形状记忆合金的应用及其特性研究进展*

陈一哲，杨雨卓，彭文鹏，王 辉

(1.武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，武汉 430070；2.武汉理工大学 湖北省材料绿色精密成形工程技术研究中心，武汉 430070；3.武汉理工大学 汽车工程学院 武汉 430022；4.华中科技大学 同济医学院附属协和医院心血管内科，武汉 430022)

0 引 言

形状记忆合金是先进工业领域的关键金属智能材料，其特性为在特定温度下可恢复原始形状，其所具有的自感应、超弹性、弹性模量可变等功能是一般金属不具备的。形状记忆合金按合金种类分为Ni-Ti基、Cu基、Fe基3类，除此之外形状记忆复合材料近年来也取得巨大的进步。其中Ni-Ti形状记忆合金起初得益于优越的生物相容性在医学领域取得重大突破后，逐步开始走入大众视野[1]。随着研究人员对形状记忆效应、超弹性效应等合金基础特性认识的不断深入，这种具备独特力学性能的新兴合金引起人们的重视[2]。特别是先进工业领域的技术革新对金属材料的高性能化(高敏感度、功能多样化、结构轻量化)提出了新需求，传统机械结构暴露出功能单一、结构复杂、环境适应性差、机械信号跨系统交流困难等弊端愈发难以满足现阶段的需求，更加激励了Ni-Ti形状记忆合金的迅速发展，在交通运输、航空航天、生物医学等许多领域正在得到日益广泛的应用[3]。

为了推动我国智能制造事业的发展，响应国家重大战略需求，打破传统结构材料和功能材料之间的鸿沟，解决传统机械连接和传动过程中存在稳定性差、环境适应性差等问题，进行以形状记忆合金为代表的金属智能材料的研究和应用势在必行[4]。2020年我国自主研发 “天问一号”火星探测卫星，采用了基于形状记忆复合材料的卫星多级展开机构，解决了低温、高辐射等极端恶劣环境条件下长时间稳定服役的世界难题[5]。形状记忆合金(若没有特殊说明本文形状记忆合金指的是Ni-Ti形状记忆合金)由于自身独特的性能，决定其在不同领域的应用均围绕相似的合金特性展开研究，主要应用如表1所示。

表1 形状记忆合金在不同领域的应用及其应用特性

不难发现，形状记忆合金在不同领域的应用特征互有交叉，这表明其在不同领域取得的研究进展之间具有一定的参考价值。然而现存关于形状记忆合金应用前沿的综述不够全面，往往仅针对某一特定领域展开讨论；同时形状记忆合金技术发展日新月异，更加凸显了对其最新进展进行综述的必要性。在此情况下，迫切需要对其多领域应用展开分析以促进学科交叉与融合，推动形成完整知识体系。

本文在总结的文献基础上，重点分析形状记忆合金应用较为广泛的汽车领域、航空航天领域、医疗领域、建筑领域的应用前沿，阐述形状记忆合金的主要特征和研究进展，对形状记忆合金在未来发展过程中所面临的机遇和挑战进行了展望，有望为高性能形状记忆合金的研发提供新思路。

1 形状记忆合金的应用现状

1.1 汽车领域的应用

形状记忆合金具备形状记忆效应、超弹性、耐磨性和高阻尼等优异的力学性能，将形状记忆合金作为缓冲吸能材料应用于汽车安全领域,可有效地提高汽车碰撞吸能保护效果；同时随着电传线控驾驶技术的出现，对控制汽车的传感器和执行器要求也更加苛刻，目前可用形状记忆合金制作的执行器用来取代已使用多年的电磁执行器[6]。这为形状记忆合金的应用和发展提供了巨大商机，现阶段的应用集中在汽车的非接触式控制器以及被动安全装置。

1.1.1 汽车控制领域

车辆中以热量的形式损失在冷却系统的能量占到总能量的一半以上[7]。因此，减少冷却系统的能耗是提高整车效率的重要途径。Suman[8]等设计了一种嵌入式形状记忆合金控制元件，附着在汽车冷却风扇的叶片上迫使其随记忆合金同步变形，如图1所示。该控制元件利用合金的形状记忆效应，赋予风扇叶片“感知”冷却系统内部温度以及控制自身形状调节输出功率的功能。风洞模拟实验和流体力学计算结果表明，该控制装置作用下产生的叶片变形能够显著提升了风扇的叶片性能，降低约8%的能量损耗。

图1 形状记忆合金控制的冷却风扇叶片示意图[8]

另一方面，风扇长时间运行会带来的能量消耗以及冷却过度问题，因此需要在电动机与冷却风扇之间加装离合器。然而传统硅油式离合器存在高温输出传递效果差、内部硅油高温环境下易变质以及不可变式冷却强度的弊端[9]。高攀等人提出一种形状记忆合金智能风扇离合器，工作原理如图2所示。该离合器内部采用外加磁场可控的磁流变液(MFR)作为传动介质，形状记忆合金开关“感知”时实水温并驱动调节励磁线圈中的电流，自动连续的控制风扇对外输出转矩[10]。其结构简单，有效改善发动机热状况的同时降低能耗，助力汽车节能减排技术的发展。

图2 形状记忆合金风扇离合器工作原理[10]

形状记忆合金汽车控制元件的开发，一定程度上满足了现代车辆对安全、舒适的新需求。张明轩[11]提出了一种基于形状记忆合金的内短路触发控制法，大幅度的增高了汽车动力电池内短路的识别效率，有效的解决了日益凸显的锂电池短路自燃的安全问题。第七代雪佛兰克尔维特(Chevrolet Corvette)首次在舱口采用形状记忆合金执行器替代传统电动执行器，如图3所示，利用其形状记忆效应控制舱门通风口的开度，旨在让后备箱自发释放空气，降低后备箱盖的关闭力度，丰富日常驾驶体验[12]。

图3 舱口位置以及形状记忆合金执行器[12]

除此之外，形状记忆合金还被应用在汽车水冷系统和润滑系统的控制阀驱动元件中。Cimpoesu[13]等基于Cu-Zn-Al形状记忆合金热敏性原理，设计出一款汽车恒温控制阀。在预设的温度阈值范围内，控制水在冷却循环系统中流经的路径，实现对水温的有效控制，避免汽车发动机出现过冷、过热的情况。梅赛德斯A级的无级变速器也基于相同的原理，在油阀中采用形状记忆弹簧使之具备致动功能，非接触式改变润滑油的流动途径，确保同步器与齿轮在不同工况下，始终保持较理想的接触状态[14]。

1.1.2 汽车缓冲抑振领域

随着铝合金与新型复合板材等轻量化材料取代汽车传统材料，有效地降低了整车的质量，但不可避免的面临因铝合金自身刚度不足所导致的车身噪声问题。邱晟桐[15]等开发了一种基于形状记忆合金热敏性的车身薄壁结构，通过专属的温控设备调节合金的恢复应力，进而改变车身结构所处的应力状态，从而调整车身的固有频率来避免与外界的激励产生共振，抑制噪声的来源。在振动对比实验中，采用车身薄壁结构组的振幅显著降低，且振动持续时间下降近50%，效能提升近一倍，为目前轻量化材料普遍刚度不足所带来的车身噪声问题提供了一种合理解决方案。

当下传统吸能装置正面临着提升吸能性能将导致材料质量增大，与汽车轻量化原则背道而驰的窘境。研究发现，形状记忆合金应力应变响应过程中存在大滞后和强非线性规律，利用该性质能在维持合金自身结构稳定的前提下将大量机械能转变为热能耗散。吴志鹏等[16]开发了一种新型形状记忆合金多级吸能盒。将功重比高、刚度小以及吸能量大的形状记忆合金丝作为一级吸能装置，充分吸收碰撞的能量，降低最大冲击载荷保障驾驶人的安全；在事后维修过程中基于形状记忆效应仅通过加热便可恢复初始状态，大幅降低了维护成本。此外，形状记忆合金作为汽车缓冲吸能材料的可行性在汽车安全带、保险杠等其他被动安全技术上也得到了验证[17]。

NASA近年提出一种“超弹性”轮胎，如图4所示。与上述应用的不同点在于，这是形状记忆合金作为汽车关键承载结构的一次探索，将超弹性形状记忆合金丝编制成汽车轮胎，能够保证车轮运行中不会出现漏气爆胎现象，以及经历复杂路况产生的变形可自行恢复[18]。因此，这种轮胎在航空探测车、军用越野车等诸多特殊作业车辆上有较高的实用价值。

图4 形状记忆合金轮胎[18]

1.2 航空航天领域的应用

自1969年，形状记忆合金在F-16战机的管接头应用中取得重大的突破后，人们开始受到启发，在航空航天领域可利用形状记忆合金的形状记忆效应、质量轻等特点，在航空飞机空间机构的铰接和液压管路的连接中缩小产品体积和质量，提高连接效能和稳定性，以达到便于运输的目的[19]。

1.2.1 空间展开机构

近几年来，一类在形状记忆合金基础上开发而来的形状记忆复合材料，具有高固定率、质量轻、转变温度可调节、变形能力强等独特优势。用其制作的空间展开机构在不借助电机机构、机械臂等复杂驱动机构的情况下，依靠材料自身形状记忆特性作为驱动源，满足空间机构(太阳能电池板、卫星基板、天线)展开需求，实现机械装置难以完成的功能，成为航空航天领域的研究焦点。

王亚飞[20]设计出一种基于形状记忆聚合物复合材料的智能锁紧释放铰链，通过加热装置控制形状记忆复合材料的温度来实现铰链的展开和弯曲。其结构简单，控制系统可靠，使空间可展开天线结构实现自锁，自适应成为一种可能，为形状记忆复合材料在航空航天主动变形构件领域应用打下一定的基础。Lan[21]等重新优化了形状记忆聚合物复合材料层合板的几何尺寸，并提出了一种新的加热方式制备了驱动半个太阳能电池板展开的铰链，图5为该铰链展开形变过程。该铰链实现了轻量化，减少机械部件数量，可靠性更高，有望取代传统金属铰链。但相较传统金属铰链，该铰链存在刚度和输出力矩较小的不足，因此仅适用于小型展开机构。对此，Chen[22]等设计了一种新型空间可展开装置，利用4个外置的复合弹簧带提升了形状记忆聚合物复合材料展开铰链绕X轴抗弯刚度和输出转矩。试验表明，该装置是目前此类展开铰链中输出转矩最大的一款，绕X轴抗弯刚度可达5 000 N·m2，在10次工作循环试验内，形状回复率在99.99%以上。既能保证一定的承载量，同时具有较出色的驱动效果，体现出形状记忆复合材料在该领域的巨大应用潜力。

图5 形状记忆聚合物铰链驱动太阳能板展开[21]

考虑到空间多方位成像系统和自动夹持装置对复杂展开路径的需求以及进一步提高空间展开机构的承载能力。Liu[23]等设计了一种碳纤维增强形状记忆复合材料多级展开杆，铰链处是由上下俩部分对称的形状记忆复合材料弧形层压板构成。通过加热不同铰链位置，可实现展开路径多样化。该杆在不同温度下的弯曲试验结果表明，相较形状记忆复合材料铰链，前者在不同温度下刚度均有显著的提升，且可随温度而改变。最快仅需60 s便可从从0°恢复到180°，质量轻刚度大，杆身一体化使其在实际的应用中更加可靠和稳定，适应于大型空间结构的展开。

哈尔滨工业大学冷劲松教授团队自主研发了一款形状记忆聚合物卫星展开基板，如图6所示。当基板的温度达到或超过玻璃化转变温度后，基板会从收拢状态(Ω型)自发变形为展开状态(-型)。通过地面和地球近地轨道一系列试验后得出，即使该基板长期处于高紫外线的环境当中，仍可保证稳定的展开性能[24]。这是国际上首次在轨道卫星上应用形状记忆聚合物，其具有结构简单、无复杂传动装置、不会出现无法展开或卡死等故障、效能稳定等显著优势。这标志着我国在形状记忆复合材料的应用技术处于世界领先地位，正在积极响应国家重大战略需求，未来大有可为[25]。

图6 形状记忆聚合物卫星展开基板工作示意图[24]

1.2.2 关键管道连接

管接头是保证飞机液压管道安全连接、顺利服役的关键零部，是飞机中最为重要的紧固件之一，采用形状记忆合金制备飞机管道接头技术较为成熟，累计投入使用上百万件，从未有一件在实际应用中失效[26]。接头连接过程如图7所示，在形状记忆合金连接管处于高温奥氏体相时，加工出内径略小于连接管的外径的接头，当接头处于低温马氏体相时，机械加工扩径后将连接管和接头配合，随后升温至完全相变后，可实现二者在极限环境下的“过盈配合”。

图7 飞机液压管道形状记忆合金管接头连接过程示意图[26]

传统Ni-Ti形状记忆合金管接头现已被Ni-Ti-Nb三元形状记忆合金管接头取代。相较而言，后者的相变温域更宽，不需要在液氮中保存，运输成本大幅下降成为近年国内外研究的重点。

随着计算机技术的不断成熟，计算器模拟迅速成为一种高效、直观探索材料组织和力学性能的方式。陈强[27]在对Ni-Ti-Nb形状记忆管接头进行数值模拟分析中发现，随着温度的上升管接头的径向应力出现先上升后下降的现象；此外径向应力表现出随内筋高度增大而升高的趋势，推测这可能与管接头的塑性变形有关。Chen[28]等对此进行了探索，首次考虑了Ni-Ti-Nb管接头塑性变形和相变耦合效应对服役的影响，构建新3D模型进行有限元分析。分析结果表明，在加载的时，相变应变、塑性应变均和预变形大小成正相关；在卸载时，von-mises应力呈下降趋势，相变应变无明显变化；在正常服役条件下，环境温度变化带来的影响可忽略不计。此外，疲劳寿命同样是航空管接头绕不开的话题，它直接决定了飞机液压系统能否可靠工作。李有堂[29]等对Ni-Ti-Nb形状记忆管接头有限元模型进行振动分析后得出，理论上在80 000 h的工作寿命内，可以保证管接头不会出现疲劳破坏的情况，这一研究成果为后续Ni-Ti-Nb管接头的开发奠定理论基础。

结构强度对形状记忆管接头的形状记忆效应有一定的影响。Sun[30]等通过射线衍射和电子背散射方式测量Ni-Ti-Nb管接头的微观结构和晶体分布函数，实验结果表明，形状记忆效应与结构强度呈正相关趋势；在一定的结构强度下，形状记忆效应对膨胀方向体现出依赖性。他的研究为提高管接头的形状记忆效应指明了方向。

1.3 医疗领域的应用

形状记忆合金优越的反复使用稳定性、耐腐蚀性、生物体的适应性、超弹性以及低杨氏模量等特性，为许多医学难题提供了新的解决方案，因此形状记忆合金是整个医学领域的重要研究对象[31]。目前其在医学领域应用相对成熟，应用主要包括形状记忆合金血管和输尿管支架的构建、微创介入产品以及骨科治疗材料(包括各类骨环抱器、腕关节治疗器)等方面。

1.3.1 形状记忆合金血管支架

血管支架的目的是保持管腔血流通畅，在血管病变段置入内支架以达到支撑狭窄闭塞段血管，减少血管弹性回缩及再塑形，预防再狭窄的作用。形状记忆合金制作的支架可以无需球囊扩张，植入过程对血管壁的冲击小[32]。如图8所示，支架在植入血管内壁后，可随周围温度的升高而自扩张，大大降低了其对血管的刺激与术后再狭窄率；具有较高的血管顺应性,在迂曲的血管中仍表现出良好的柔韧性和径向支撑力，是一种不可多得的优秀支架材料。

图8 形状记忆合金血管支架及其应用示意[35]

计算机仿真技术的不断发展对形状记忆合金支架安全性设计起到积极的辅助作用。李治国[33]等采用有限元分析法，模拟了自扩张形状记忆合金支架植入心血管内形状变化过程，分析几类可能导致失效的应力情况后得出，该支架的平均动态安全系数大于1，安全性能良好，理论疲劳寿命可达10年以上，满足临床应用需求。Wang[34]等应用仿真软件ANSYS,探究了不同几何参数对形状记忆合金支架力学性能的影响。分析结果表明，折叠半径=0.8 mm时支架的径向支撑力最大；丝径与径向支撑力呈正相关趋势，但头数和高度与之呈负相关趋势；同时调整支架参数对径向支撑力的影响大于最大应力的影响。

激光雕刻法是目前形状记忆合金支架的主流制造方式，此法制造的支架受限于挤压管材较大的尺寸，无法满足脑血管领域对细小且结构复杂支架的需求。对此，姚润华[35]提出一种激光微连接法，采用激光脉冲(Nd:YAG)实现形状记忆合金丝接头的优质焊接，接头表面光滑。在金相组织实验中可观察到，接头处母材组织均为等轴晶体，无明显缺陷，柔性良好，满足脑血管对介入支架精细化的要求。

研究发现，柔性的形状记忆支架普遍存在硬度不足的弊端[33,36]。为了解决这一问题，Haehnel[36]提出一种新型的工艺方法通过独特的编制工艺，将形状记忆合金丝以及硬度较高的金属材料丝编织在一起，以获得较高的硬度，弥补柔性支架硬度不足的缺点。

值得一提的是相较于可降解聚合物血管支架，形状记忆合金血管支架在血管顺应、生物相容性方面表现出独特的优势，不受体内降解速度的约束，但关于支架是否具有生物毒性一直存在争议[37]。形状记忆合金中Ni元素的含量近50%，Ni离子体内溶出存在致癌和过敏的潜在风险，这导致形状记忆合金支架长期植入体内的安全可靠性大打折扣[38]。另一方面，Kim[39]等采用电解抛光法对形状记忆合金支架进行表面处理，研究发现40 V电解抛光10 s的支架耐腐蚀性以及表面质量最佳，可观察到其表面形成一层致密的TiO2氧化层，这层可自我修复的屏障有效地阻碍Ni离子的交换，这表明通过合理的表明改性是规避风险(Ni离子生物毒性)的有效途径。同时，记忆合金支架的临床应用中发生了多起Ni致敏案例，但并未观察到明显的腐蚀感染和Ni离子生成，这是形状记忆合金在临床医学领域饱受争议的原因。

1.3.2 微创介入领域

微创介入治疗指在影像设备的引导下，通过建立直径数毫米的微小通道，对病灶进行局部手术。封堵器微创植入法是现阶段先天心脏病的主流治疗手段，治疗效果直接取决于封堵器对心室“漏洞”的封闭程度，这要求封堵器材料具备良好的变形能力以及支撑性能。李逸明[40]等研究结果表明形状记忆合金是理想的封堵器腰部盘片柔性编制材料，在编制角度=60°时，具备出色的径向支撑性能(最小径向刚度仅0.99 mN/mm3)以及良好的轴部弯曲形变(最小径向形变仅0.22 mm)。超弹性效应使其在植入过程中表现出优异的形状顺应性，将左右心室或心房间的“漏洞”、主动脉与肺动脉之间的缺损部位完全封闭。但由于该封堵器是金属制成，不可避免的有穿孔感染引起并发症的风险。

冷劲松教授团队近年[41]设计了一种新型可编程形状记忆复合材料封堵器，将具有生物降解性的形状记忆复合材料技术和3D打印技术有机结合。该封堵器可以远程驱动，线性控制其在介入过程中的形状，减少植入过程中疤痕的生成。在其设计的细胞体外实验和小鼠体内实验中，均表现出较好的生物相容性，植入数周后可以观察到明显的降解现象，在未完全降解之前仍能保持良好的支撑性能。这一重大突破说明，形状记忆复合材料在微创介入领域极具发展潜力，有望取代其他传统合金成为新型医用治疗材料。不过，该封堵器的转变温度高于正常体温，存在一定的局限性，这是研究者后期进一步探索优化的地方。

1.3.3 骨科领域

较于传统骨科固定材料存在生物稳定差、易导致畸形愈合的弊端，形状记忆合金中凭借其超弹性效应可放置于骨折固定处，随骨头的愈合自发地调节压力，避免由应力集中引发畸形的风险，同时具备良好的生物相容性，可在一定程度上，降低因固定器材料引发伤口出现交叉感染导致严重并发症的可能性。因此，形状记忆合金成为骨科领域备受关注的新型固定材料[42]。

赵国庆[43]等对形状记忆合金环抱器进行了临床试验，对9位胸骨横断骨折患者采用形状记忆合金环抱器进行固定治疗手术，9位患者手术均顺利完成，术后胸部未出现畸形愈合现象。在术后数周的X射线复查中，形状记忆环抱器相较传统环抱器表现出优异的生物相容性，其治疗的9位患者无一出现因器材导致的过敏和感染恶化，总体上发挥了较理想的治疗效果。

Zhou[44]等设计出一种拱形形状记忆合金接骨器，为治疗手舟骨骨折提供了一种创伤小、操作简单的新方法。该接骨器原理如图9所示，在植入后借助其形状记忆效应的恢复应力，可在骨折处形成稳定的紧固压力来促进骨头的愈合。18例采用该接骨器治疗的舟骨骨折患者术后手腕关节功能恢复良好，疼痛程度明显缓减，平均恢复时间仅为4.2月，治疗效果理想。

图9 拱形形状记忆合金接骨器原理示意[44]

刘小勇[45]在系统的研究人体的脊柱椎体结构和形状记忆合金的特性后，设计出一种用于治疗椎体骨折的形状记忆可扩张固定器。该固定器在干燥体外实验中能够提供稳定的支撑作用，显现出良好的生物力学性能；在椎体骨折体内实验中，该固定器可自行扩张复位，满足预期的空间作用。采用有限元分析法模拟固定器植入后椎体不同运动下的受力情况，模拟结果显示，椎体受力情况几乎不会受到小幅度运动影响，这说明形状记忆可扩张固定器所提供的固定效能稳定。

1.4 建筑领域的应用

随着现代材料技术的飞速发展，更多性能优异的智能材料逐渐投入到现代化建筑行业当中。其中形状记忆合金凭借其超弹性效应、高阻尼性以及弹性模量随温度同步变化的特征，在建筑桥梁减震降噪、耗能阻尼方面有着十分亮眼的表现，是近年建筑领域研究人员的热点课题。

早在20世纪90年代，形状记忆合金力学性能研究者Graesser就曾指出，具有超弹性效应和高阻尼性的形状记忆合金是制作阻尼耗能器的理想材料。A.Yukio等[46]用厚度=5 mm的形状记忆合金板设计出一种形状记忆阻尼装置，研究发现，处于形状记忆阶段的阻尼增强装置能显著降低桥梁结构的地震响应。然而多层框架结构在历经地震后，铰链内部仍会残留一定的相对位移导致结构松动，因此限制相对位移的产生成为建筑隔震的关键。Asgarian[47]设计了一种自定心混合夹套阻尼器，采用两对横向分布的超弹性记忆合金丝分别作为耗能部件和回正部件。数值模拟得到的磁滞曲线表明，记忆合金夹套结构可降低地震激励产生的永久位移以及层间加速度；采用钢制备的轴向部件在一定程度上可以改善阻尼器的回正性能。为了进一步提升阻尼器的阻尼性能与自定心能力，Zhang等[48]提出一种放大型形状记忆合金阻尼器。该装置通过杠杆原理放大系统传递到形状记忆合金丝的形变量，并由摩擦系统调节阻尼器中的摩擦力。在10层钢筋混凝土框架的地震响应实验中，该阻尼器仍能表现出较理想的控制效果。

国内学者对形状记忆合金阻尼器也有一定的研究。孙彤[49]设计了一种具有轴向阻尼和绕轴扭转阻尼功效的多维形状记忆合金阻尼器。研究发现，该阻尼器在拉压和扭转实验中表现出理想的“旗帜形”滞回应变曲线，这证明其在外界冲击载荷作用下，能够在短时间内吸收大量的机械能并快速复位等待下一轮响应。康泽天[50]对形状记忆合金复合梁的力学性能研究后指出，将高阻尼形状记忆合金弹簧和混凝土建材一同用于大型桥梁或建筑上，可以充分发挥形状记忆合金的阻尼耗能作用。这类通过结构消能实现对震动和声控制方式，将显著地提升建筑结构的隔震性能。

形状记忆复合材料也是近年建筑领域的新兴热点课题。相较形状记忆合金，形状记忆复合材料的质量更轻、造价更低廉以及绿色可降解，能满足现代建筑领域对承载结构的特殊需求(裂纹损伤自动闭合、环境友好型、承载性能优异且轻量化)。Xu[51]等注意到传统复合泡沫材料，存在抗冲击能力差、易于生成裂纹的弊端；主流的填补方式(添加大量热塑性颗粒)将导致材料的机械性能显著降低，极大地限制了其在建筑承载结构中的应用。对此，他设计出一种形状记忆复合泡沫材料，利用形状记忆复合材料的形状记忆效应实现裂纹自愈，并通过傅立叶红外光谱和动态力学分析实验证明了这一事实。Challapalli[52]等开发出一种3D-形状记忆复合树脂承载结构。采用3D打印技术增大形状记忆聚合物的局部屈曲强度，提升整体结构的坍塌强度。在基础力学性能实验中测得其在常温下的抗拉强度=62 MPa、弹性模量=1.46 GPa，与目前机械性能最好的商用树脂不相上下,同时还具备无污染降解、形状记忆效应、质量轻等独特优势。

可见，形状记忆合金及其复合材料，在追求建筑材料结构轻量化、先进智能化、功能多样化的潮流下，未来将在建筑领域内发挥更多的价值。

2 形状记忆合金基本特性及研究进展

由上述分析可知，形状记忆合金广泛应用在汽车、航空航天、医疗以及桥梁建筑等多个领域，实现控制手段的多样化、变形调节功能的稳定化、良好的耗能减震效果以及介入治疗的精细化等技术突破，其迅速发展的原因就是记忆合金材料自身优良的特性(形状记忆效应、超弹性、高阻尼性、生物相容性以及弹热效应等)。因此有必要对形状记忆合金特性及其前沿成果进行综述，加深对其特性机理的认识。

2.1 形状记忆效应

形状记忆效应是指形状记忆合金在低温环境下产生的塑性形变，在加热到某一特定温度时，合金产生回复应力迫使其恢复到初始形状的现象。从微观层面上，形状记忆合金是由马氏体相(低温相)和奥氏体相(高温相)组成，二者之间的热弹性相变是产生形状记忆效应的根本原因[53]。相变过程如图10所示，当合金温度降至马氏体相变起始温度(Ms)以下，晶体内部的马氏体开始生长，直至冷却到马氏体相变终止温度(Mf)，奥氏体才完全消失[54]。此时的马氏体相在外荷载的作用下，则发生以滑移和孪生为主的塑性变形，变形后的相称为马氏体变体，其原本的原子结构并未发生破坏[55-56]。当温度再次升高到奥氏体相变起始温度(As)以上，奥氏体数量开始增长，晶体内部发生马氏体逆相变，直至奥氏体相变终止温度(Af)，马氏体变体完全转变为初始的母相(奥氏体)，宏观上表现为塑性形变消失，合金恢复初始形状。正是基于记忆合金这种特殊的属性，在满足基础力学性能(强度、刚度)的前提下，仅通过改变其温度便可实现对其形状的控制。

图10 形状记忆合金的形状记忆效应[54]

按照恢复效果，形状记忆效应分为单程形状记忆效应、双程形状记忆效应和全程形状记忆效应[57]。其中单程形状记忆效应是指形状记忆合金在升温后，恢复为变形前的初始形状，且这种恢复效果仅发生在加热的过程中；双程形状记忆效应的恢复效果作用于整个温度变化过程，当温度下降后，可再次恢复到升温前的形状；全程形状记忆效应则是在温度下降后，逐渐恢复到与冷却状态取向相反的形状。

目前，人们对单程形状记忆效应的认识相对深入，在许多领域的应用中取得一定成效；全程形状记忆效应仅在固溶时效态的记忆合金中出现，实用价值低，故此处对上述二者不作讨论。有趣的是，部分形状记忆合金经过机械加工和特殊热处理后，可实现双程形状记忆效应，但回复应力和应变均会受到不同程度的衰减[58]。尽管如此，双程形状记忆效应不需借助任何其他弹性元件便可恢复低温形状，更好的适应于微机械领域，因此双程形状记忆效应的训练机制一直以来都是国内外研究的焦点。Shelyakov等[59]发现马氏体变形会增大位错密度，有利于在晶体内部形成定向应力场，对双程形状记忆效应的形成具有积极作用。Zhang等[60]指出奥氏体中残余的马氏体是形成双程形状记忆效应的重要因素。他采用Taylor-Ulitovsky法制备出一种Ni-Mn-Sn双程形状记忆效应合金丝，在超弹性训练观察实验中发现，双程形状记忆效应回复应力和应变的数值均与奥氏体中残余马氏体含量呈正相关趋势,其中合金丝的应变数值最高可达11.2%。Yang[61]等提出了一种利用激光冲击印迹技术诱导双程形状记忆效应的方法。该方法集成了感应和成形过程，在微米甚至纳米尺度上诱导出具有高热循环稳定性的双程形状记忆效应,这对于促进热可控表面形貌、微观结构和微驱动器的发展和应用具有重要意义。

2.2 超弹性效应

在某特定温度范围内，形状记忆合金在外荷载的作用下，会产生一定程度的塑性变形，一旦撤去外荷载后，不需要对其进行加热，塑性形变就可以很快消失，形状记忆合金便自发恢复到初始形状，这种宏观现象称为超弹性效应[62]。从微观层面上，如图11所示，此时形状记忆合金所处的环境温度在马氏体逆相变终止温度(Af)之上，受外界应力的诱发，母相(奥氏体相)会转变为另一种新马氏体相(应力诱发马氏体)。因为该马氏体相所处温度高于(Af)，故一旦应力消失后无法稳定存在，随即发生马氏体逆相变，恢复为初始母相。超弹性现象完全取决于上述的热弹性马氏体相变[63]。

图11 形状记忆合金的超弹性效应[54]

在上述加载-卸载的过程中，相界面之间相对滑移存在的滞弹性迁移，导致出现应变明显落后于应力的情况，应力应变曲线最终形成一个封闭图形并出现较大的应力平台。明显区别于传统金属材料的强线性关系,其应力应变规律使得形状记忆合金在受到循环载荷时，保证自身结构稳定，同时可吸收大量的能量，对外表现出良好的吸能缓冲性能[64]。

为了更精准的预测形状记忆合金超弹性的加载路径。Chao等[65]在已有的单晶塑性模型的研究基础上，结合热力学第一定律和热边界效应，首次将相变潜热和非弹性变形中机械耗散产生的内热考虑在内，重新设计了一种新多晶塑性模型。模拟结果表明，考虑内热的多晶塑性模型能够更准确的拟合循环加载下的变形情况，拟合偏差可能源于诸多尚未澄清的微观因素。Wang[66]等在各类本构模型的基础上，尝试从微观的角度模拟超弹性效应，建立有限应变弹性J2流动方程，该方程不需识别任何未知参数，可自动拟合超弹性效应过程中的应力应变曲线，极大的简化了拟合过程，但同样存在拟合精度不足的缺陷。

某些元素会对形状记忆的超弹性行为产生影响。Mallik[67]等发现，在形状记忆合金中添加一定量铝和锰会影响其超弹性效应。其中锰元素对超弹性效应的增强效果显著，铝元素则会在一定程度上削弱超弹性效应。这一发现使得人为调控形状记忆合金的超弹性效应成为一种可能，增强了超弹性效应在实际运用中的灵活性。

2.3 高阻尼性

形状记忆合金是一种高阻尼合金。其宏观表现出的高阻尼性是由于形状记忆合金在马氏体相变中诸如滑移、孪生等位错运动会消耗大量的能量。传统金属材料如低碳钢、铝合金等与3类形状记忆合金的耗散因子数值相比，相差了接近20倍，致使形状记忆合金的阻尼比均显著高于传统金属材料。这意味着用形状记忆合金制造出的机械零件，受外界冲击影响产生的波动会大幅降低，机构工作精度以及工作寿命将会显著提升，在减震降噪领域表现出极大应用前景[68]。

某些外界激励会对形状记忆合金的阻尼性能产生影响。张振华[69]研究发现形状记忆合金的阻尼性受温度与外界激励辐值影响较大。实验数据显示其等效阻尼比在温度由0提升至50时，阻尼比下降到初始的75%；且随着外界激励辐值的增大，阻尼性能先下降后升高，处于马氏体相变中期阻尼性能最好。Ning[70]等发现了电子辐照会改变形状记忆合金内部位错、空位密度进而影响形状记忆的阻尼行为。在辐照实验中，随着辐照强度的增加，形状记忆合金阻尼性能呈先升后降的趋势；峰值处的阻尼性能较不做任何处理提升了37.5%，且在50 ℃到210 ℃的温度范围内均保持较好的阻尼性能。

开发更高、更宽温域的高阻尼记忆合金是拓宽其在实际工程领域应用的有效策略。郑晓航[71]设计出一种Ti70-xTa15Zr15Fex(x=0.3、0.6、1.0)形状记忆合金薄膜材料，填加的铁元素提升了薄膜的塑性和强度，使其在保持较高阻尼的同时能够适应更宽的温度范围，为解决传统形状记忆合金薄膜应用受到相变温度限制的技术困境，提供了一种新的思路。Mathew[72]等设计了一种激光融化的新成型工艺并成功制成了一种层状Ni-Ti形状记忆合金。在后续系列的测试实验中，该方法制备的形状记忆合金能够适应160 ℃的宽温度范围，对外同样表现出优异的阻尼性。

2.4 生物相容性

生物相容性是指材料对被植入生物机体一般无毒性作用、组织炎性感染、致癌反应等。这要求生物相容材料必须具备特殊的机械性能(超弹性、低弹性模量、耐腐蚀、优异的理化性能等)。其中形状记忆合金是外科手术、微创介入等领域备受追捧的生物相容材料，但因其表面溶出的Ni离子可能对机体造成伤害而备受争议[73]。

阻断记忆合金Ni离子的体内释放是上述问题的一个解决策略。夏亚一[74]等人在形状记忆合金表面制备了TiN和类金刚石薄膜，选用对外界刺激最为敏感的骨髓干细胞，系统考察了无镀膜、表面镀TiN和类金刚石薄膜的Ni-Ti合金的细胞毒性。动物试验结果表明，经TiN和类金刚石表面改性后的形状记忆合金，血液、细胞以及组织相容性均有所提升，关键在于阻碍了Ni离子的溶出，且TiN表面阻碍效果更加强烈。Kurtoglu[75]等开发了一种NH3渗氮工艺，在700 ℃下采用含氮混合气(w(NH3)=10%,w(He)=90%)对形状记忆合金进行表面改性，在其表面形成光滑的TiN保护层并镀上一层TiO2氧化膜，与无氮化氧化干燥的形状记忆合金一起浸入人工唾液中进行实验。实验结果表明，相比不作任何处理，NH3渗氮工艺组的Ni离子释放量下降近20倍；表面形成的TiO2氧化膜对Ni离子具有良好的吸附性。Chang[76]等开发了一种原子沉积技术，在形状记忆合金表面沉积出一层均匀的Al2O3氧化层，该氧化层可承受一定的形变具有良好的附着性。研究分析表明，原子沉积处理后的形状记忆合金不仅Ni离子释放量大幅下降，合金的耐磨性也得到相应改善。

开发无Ni高性能形状记忆合金同样是一个优秀的解决策略。Hashimoto[77]等采用电弧熔炼法制备了一种Ti-Zr-Hf形状记忆合金，该合金具有3.2%的大超弹性效应以及低Ni-Ti形状记忆合金一倍的磁化率，不存在Ni离子生物毒性的潜在风险。在成纤细胞和成骨细胞体外培养试验中，表现出同NiTi形状记忆合金相似的生物相容性和耐腐蚀性，是极具发展潜力的医学治疗材料。

总之，形状记忆合金的生物相容性是毋庸置疑的，未来有望在现有形状记忆合金基础上进行表面改性、优化成型工艺或开发新型无Ni高性能记忆合金两个方向进一步探索，规避长期植入过程中因Ni离子释放对人体造成伤害的风险。

2.5 弹热效应

在循环外荷载作用下，形状记忆合金超弹性行为产生的热效应称为弹热效应。从微观层面上，应力诱发马氏体在外荷载消失后自发恢复为初始相(奥氏体相)属于一级相变，因此在合金相变过程中伴随吸收和释放相变潜热。相变过程可逆，故理论上可实现100%卡诺循环热效率，实际热效率(约70%)也远高于传统气体压缩热效率。另外，相变过程无污染物的释放，响应绿色环保主旋律，这使得形状记忆合金成为一种极具应用前景的固体制冷剂，在制冷领域受到广泛的重视[78]。

目前，弹热效应最大的缺陷在于自身过低的疲劳寿命。Chluba[79]等实验发现，在经历30次循环加载后，弹热效应便衰减为初始的60%，经历150次循环加载后，温度变化已降至初始的50%，并观察到明显的疲劳断裂。

为了提升弹热效应疲劳性能，避免其在实际的应用中出现组织断裂等严重后果，部分学者就此展开了研究。Ertekin[80]发现循环加载方式会显著影响弹热效应的疲劳寿命，在经历104次循环压缩加载后，合金仍表现出良好的弹性效应；相反，仅历经160次循环拉伸加载，合金内部便开始出现疲劳裂痕。Xiao[81]等通过冷轧前的时效处理，在细化晶体的同时，形成较硬的Ti3Ni4新相，实现二次强化。在历经100次循环加载后，其弹热效应仅衰减12%。Chen[82]等利用红外成像技术观察Cu-Al-Mn双晶形状记忆合金，他发现的顶部晶粒相比底部晶粒具有更显著的弹热效应，底部晶粒之间的相对运动会导致晶界产生更大的裂痕，微观组织为单晶或晶界更小的形状记忆合金在实际运用过程中会表现出更长的疲劳寿命。

上述研究成果表明，未来有望从成型工艺、加载方式以及调整晶粒微观结构3个角度来提高形状记忆合金弹热效应的疲劳寿命。

3 结 语

形状记忆合金由于其形状记忆效应、超弹性、高阻尼性等特性，是未来智能材料的发展方向，在汽车工业、航空航天、医疗、建筑等领域均得到广泛应用。国内外关于形状记忆合金的研究，已经取得了一定进展，面对国家重大战略需求，未来研究有希望在如下方向展开。

(1)在汽车领域，形状记忆合金更多的应用于汽车控制器和被动安全装置，其简单紧凑的机械构造有效的降低了汽车部件的成本、质量和规模，丰富驾驶体验，提高整车安全系数。对于吸能缓冲装置，如何提高形状记忆合金的强度以及保持较低的刚度，增大一级吸能量的同时确保较低的最大载荷来进一步提升汽车安全可靠性是今后的研究方向；对于减震降噪装置，形状记忆合金丝的位置分布问题与市面制造工艺复杂是限制其普及的最大障碍，未来有望通过探索更优的布局方式或改善加工工艺来扩大其在汽车上的应用规模。

(2)在航空航天领域，尤其是在液压管路连接和空间展开机构中，形状记忆合金均显示出无可比拟的优势，在极端环境下保证液压管路的紧密配合，高辐射高温的外太空中完成其他材料难以完成的任务。然而形状记忆合金的密度和热容值较大，因此在传热过程中存在一定的热惯性，这导致其在反复“升温—降温”循环工作构件中的响应频率受到较大程度的约束，通过探索低热容的形状记忆复合材料或研发辅助升温、散热装置是未来可以考虑的研究方向。

(3)在医疗领域，采用形状记忆合金制备的血管支架、骨固定器以及封堵器在现阶段的临床治疗中，短期内均发挥出令人满意的治疗效果，良好的生物相容性使得其几乎不与人体发生明显的排异反应，但合金材料自身富含Ni元素使得其在长期植入过程中不可避免存在Ni离子释放的风险。因此形状记忆合金材料长期植入是否具备生物毒性的问题还需进一步探索，发掘高效的表面改性工艺或开发无Ni高性能医用记忆合金是现阶段降低临床应用风险的合理途径。

(4)目前对于形状记忆合金的形状记忆效应、超弹性效应的微观原理的认识逐渐走向成熟，在提高其生物相容性的初步探索中取得一定成效，同时成功开发了多种宽温域、适应性更强的新形状记忆合金。然而形状记忆合金的形状记忆效应、超弹性效应、高阻尼性以及弹热效应表现均严重依赖于热弹性马氏体相变，但在相变过程中又会对材料本身造成不可避免的损伤，在循环加载几十次后，便会出现不同程度的滞后损耗和疲劳裂纹，这在一定程度上限制了形状记忆合金的工作寿命。通过减小尺寸在低应力下完成相变循环来减少损耗或添加新元素开发高性能形状记忆合金是未来可以考虑的研究方向。

(5)形状记忆合金技术经历20多年的飞速发展，在多个领域均取得了较大的突破，已成为金属智能材料系统中最重要的代表，并形成了一个涉及多领域的全新交叉研究学科。从最初合金的形状记忆效应在F-16战斗机液压管道连接中发挥出优异的固定性能，再到该理念延伸至现今医疗领域所制备的骨固定器，形状记忆合金相同的特性却在不同的领域发挥独特的作用。然而现阶段对形状记忆合金资源整合力度不够，因此未来相关研究人员应当注重研究经验总结，加快推动形状记忆合金技术形成完整知识体系。