镍钛形状记忆合金的研究及其应用进展

王本力

形状记忆合金（SMA）是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性变形并固定成另一种形状后，通过加热到某一临界温度以上又可以恢复成初始形状的一类合金。作为集感知與驱动一体的智能材料，形状记忆合金的研究工作受到了来自学术界与工业界的广泛重视。形状记忆合金的相关产品也已经渗透到国民经济的各个领域，如航空航天、机械、电子、能源、交通以及建筑等，并取得了良好的效果。形状记忆与超弹性镍钛（NiTi）合金是目前工程领域应用日益广泛的一类功能金属材料，作为智能结构的敏感元件和驱动器等器件，其应用已经覆盖了机械、电子、汽车、航空航天、矿业、能源、土木工程、核工业等多个领域。

1  研究进展及研发机构

1.1  研究进展

国际上，NiTi形状记忆合金的研究热潮始于1963年，美国海军军械研究室的Buehler等人在NiTi合金中发现了形状记忆效应。早期的研究集中在欧美等发达国家。我国从20世纪70年代后期开始研究形状记忆合金，自“七五”起便列入国家攻关计划。经过近几十年的努力，NiTi形状记忆合金的基础理论研究与材料加工工艺与技术已获得长足发展，在工程应用领域也取得了较大进展。

近年来，NiTi形状记忆合金的基础理论与工程应用取得许多新进展。①镍钛合金多步相变行为研究新成果;②镍钛合金性能预测与调控新方法与理论;③新型NiTi基三元合金，宽滞后NiTiNb合金、高温NiTiHf合金、窄滞后NiTiCu合金工程实际中的新应用;④大量新颖结构NiTi合金，例如NiTi合金薄膜薄带、NiTi合金毛细管、块状纳米晶NiTi合金等;⑤NiTi合金新的制备工艺，例如多孔结构NiTi合金、NiTi合金粉末等。

1.2  主要研究机构

国外从事形状记忆合金研究的单位主要集中在美国、德国、日本等国家，如美国国家航空航天局（NASA）格伦研究中心、德国马普金属所、德国波鸿鲁尔大学、日本筑波大学、日本国立材料科学研究所、比利时鲁汶天主教大学、俄罗斯乌法国立航空技术大学等。国内从事形状记忆合金研究的单位主要有哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、上海交通大学、大连理工大学、北京有色金属研究总院、北京科技大学等。表1总结了目前活跃在形状记忆合金领域的国内外主要研究机构的基本情况。这些科研机构对推进我国记忆合金产业的发展起到了至关重要的作用。

2  应用情况及主要企业

2.1  生物医学领域应用

NiTi形状记忆合金在生物医学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，为其进一步应用提供了巨大的优势及机会。形状记忆合金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。形状记忆合金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年第一个形状记忆合金支架制作成功，迄今已有显著的发展，全球近一半的支架产品是由形状记忆合金制造，并将其应用扩展到人体的其他部位。表2总结了NiTi记忆合金在生物医学领域的主要应用。

2.2  工程领域应用

20世纪70年代初，美国Raychem公司研制了NiTiFe航空用液压管路接头和紧固件，并应用于F14战斗机，成为NiTi合金第一个成功的工业应用案例。至今，在美国各种型号的飞机上已成功使用数百万只，无一失效，现在美国军方已规定记忆合金管接头作为军用液压管路连接的唯一许用系统。之后，研究者根据NiTi记忆合金的特性发展了种类繁多的工程应用产品，应用范围涉及交通、土木建筑、航空航天、能源、机械、电子等众多的领域。

NiTi基记忆合金构件依据其工作原理可以分为3类：一类是利用其应力诱发马氏体相变及其逆相变所诱发的超弹性，用于建筑物的自复位装置、恒弹力结构和均载连接等场合;一类是基于其温度诱发马氏体相变及其逆相变所导致的形状记忆效应，在达到某一特定的温度后，发生形状回复并对外做功，制作各种驱动器与紧固连接件等;最后一类是利用NiTi基记忆合金高阻尼特性，用于土木结构抵御自然灾害的阻尼器等。其中第2类应用最为广泛，应用形式也最为多样。表3总结了NiTi记忆合金在工程领域的主要应用。

2.3  主要企业

随着研究工作的深入，NiTi基形状记忆合金的产品逐渐走向市场，应用范围涉及到航空、航天、机械、电子、化工、能源、建筑等工程、民用和医学领域。形状记忆合金主要企业有新日本制铁、美国冶联科技（ATI）、古河电器工业株式会所、美国TiNi Aerospace和美国TiNi Alloy这几家公司。表4总结了全球NiTi形状记忆合金主要公司的情况。

3  结语

NiTi合金作为综合性能最好的形状记忆与超弹性材料，长期成为形状记忆合金研究中的重中之重。从传统的丝材、板材到新颖结构的薄壁管、薄膜，从传统的微米晶到通过大塑性变形获得的纳米晶和非晶态，从单纯的NiTi二元合金到NiTi基三元和四元合金，NiTi合金的应用探索仍在不断深入。也许从事形状记忆合金应用研究的人员所面临的最大挑战不是发现新的合金，而是考虑如何全面地利用好现有合金。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》提出，支持工业设计中心建设，设立国家工业设计研究院。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出，聚焦提高产业创新力，加快发展研发设计、工业设计等服务业。这为形状记忆合金的应用发展创造了良好的政策环境。包括中国在内的全球由形状记忆与超弹性NiTi合金发展起来的高新技术产业正方兴未艾。Global Industry Analysts，Inc报告显示，2020—2027年，全球形状记忆合金市场规模将从144亿美元增加到310亿美元，年均增长11.6%。其中，NiTi合金市场规模从73亿美元增加到171亿美元，年均增长12.9%;铜基合金市场规模从52亿美元增加到112亿美元，年均增长11.6%;Fe基合金市场规模从19亿美元增加到36亿美元，年均增长9.4%。分区域看，2020—2027年，中国、日本、加拿大、德国市场年均增长率分别达到11.1%、10.4%、9.7%和8.3%，其中，中国市场规模将从26亿美元增加到54亿美元。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.04.008