动的小型无人机自适应机翼能够承受任何飞行条件下的空气动力压力，并且与传统结构相比，无重量增加或刚度损失.

2 形状记忆合金在汽车领域的应用

在现代车辆中，由于对安全、轻便、高性能的需求，车辆中传感器和执行器的数量正在急剧增加.新型的线驱动技术为SMA 驱动器提供了广阔的应用前景，可逐渐替代车辆应用中的电磁驱动器.汽车中可应用SMA 的部位如表1 所示[26-27].

表1 SMA 在汽车领域中的应用[26-27]Tab.1 Application of SMA in automobile[26-27]

SMA 在汽车领域中的应用多数为传感器和执行器，其机械结构的简单性和紧凑性显著降低了汽车部件的规模、重量和成本，并且与传统的结构相比，SMA 结构具有巨大的性能优势.General Motors 公司自上世纪90 年代就开始研究SMA 的应用，而Chevrolet Corvette 为汽车配备的执行器，可驱动后备箱的通风口，更容易关闭后备箱盖；同时正在研究的应用领域包括：利用余热发电的发电机、用于控制进入发动机舱气流的主动百叶窗、用于减少高速运动下的空气阻力和方便打开车门的自适应把手等[28-32].

3 形状记忆合金在石油工程领域的应用

自20 世纪90 年代，学者们开始探究SMA 在石油行业的应用.封隔器是石油开采和注水驱油增能的井下分层工具，传统的封隔器依赖于橡胶作为密封件，耐高温、耐压及耐腐蚀性能力较差，采用SMA 代替橡胶密封件的新型金属封隔器，是石油工程领域的重要应用之一.安少云等人[33]设计了一种Ni-Ti 记忆合金的封隔器密封件，完成了结构设计并进行了性能试验，结果表明，与传统的橡胶密封件相比，Ni-Ti 记忆合金密封件承压能力高，坐封力大，解封力小，密封效果良好.刘克勇等人[34]对封隔器所用的Ni-Ti 记忆合金进行试验研究，得出获得最佳超弹性的时效工艺为450 ℃下时效处理，最佳超弹性相变窗口温度为40 ℃，应力应变循环次数对合金的超弹性有一定影响，机械循环次数超过20 次后，其超弹性性能趋于稳定.胡玉志等人[35]利用Ni-Ti 记忆合金设计了一种大通径金属封隔器，经试验测定，其耐温高于150 ℃，耐压超过35 MPa，适用于深层油气分层开采.

SMA 被应用于油田抽油管堵漏和其他深孔管道堵漏中. 内补口技术是以SMA 为骨架，表面依次涂有防腐涂层和粘合剂.焊接连接管后，将压缩变形的骨架送至焊口内表面，受焊接余热或管外加热的影响，骨架膨胀恢复，并产生较大的膨胀力，将防腐层牢固地粘贴在钢管内壁上，该技术可与焊接施工同时进行，不会对常规的焊接工艺造成影响.中东的一些油田多采用Cu 基记忆合金热胀套，特别是油温100 ℃、压力7 MPa 的酸性、腐蚀性油气田[36].国内内补口技术多研究Fe 基记忆合金的相关应用[37].

于洋等人[38]设计了一种新型钻井堵漏系统，该系统由电加热装置、SMA、分离螺栓、菱形弹簧网和水龙带等组成，利用分离螺栓将菱形弹簧网径向压缩到钻杆上，当钻杆下到漏失层时，启动电加热装置，使SMA 变形将分离螺栓拉断，菱形弹簧网张开，将水龙带张紧到漏失井壁上，实现堵漏.

4 形状记忆合金在土木工程领域的应用

SMA 的抗疲劳性能好，容易与混凝土、钢等结构材料相结合，在结构的变形控制与振动控制方面具有广泛的应用.Watanabe 等人[39]利用直径为1 mm 的Fe-27Mn-6Si-5Cr-0.05C 记忆合金丝材对石膏棱柱体试件进行加固，在室温下对SMA 丝进行拉伸预应变，应变量分别为1%、2%、3%，之后将其嵌入石膏基体中，对试样加热至250 ℃，在基体中产生了压应力；对试件进行弯曲试验和拉拔试验测试其力学性能，结果表明，SMA 丝能提高石膏的断裂韧性，试件的抗弯强度随SMA 丝的预应变水平的增高而提升.Sawaguchi 等人[40]采用Fe-28Mn-6Si-5Cr-1NbC 记忆合金加固小型砂浆棱柱，在高压釜中进行高温固化，结果表明，Fe 基SMA 能有效地在砂浆中产生预应力，与非加固试件相比，SMA 加固试件的抗弯强度显著提高；同时，他们还提出可通过降低马氏体逆向转变温度来实现进一步的强化，避免对砂浆基体造成过大的热损伤.李双蓓等人[41]为探讨SMA 对钢筋混凝土梁裂缝的修复效果，研究了SMA 丝在不同直径、根数和初始应变各种参数组合下，对钢筋混凝土梁的变形控制及裂缝修复的影响规律，结果表明，增大SMA 丝的直径、增加根数以及提高初始应变均能增强其对梁裂缝的修复效果，并且增大直径是一种更为有效的提高混凝土梁裂缝控制率的措施.庄鹏等人[42]建立了可用于常规有限元分析的大尺寸超弹性SMA 螺旋弹簧恢复力模型，大尺寸SMA 螺旋弹簧适用于具有自复位功能的工程结构振动控制器件；建立的SMA 螺旋弹簧恢复力模型具有较好的适用性和可靠性.周博等人[43]基于SMA 螺旋弹簧的宏观试验现象，推导建立了描述SMA 螺旋弹簧的轴向变形和轴向外力之间关系的力学模型，可为相关结构设计提供理论基础.

Sawaguchi 等人[44]研究的Fe-28Mn-6Si-5Cr-0.5NbC SMA 在0.1%以上的大应变振幅区具有显著的阻尼能力，且随着应变振幅的增加而增加，可作为良好的减震材料应用于土木工程结构中. Hedayati等人[45]对开发的Fe-Ni-Co-Al-Ta-B SMA 轴承进行了有限元模拟，结果表明，该合金具有较高的超弹性应变范围和较低的奥氏体转变结束温度.郑晓蒙等人[46]设计了一种单拉式SMA 阻尼器，对框架结构的模型进行地震作用下的有限元分析，结果表明，SMA阻尼器用于框架结构具有良好的减震效果.刘海卿等人[47]利用SMA 的超弹性和阻尼特性设计了一种SMA 阻尼器，建立了力学分析模型，采用结构动力学有限元分析方法，建立了应用SMA 阻尼器的框架结构模型，对其进行地震时程分析，结果表明，SMA 阻尼器能有效减小主-子结构的位移、加速度响应，提高了结构的安全性和舒适性，具有很好的减震效果.

5 形状记忆合金在生物医学领域中的应用

SMA 在生物医疗应用中表现出优异的性能，如高耐腐蚀性，生物相容性，非磁性，可以复制人体组织和骨骼的独特能力，以及可以在人体温度下做出反应和改变等.在复杂医疗和外科手术中，常需要精确可靠的微型仪器来实现精准定位，为SMA 的进一步应用提供了巨大的优势及机会.SMA 在生物医学领域的应用如表2 所示[48-51].

表2 SMA 在生物医学领域的应用[48-51]Tab.2 Application of SMA in biomedical field[48-51]

SMA 的超弹性特性与人体骨骼和肌腱的应力应变特性相适应，使其成为一种良好的材料，用以解决支架手术中遇到的难题.SMA 的超弹性滞回特性可以在正常生理活动中提供径向阻力，并在恢复过程中对血管施加较小的外力，是支架应用的理想选择.自从1983 年第一个SMA 支架制作成功，迄今已有显著的发展，全球近一半的支架产品是由SMA 制造，并将其应用扩展到人体的其他部位[52].

Kim 等人[53]提出了一种由Ni-Ti 记忆合金螺旋弹簧制成的微型肌肉纤维，可实现自身的变形和运动.Shiraishi 等人[54]开发了一种人工心肌，由纳米共价型SMA 纤维和并联式心肌辅助装置组成，研究得出，这种系统可能应用于劳累性心脏病患者，以及在紧急情况下进行心脏按压.Pfeifer 等人[55]开发了一种由Ni-Ti 记忆合金制成的固定板，通过非接触式热感应改变其刚度，可以帮助骨骼更快愈合.

6 新型形状记忆合金的研究应用

由于普通的SMA 存在着一定的局限性，如制造成本高、较低的相变温度及有限的工作温度等，各种新型的SMA 材料应运而生，如高温SMA、磁性SMA以及SMA 薄膜等.Alexandrakis 等人[56]采用共溅射法制备了Ni-Mn-Ga-（Fe-Co-Cu）薄膜形式的高温铁磁SMA，并采用高通量筛选技术对其进行了表征，结果表明，马氏体相变温度和马氏体晶格四方比对掺杂成分的弱依赖性及其不规则变化归因于合金元素Fe、Co、Cu 的竞争影响.Badhirappan[57]采用单靶共溅射的方法制备了Ni-Ti SMA 薄膜，并在400～700 ℃真空下退火，研究了热处理温度对Ni-Ti SMA 薄膜特性的影响，为Ni-Ti SMA 薄膜在微驱动器中的应用提供了理论依据.Meng 等人[58]研究了Ti-Nb SMA薄膜在不同热处理条件下的组织和形状记忆行为，研究发现，β 相基体中的ω 相抑制了薄膜的马氏体相变，沉淀态和大部分退火态薄膜由β 和双相组成，退火后的SMA 薄膜在马氏体逆转变温度以上变形时表现出良好的超弹性，当预应变为4%时，可获得3.5%的可恢复应变，可应用于生物医学领域的新型微驱动器.

7 结 论

随着对SMA 研究的不断深入，其应用范围也日益广泛.尽管SMA 的相关工艺和制造技术取得了长足的进步，但是受限于SMA 特定的工作温度以及较高的成本，整体应用率依然较低.对于SMA 的研究，需继续开发新型的SMA 材料或改善工艺以提高SMA 的性能，将SMA 的功能特性与其他结构材料的特性相结合，以及开发新的应用市场，SMA 的未来充满了潜力.