NiTi 形状记忆合金的功能特性及其应用发展

杨 超，廖雨欣，卢海洲，2，颜 安，蔡潍锶，李鹏旭

（1 华南理工大学 国家金属材料近净成形工程技术研究中心，广州 510640；2 广东技术师范大学 机电学院， 广州 510665）

智能材料是可对光、热、电等外部刺激做出感应和自适应的材料，形状记忆合金（shape memory alloys， SMAs）属于典型的金属智能材料［1］。以NiTi 为典型代表的SMAs 从发现至今已有近百年的历史，早在1932 年瑞典科学家Olande［2］首次在AuCd 合金中观察到了马氏体随温度消长的现象。1962 年，Buehler等［3］揭示了NiTi SMAs 中的“记忆”行为，即形状记忆效应，此后，NiTi SMAs 的商业化应用逐步得到重视和发展。1984 年，Nakano 等［4］开发出以NiTi SMAs 为人造肌肉的工业手，实现人造手的轻量化和多关节驱动的灵活性；1996 年，研究者利用NiTi SMAs 的超弹性，采用NiTi SMAs和钢筋混合的结构，修复了由于地震遭到破坏的意大利圣乔治教堂［5］。

NiTi SMAs 作为迄今商业化最成功的金属智能材料之一［6］，是领域内的研究热点。与其他SMAs 相比，NiTi SMAs 不仅具有形状记忆效应（shape memory effect，SME）、超弹性（superelasticity， SE）和良好的生物相容性（biocompatibility），还具有高阻尼、耐磨性、抗腐蚀性和储氢能力等优点，目前在航空航天、生物医疗和建筑等行业已有广泛应用。结构智能化、轻量化是建筑、机械设备、医疗、能源等领域亘古不变的追求，NiTi SMAs 集智能感应与驱动于一体，结构简单、驱动力大，在上述领域有巨大的发展潜力和多元化的发展方向，因此，探究NiTi SMAs 的功能特性及其应用发展具有重大的现实意义。本文总结了现有NiTi SMAs 的独特功能特性及其典型应用，旨在为一体化开展NiTi SMAs 功能特性基础研究及其智能功能结构的设计开发提供参考，打通NiTi SMAs 功能特性研究-结构设计-高效制备-应用拓展的全流程工艺路径。最后，展望了NiTi SMAs 未来的重点研究方向与发展趋势。

1 NiTi SMAs 的研究概况

20 世纪80 年代末，美国和日本科学家首次将智能概念引入材料和结构领域，并提出了智能材料结构的新概念。德国航天研究中心也制定了与形状记忆合金的智能结构发展相关的ARES 计划。同样，我国也非常重视智能结构的研究，把智能结构及其应用作为国家高技术研究发展计划（863 计划）项目课题，1991年国家自然科学基金委员会将智能结构作为国家高新技术研究的重点。

NiTi SMAs 作为具有超弹性、形状记忆效应、优异生物相容性的智能材料，在现代新材料和新结构的发展中扮演着重要角色。由于NiTi SMAs 的特殊功能特性，大量研究者采用不同工艺研发并制备出与NiTi SMAs 功能特性相关的智能结构。以“NiTi SMAs”或“NiTi shape memory alloys”为研究主题，通过Web of Science 的数据库进行检索（1992 年1 月1 日至2022 年12 月30 日），获得了6944 条相关的研究成果。对比发表综述型论文共134 篇（占比1.93%），研究型论文6810 篇（占比98.07%）。图1 给出了检索论文的发表年度情况，分析可知在20 世纪90 年代初逐步出现NiTi SMAs 相关的研究论文，之后研究论文数量逐年递增。2018~2022 五年期间，平均每年发表的论文高达384.8 篇，可见，近年来关于“NiTi SMAs”或“NiTi shape memory alloys”主题的研究发展迅速，成果涌现速度明显提高，这为NiTi SMAs 的进一步工业化和商业化应用提供了理论和数据支撑。

图1 以“NiTi SMAs”或“NiTi shape memory alloys”为主题的论文发表统计图（插图为综述与研究型论文的数量与占比图）Fig.1 Statistical results of articles based on “NiTi SMAs” or “NiTi shape memory alloys”（the inset shows the number and proportion of review and research articles）

图2 根据上述6944 篇论文的主题和内容，对NiTi SMAs 的功能特性及其应用进行了分类。由图可知，NiTi SMAs 的应用研究重点聚焦于其功能特性（形状记忆效应、超弹性、生物相容性和阻尼性能）的开发、使用，研究者和相关企业通过NiTi SMAs 的功能特点进行了结构的设计与开发，在航空航天、生物医疗和建筑工业等领域得到了商业化应用。NiTi SMAs 的超弹性功能应用最为广泛，已在医疗矫正和康复器械、建筑减震、先进轴承等场景实现应用［7-9］；形状记忆效应功能在航空航天发动机换热器、植入支架医疗器械等领域也被应用［10-11］；良好的生物相容性使其逐步在心脏瓣膜、骨科植入物等方面表现出应用前景［12-13］。

图2 NiTi SMAs 的功能特性及应用领域Fig.2 Functional properties and application fields of NiTi SMAs

除上述主要功能特性外，部分工作对NiTi SMAs的阻尼性能与储氢性能进行了探索性研究，NiTi SMAs 阻尼能力比传统金属材料高将近一个数量级，在建筑、桥梁、高速列车等需要减振降噪的领域备受关注［14-15］；而NiTi SMAs 储氢性能的研究与发展，逐步成为清洁能源行业发展的关注热点［16-17］。因此，研究者在进行NiTi SMAs 功能特性研究的同时，也关注着NiTi SMAs 智能结构的设计与应用开发，实现理论研究和产业应用的共同发展。

2 NiTi SMAs 的功能特性

2.1 NiTi SMAs 的超弹性

超弹性是NiTi SMAs 中奥氏体相（austenite，A）和退孪晶马氏体（detwinned martensite，M）在应力作用下相互转变表现出的独特性能［18-19］。超弹性在宏观上表现为NiTi SMAs 发生较大的变形仍能恢复原形状，应变恢复可高达8%，远大于常见金属可恢复的弹性应变（0.2%）。图3 为NiTi SMAs 的超弹性应力-应变响应图。由图3 可知，NiTi SMAs 处于超弹性状态时，加载卸载过程合金的应力-应变曲线存在明显的迟滞现象［20］，其导致NiTi SMAs 具有高的能量吸收能力和较大的变形恢复能力。因此，NiTi SMAs 在建筑与桥梁的加固、先进轴承和齿轮以及有变形量需求的医疗器件等领域应用广泛。

图3 NiTi SMAs 的超弹性应力-应变响应图［18-19］Fig.3 Superelastic stress-strain diagram of NiTi SMAs［18-19］

稳定的超弹性是实现NiTi SMAs 相关应用的重要前提条件，如何提高NiTi SMAs 的超弹性稳定性是研究者关注的重点问题之一。图4 是研究者们对NiTi SMAs 微观结构及其超弹性的研究结果。2013年，Zhang 等［21］对比研究了传统铸造和真空吸铸Ni50.8Ti49.2（原子分数，下同）的微观结构、晶粒尺寸和压缩超弹性（图4（a）~（c））。结果表明，传统铸造NiTi SMAs 的晶粒为带状；对于真空吸铸制备的NiTi SMAs，由于负压作用产生的吸力冲击，在凝固过程会破坏大的枝晶并限制其生长，可以实现晶粒细化、沉淀相细化及其均匀分布，表现出更高的抗压强度和超弹性形变恢复率。Saedi 等［22］通过对富镍的Ni50.8Ti49.2低温时效（350 ℃/18 h）形成稳定的沉淀相，析出强化能够增强基体提升塑性变形的临界应力，抑制塑性变形产生，从而改善NiTi SMAs 的超弹性。富镍的NiTi SMAs 时效处理时Ni 和Ti 原子相互扩散并形成小团簇，促进沉淀相的成核和生长，同时，沉淀相与基体保持共格关系，因此通过适当的热处理来控制沉淀相的形成和分布，可实现超弹性的调控。

图4 NiTi SMAs 的典型超弹性研究结果（a）真空吸铸原理图；图（a）对应的光学显微镜的微观结构图像和晶粒尺寸分布（b）以及压缩超弹性［21］（c）；（d）冷轧和激光表面退火原理图；图（d）对应的TEM 显微镜下的梯度结构和不同深度的晶粒尺寸分布（e）以及线性超弹性［23］（f）；（g）选区激光熔化原理图；图（g）对应的EBSD 分析得到的IPF 图和纳米析出相结构的TEM 显微镜图像（h）以及拉伸超弹性［26］（i）Fig.4 Typical superelasticity results of NiTi SMAs（a）schematic diagram of vacuum suction casting；corresponding optical microscope image of microstructure and grain size distribution（b），and compression superelasticity［21］（c）；（d）schematic diagram of cold rolling and laser surface annealing；corresponding TEM micrographs of gradient-structured and grain size distribution at different depths（e），and linear superelasticity［23］（f）；（g）schematic diagram of selected laser melting；corresponding IPF map obtained by EBSD analysis and TEM micrograph of nanoprecipitation phase structure（h） and tensile superelasticity ［26］（i）

微观组织的调控有利于实现合金超弹性的提升。2022 年，Fang 等［23］采用冷轧和激光表面退火的工艺（图4（d））在Ni50.8Ti49.2中引入梯度结构，实现NiTi SMAs 可调控的力学行为和显著增强的超弹性。图4（e），（f）是梯度结构Ni50.8Ti49.2在厚度方向上的微观组织和晶粒尺寸变化及其拉伸超弹性对比图。从图中可知，由于激光表面退火的再结晶和晶粒生长，表层与中心的冷轧基体存在明显的微观组织区别，梯度结构Ni50.8Ti49.2的晶粒尺寸由外到内逐步减小；应力-应变曲线从具有大滞后和相变应变的常规平台型超弹性转变为具有小滞后和相变应变的近线性超弹性，该结果表明：通过获得具有梯度变化的微观结构，可以实现NiTi SMAs 的超弹性性能的高效调控，这为开发高性能超弹性NiTi SMAs 提供了一个新的途径。

由于NiTi 合金存在后续加工难度大、成本高等问题，故其增材制造工艺被逐步关注和发展。增材制造在成型复杂形状NiTi SMAs 零件的同时，其非平衡的快速凝固过程和复杂的热历史为NiTi SMAs 的微观结构调控和功能特性研究提供了新的可能［24］，对于选区激光熔化（selective laser melting，SLM）制备NiTi SMAs已有了较为系统的研究［25］。2021 年，Yang 等［26］对SLM制备的Ni50.4Ti49.6进行1000 ℃/1 h 固溶处理和350 ℃/1 h 时效处理（如图4（g）所示），图4（h），（i）是SLM NiTi SMAs 固溶和时效处理后的微观组织和循环拉伸超弹性图，可知时效后获得了奥氏体基体共格的Ni4Ti3纳米析出相（尺寸≈10 nm），随加载次数增加，Ni50.4Ti49.6形成的位错达到饱和，超弹性可恢复应变稳定在2.31%；这归因于Ni4Ti3纳米析出相周围的应力场有效抑制位错和残余马氏体的积累，在一定程度上改善NiTi合金的功能特性，这为获得高性能的NiTi SMAs，进一步促进其应用具有重要意义。Yang 等［27］还通过纳米Ni 颗粒与Ni49.4Ti50.6球磨混合得到改性的Ni50.6Ti49.4粉末，改性的粉末在选区激光熔化过程中，激光反射率比未改性的粉末低7.8%，制备具有有序功能域的Ni49.4Ti50.6合金，其微观组织中有Ni4Ti3纳米析出相和小尺寸的Ti2Ni相，能有效抑制位错形成和运动，在循环压缩过程中表现出更稳定的回复应变，该结果为选区激光熔化工艺调控NiTi SMAs 的微观结构提供了新的策略。

2.2 NiTi SMAs 的形状记忆效应

NiTi SMAs 的形状记忆效应是温度激励条件下奥氏体和马氏体之间转变的宏观表现［18，28］。图5（a）是NiTi SMAs 随温度变化发生形状记忆效应的原理图。由图可知，NiTi SMAs 可以实现单向、双向或多种状态的形状变化，其零件可表现出折叠、弯曲、扭曲、膨胀、收缩、表面卷曲等形状变化。图5（b）给出了NiTi SMAs 三类不同的形状记忆效应［29］。（1）单程形状记忆效应（one way shape memory effect，OWSME）。在TAf，马氏体发生逆相变，低温受力的变形部分可以完全恢复。但在随后的冷却和加热中，NiTi SMAs 的形状保持不变。（2）双程形状记忆效应（two way shape memory effect，TWSME）。在T

对于富镍的NiTi SMAs 而言，热处理和冷却速率都会显著影响其形状记忆特性，经过特殊的热处理可以获得超弹性稳定和形状记忆效应优良的NiTi SMAs。Karaca 等［32］对铸态的Ni54Ti46进行1000 ℃/4 h固溶处理和550 ℃/3 h 的时效处理，奥氏体基体中析出了透镜状、纵向长度为200~600 nm 的Ni4Ti3沉淀相，在不同压缩应力的热循环过程中经时效处理的合金获得了约1%的形状记忆应变。Heller等［33］在不同温度下对商用级别的Ni50.76Ti49.14进行定应变加载（12%）-卸载后加热回复的实验，约100 ℃下NiTi SMAs 为马氏体，加载-卸载后加热基本可以实现变形回复（不可回复应变仅0.4%），随着温度升高，不可回复应变升高，在170 ℃的测试条件下不可恢复应变高达7.1%，表明测试温度对NiTi SMAs 形状记忆效应影响显著。这是因为形状记忆效应是通过奥氏体和马氏体之间相变实现的，随着温度升高，相变驱动力逐渐减小，导致形状记忆效应减弱。此外，当温度超过一定范围时，相变将被完全抑制，无法产生形状记忆效应。因此，在实际应用中，需要考虑NiTi SMAs 的使用温度，以确保其形状记忆效应能够满足特定的应用需求。

NiTi SMAs 相变过程中晶体缺陷的演变及其在相变过程中的作用是研究者重点关注的问题。残余应变的积累、相变温度的变化等会影响相变过程的稳定性。2015 年，Bowers 等［30］对Ni49.9Ti50.1进行了热循环和负载热循环条件下的形状记忆应变对比研究分析（图6（a）），揭示了其在不同驱动条件下的微观结构演变规律。图6（b），（c）表明无负载热循环条件下，经过100 次循环后，Ni49.9Ti50.1基体中马氏体相仍表现出随机排布，形状记忆应变小于0.1%；在150 MPa 的负载热循环中，其形状记忆应变和残余应变显著增大，马氏体沿着加载方向有明显的取向，且随着循环次数增多和位错积累，马氏体相变受到限制，奥氏体晶体取向发生局部转动，在原始奥氏体相中有亚微米晶体的形成。该研究发现NiTi SMAs 负载热循环相变过程奥氏体晶粒能够细化，并提出了一种基于马氏体相变晶体学理论的晶粒细化机理。

图6 NiTi SMAs 的SME 典型结果（a）负载热循环训练示意图；对应的TEM 显微镜下的马氏体取向分布图（b）和双程记忆效应［30］（c）；（d）约束时效示意图；对应的TEM 显微镜下的Ni4Ti3析出相取向分布图（e）和双程记忆效应［31］（f）；（g）选区激光熔化示意图；对应的TEM 显微镜下的Ti2Ni 析出相分布图（h）和形状记忆效应［35］（i）Fig.6 Typical SME results of NiTi SMAs（a）schematic diagram of load thermal cycle training；corresponding TEM micrographs of martensite orientation distribution （b） and TWSME［30］（c）；（d）schematic diagram of constrained aging；corresponding TEM micrographs of Ni4Ti3 precipitation phase orientation distribution （e）and TWSME ［31］（f）；（g）schematic diagram of selected laser melting；corresponding TEM micrographs of Ti2Ni precipitation phase distribution （h） and SME ［35］（i）

NiTi SMAs 的TWSME 一般需要通过适当的热机械训练工艺获得。约束时效作为一种典型的热机械训练方法，可以通过产生具有优先取向的Ni4Ti3析出相来获得稳定的TWSME。Zhang 等［31］对真空吸铸后经过固溶处理的Ni51Ti49条带进行约束时效来优化TWSME，图6（d）~（f）给出了Ni51Ti49约束时效的示意图、约束时效后的透射电镜图以及不同约束时效条件下TWSME 的可回复率。快速凝固的Ni51Ti49在经过400 ℃/100 h 时效处理后，获得了晶粒细小、基体取向性弥散分布的Ni4Ti3沉淀相（平均尺寸为131.4 nm），展现出最佳的TWSME，可回复率达到92.9%。为确保NiTi SMAs 优异的TWSME 和高驱动温度，单步约束时效工艺非常耗时。Zeng 等［34］开发了两步约束时效来实现Ni51Ti49的TWSME（500 ℃/1 h+300 ℃/39 h），第一步高温短时时效促进了纳米级别的Ni4Ti3析出相快速生长，第二步的低温长时时效降低了Ni 在基体中的固溶度，析出更多的Ni 原子，从而保证新的Ni4Ti3的形成和已有的Ni4Ti3析出相长大，观察到具有明显取向性且均匀分布的Ni4Ti3沉淀相（平均尺寸为149.1 nm），同时还表现出优于单步时效的TWSME，可恢复率高达96.4%。通过两步约束时效处理，NiTi SMAs 的TWSME 得到了明显改善，并且提高了合金对温度的敏感性，为其在执行、感应、能量收集等领域的应用开辟了新的研究方向。

为调控增材制造NiTi SMAs 的形状记忆效应，Yang 等［35］对SLM Ni49.4Ti50.6（制备方式如图6（g）所示）进行多种热处理（分别为500 ℃去应力退火、1000 ℃完全固溶退火和800 ℃中温退火），结果表明热处理可使打印态Ni49.4Ti50.6中晶界半连续针状纳米Ti2Ni 转变为基体中均匀分布的球状沉淀相，如图6（h）所示；图6（i）是完全固溶退火的Ni49.4Ti50.6的形状记忆性能（5.32%的可回复应变和98.2%的可回复率），良好的形状记忆性能源于高密度的位错、均匀的纳米Ti2Ni 沉淀相和大量的界面有效阻碍了位错的形成和运动。

NiTi SMAs 的TWSME 在智能驱动结构和医疗领域的应用需求非常广泛，因此备受研究者关注。选择合适的训练方法或约束时效条件，获得足够高的形状可回复率、稳定的相变循环和合适的相变温度范围，是实际应用过程中需要关注的重点。因而，在TWSME 功能特性研究过程中，还需从理论分析出发，建立起微观结构-训练工艺/约束时效条件-TWSME 功能特性的映射关系，完善NiTi SMAs TWSME 的获得工艺与内在机理，保证NiTi SMAs 的使役可靠性。

2.3 NiTi SMAs 的生物相容性

NiTi SMAs 具有良好的生物相容性、细胞毒性小，加之独特的热机械性能（超弹性和形状记忆效应），是一种理想的生物医用材料［36］。但NiTi SMAs不具有抗菌能力，在作为植入物临床应用中，会进行表面改性处理。Li 等［37］采用不同入射剂量的Ag 离子（图7（a））对Ni50.9Ti49.1进行表面改性。表面粗糙度和抗菌性能对比研究表明（图7（b），（c）），Ag 离子注入能够提高NiTi SMAs 的抗菌性能。

图7 NiTi SMAs 的生物相容性典型结果（a）金属蒸气真空弧示意图；对应表面形貌AFM 图（b）和抗菌性能对比［37］（c）；（d）放电等离子烧结示意图；对应多孔结构（e）和细胞黏附、增殖的光学显微镜图像及扫描电子图像 ［39］（f）；（i）选区激光熔化示意图，对应的多孔结构（h）和细胞黏附、增殖的扫描电子图像［41］（i）Fig.7 Typical biocompatibility results of NiTi SMAs（a）schematic diagram of metal vapor vacuum arc；corresponding AFM map of surface morphology（b） and comparison of antimicrobial properties［37］（c）；（d）schematic diagram of spark plasma sintering；corresponding porous structure（e），and optical microscope image and SEM micrograph of cell adhesion and proliferation［39］（f）；（g）schematic diagram of selected laser melting；corresponding porous structure（h），and SEM micrographs of cell adhesion and proliferation ［41］（i）

致密NiTi SMAs 弹性模量为40~75 GPa，与其他金属和合金（如纯钛、不锈钢和Ti6Al4V）相比，NiTi的弹性模量更接近人体骨骼，因此NiTi 合金是骨科植入物的合适选择［38］。相比于致密态，多孔结构NiTi SMAs 具有轻量化，更适于生物体的营养物质交换、人体组织生长等优点，因而在医疗领域具有巨大的发展潜力。Zhang 等［39］通过放电等离子烧结（图7（d））制备了径向梯度的致密-多孔生物医用Ni49.2Ti50.8（图7（e）），该合金由中心致密部分和外部多孔结构组成，孔隙分布均匀，表现出高强度和良好的超弹性；外部的多孔结构有利于细胞组织向内生长，在细胞毒性测试中未观察到不良反应，细胞均匀地集中在合金周围并实现增殖（图7（f））。

相比铸造和烧结等传统的制备方式，增材制造的逐层建造模式可以高效制备定制化的多孔结构。Tan等［40］通过粉末床熔化工艺参数优化，成功制备了具有几何完整性和化学稳定性的多孔晶格结构，为增材制造技术在生物医疗的应用提供了参考。Yang 等［41］采用选区激光熔化（selective laser melting， SLM）增材制造技术制备不同孔径的多孔Ni50.4Ti49.6，探究孔径对力学性能、回复应变以及细胞黏附和生长的影响（图7（g），（h），（i））。研究结果表明，SLM 多孔NiTi SMAs的抗压强度适合人体骨骼的强度要求，弹性模量低于大多数报道的其他工艺制备的多孔NiTi SMAs；SLM多孔NiTi SMAs 具有良好的体外生物相容性，其细胞黏附率和细胞形态与致密SLM NiTi SMAs 相当，这为多孔NiTi SMAs 在骨科植入物领域的应用提供了一定的指导。

从上述研究可知，NiTi SMAs 生物相容性研究主要围绕如何使其医疗植入件具有更好的综合性能展开，研究者通过改进制备工艺、表面改性和结构设计与优化等方式提升NiTi SMAs 的生物相容性和生物功能性。

3 NiTi SMAs 的应用及其发展趋势

NiTi SMAs 具有独特的功能特性，以及优异的耐腐蚀性、耐磨性和高阻尼性能，被广泛应用于航空航天、生物医疗、土木建筑等领域。NiTi SMAs 的应用主要围绕的功能特性是超弹性、形状记忆效应和生物相容性，下面将具体介绍其相关应用及发展。

3.1 NiTi SMAs 的超弹性应用及其发展趋势

NiTi SMAs 超弹性的应用范围非常广泛，表1［5，8，10，12-13，42-67］是对NiTi SMAs 超弹性的应用的总结。NiTi 迟滞可以吸收大量能量，故其在耗散振动能量方面远优于传统的线性阻尼材料。将NiTi SMAs 引入建筑结构中，可以使该结构承载更大的开裂载荷，减少残余变形，实现对结构的加固。因此，NiTi SMAs能够用于建筑、桥梁等的加固、隔振和能量吸收等［68］。NiTi SMAs 在建筑结构中的应用一般是以金属丝的形状进行嵌入应用，采用的制备工艺为冷拉伸。Deng等［42］使用带有嵌入Ni44.93Ti55.07线（500 ℃热处理）的小尺寸混凝土梁来研究不同数量NiTi SMAs 线对回复应力的影响，结果表明，NiTi SMAs 能够显著提高结构件的形状恢复和自我修复能力（图8（a））。Saiidi等［44］采用NiTi SMAs 杆对钢筋混凝土梁进行外部加固，循环载荷下结构刚度提高、残余位移减小，梁结构的残余应变比常规钢筋小约81%。Kuang 等［45］研究了Ni45.72Ti54.28丝（ϕ2 mm×500 mm）对梁性能的影响，结果表明，增加NiTi SMAs 丝可以提高梁的刚度和承载能力。Wang 等［43］研究了不同材料纤维增强混凝土的力学行为，发现NiTi 纤维（ϕ0.75 mm×75 mm）可以提高混凝土的抗压强度、热裂强度、拉伸弹性模量和循环抗弯性能。图8（b）是钢纤维混凝土、NiTi 纤维混凝土（-SMAFRGPC）和PP 纤维混凝土（PPFRGPC）在加载循环中的自复位比对比图。由图可知NiTi 纤维混凝土在加载循环中具有最大的自复位比。由于NiTi 纤维的高拉伸强度和超弹性，NiTi 纤维混凝土具有较高的裂纹闭合和复位能力。Varela 等［46］通过可持续使用桥梁基础结构的拆解/解构设计（图8（c）），将完全退火的超弹性Ni51.14Ti48.86棒（尺寸为ϕ12.57 mm× 305 mm，SAES 智能材料公司提供）置于塑料铰链内，该结构发挥自定心和能量耗散的功能，并提供一定的可弯曲量，可以回收材料和促进元件再利用，降低维修成本。

表1 NiTi SMAs 关于超弹性的应用Table 1 Applications of superelasticity about NiTi SMAs

图8 NiTi SMAs 的超弹性典型应用（a）嵌入NiTi SMAs 线的混凝土梁［42］；（b）钢纤维混凝土、NiTi-SMA 纤维混凝土和PP 纤维混凝土在加载循环中的自复位比对比 ［43］；（c）含NiTi SMAs 棒的桥梁柱体［46］；（d）Ni55.03Ti44.97 衬圈和Si3N4轴承球的混合轴承 ［48］；（e）星载低温冷却器微振动隔离器的机械结构（左）和超弹性NiTi SMAs 网状垫圈（右）［50］Fig.8 Typical applications of the superelasticity of NiTi SMAs（a）concrete beam embedded by SMAs wires［42］；（b）comparison of the re-centering ratio of SFRGPC，NiTi-SMA FRGPC， PPFRG PC in the loading cycle ［43］；（c）bridge columns containing NiTi SMAs rods［46］；（d）hybrid bearing made with Ni55.03Ti44.97 SMAs races and Si3N4 bearing balls ［48］；（e）mechanical structure of the star-loaded cryocooler micro-vibration isolator （left） and superelastic NiTi SMAs mesh washer （right）［50］

智能驱动器是NiTi SMAs 超弹性的另一应用对象。目前，大多数SME 驱动装置需要外部偏置机构（如弹簧等），在冷却时实现NiTi SMAs 的马氏体相变［47］，而超弹性NiTi SMAs 是外部偏置结构的理想替代品，可以获得自偏置的驱动器。Ni 含量对NiTi SMAs 相变温度影响显著，Ni 含量每改变0.1%，相变温度可能改变10 ℃［69］。基于此，Panton 等［70］采用激光处理来调控富镍NiTi SMAs 不同区域的马氏体相和奥氏体相的含量，激光加工的区域为驱动器部分，室温下为马氏体，未加工的原始部分作为内部偏置结构，室温下为奥氏体，在驱动循环完成时实现马氏体退孪。该研究开发的自偏置NiTi SMAs 原型在热力循环中响应行为稳定，积累的塑性应变小，且质量、成本、结构复杂性都有所降低，适于工业化应用。

轴承和齿轮的失效通常是由腐蚀、凹痕、磨粒磨损和疲劳等引起的，而NiTi SMAs 具有高硬度、良好耐磨性、低热膨胀系数（优于陶瓷轴承、不易热失配）、高断裂韧性等优点［9］。DellaCorte 等［48-49］采用热等静压制备的Ni55.03Ti44.97衬圈和Si3N4球替代蒸馏机组件的钴合金轴承（图8（d）），提高了轴承的硬度和耐腐蚀能力；其中Ni55.03Ti44.97具有的超弹性可以增加深沟球轴承的静载荷裕度、提高弯曲负载能力和防震能力，同时，还减小了轴承尺寸，减少了设备质量、功耗和成本。

另外，NiTi SMAs 也可用于航空航天关键设备。为了减弱低温冷却器在轨道上运行引起的微振动，提高传统被动隔离系统在恶劣发射环境中的振动衰减性能，Kwon 等［50］采用NiTi SMAs 线压制制备的网状垫圈作为星载低温冷却器的微振动隔离器，保证了恶劣发射环境下的隔振性能，同时无需额外的保持-释放机制即可有效减小发射振动。图8（e）为星载低温冷却器微振动隔离器的机械结构和超弹性NiTi SMAs网状垫圈。为避免地外星球探测车车轮出现破损漏气现象，NASA 于2017 年设计了“超弹性轮胎”［51］，该轮胎以超弹性NiTi SMAs 为材料编织而成，可在复杂地面环境下平稳前进，轮胎受到较大冲击后仍能恢复原形状，在发生永久塑性变形之前能够承受的变形比其他非充气轮胎大一个数量级。

从上述研究和应用可知，NiTi SMAs 的超弹性应用范围广泛，无论是建筑、桥梁领域，还是机械结构、航空航天方面，都有着巨大的应用场景。目前，超弹性NiTi SMAs 阻尼器在土木建筑的应用有一定的案例实现，但大多还是处于理论和实验阶段，这主要是由于NiTi SMAs 的制造成本较高、功能特性尚需提升，且在很多应用中还没能实现主动的抗振控制。

3.2 NiTi SMAs 的形状记忆效应应用及其发展趋势

Song 等［9，71］提出智能钢筋混凝土结构的概念，将直径约为0.38 mm 的NiTi SMAs 和锆钛酸铅嵌入钢筋混凝土中，通过电阻加热NiTi SMAs，实时调整结构振动频率，用于健康监测和自我修复。基于自动和半自动控制目标，McGavin 等［72］在五层钢结构中加入X 形的直径为0.25 mm 的冷拉富钛Ni49.93Ti50.07丝，通过电流作用将该结构的固有频率提高了32%。Li等［73］用电加热Ni45.42Ti54.58束，使NiTi SMAs 达到特定的温度，发生的形状变化与产生的额外载荷匹配，从而增强混凝土桥梁。

图9 （a）是智能太阳能主动遮阳帘在外界天气变化时帘子变化的示意图，Takeda 等［74］通过组合Ni49.82Ti50.18条带（制备工艺为轧制，条带尺寸为0.25 mm×5 mm×60 mm），耦合超弹性和形状记忆效应，在没有足够阳光照射的情况下，NiTi SMAs 未受热刺激，超弹性条带的扭矩大于形状记忆效应条带，此时曲柄和杠杆在低位置，百叶窗打开，允许光线穿过；在阳光照射下，形状记忆的NiTi SMAs 条带被穿过透镜的光线加热，恢复至原始形状（扁平状），此时形状记忆效应的回复扭矩大于超弹性扭矩，导致超弹性元件扭转并存储能量，曲柄和杠杆向上运动使百叶窗保持关闭状态，防止阳光穿过。该应用证实了利用NiTi SMAs 的扭转可以开发具有双向旋转驱动功能的执行器。

图9 NiTi SMAs 的SME 应用 （a）智能太阳能主动遮阳帘［74］；（b）可变形机翼［10］Fig.9 SME applications of NiTi SMAs （a）smart solar active sun blinds［74］；（b）morphing wings［10］

航空航天器采用NiTi SMAs 有利于降低系统的复杂性，实现轻量化，提高结构紧凑性。飞机变形翼是NiTi SMAs 在航空领域的应用之一。Chen 等［10］设计的飞机变形翼由变形单元和一对NiTi 驱动器组成，变形单元由柔性的飞机蒙皮和蜂窝状基体组成，驱动器包括一对受电加热分别会产生压缩和拉伸的NiTi SMA 导丝（冷拉伸），交替加热NiTi 导丝，可以拉伸和压缩变形单元，从而实现飞机机翼的变形控制，改变翼展（图9（b））。以NiTi SMAs 为原料的集成驱动器拥有较高的可靠性和紧凑性，同时在刺激中可以实现稳定循环，确保每次形状变化的精确性。另外，NiTi SMAs 弹簧成为具有致动功能的传感器，可在特定温度下致动阀门。

由于特别的形状记忆效应，NiTi SMAs 在解决复杂工程问题方面具有显著优势。双程形状记忆效应正逐步应用于自偏置形状记忆合金驱动器。当前，NiTi SMAs 驱动器的可回复应变较小（约2%），且在热循环中逐渐减小，稳定性较差，尚不能满足多循环和精确驱动的应用场景。未来需结合NiTi SMAs的微观组织和结构设计，进一步提升NiTi SMAs的变形可回复率、循环稳定性、抗疲劳性能等形状记忆性能。

3.3 NiTi SMAs 的生物相容性应用及其发展趋势

目前，NiTi SMAs 已被广泛应用于口腔正畸、矫正和康复器械、心脑等血管、非血管支架、骨折固定器和其他微创植入物等。表2［8，12-13，52-65，74］为NiTi SMAs在生物医疗领域的典型应用。

表2 NiTi SMAs 的生物医疗领域的典型应用Table 2 Typical biomedical applications of NiTi SMAs

NiTi SMAs 在牙科领域上的应用主要有NiTi 正畸丝［12，52］、牙髓锉刀［53］和牙周植入物［54］，相关应用的制备方法有冷拉拔、扭转缠绕和增材制造。由于具有较大的超弹性应变恢复能力，Otsuka 等［11］采用 NiTi SMAs 作为牙齿正畸丝，其可在牙齿变形过程中持续提供正畸力，保证牙齿对齐。考虑到美观以及安全性，目前NiTi 正畸丝正朝着表面涂层和改性方向发展［52］。NiTi SMAs 在牙科的另一个应用则是采用扭转缠绕的工艺制备的牙髓旋转锉（图10（a））［53］。NiTi SMAs 力学性能与人体骨骼相近，可以满足人体骨科矫形和康复的要求，故在骨科方面的应用主要有假肢、矫正器和康复训练设备［55］。Andrianesis 等［56］基于NiTi SMAs 的形状记忆效应，选用Dynalloy 公司市售的“Flexinol”NiTi 丝，开发了一种低成本的五指假肢手，可以使上肢截肢者更舒适地进行基本的日常工作（图10（b））。Garlock 等［59］开发了一种由NiTi SMAs为连接元件的关节融合固定装置（图10（c）），能在关节内产生和施加压力，促使关节连接处的两块骨头相互靠近，产生支撑和运动的协同作用，同时缓解其他治疗方式难以解决的关节疼痛感。

图10 NiTi SMAs 典型生物医疗应用（a）NiTi 旋转锉［53］；（b）真人手与NiTi SMAs 人造手的姿态比较［56］ ；（c）NiTi 关节融合固定装置［59］；（d）NiTi 超弹性自膨胀扩张支架［13］；（e）胃内窥镜缝合的预弯曲NiTi 导丝和触觉位置测量系统的示意图［75］；（f）市售生物材料与松质骨和皮质骨的弹性模量对比［80］；（g）本课题组采用SLM 工艺打印的髋臼杯、新型跗骨窦以及脊椎融合器Fig.10 Typical biomedical applications of NiTi SMAs（a）NiTi rotary file［53］；（b）different postures of a real human hand vs the artificial NiTi SMAs hand［56］；（c）NiTi joint fusion fixation device［59］；（d）superelastic NiTi self-expanding stents［13］；（e）schematic view of the precurved NiTi guidewire for endoscopic suturing of stomach and an overview of the haptic position measurement system［75］；（f）comparison of elastic modulus of commercially available biomaterials with cancellous and cortical bone［80］；（g）acetabular cup， novel tarsal sinus and spinal fusion device prepared by SLM by our group

NiTi SMAs 的形状记忆效应在医疗输送导管中得到了很好的应用。NiTi SMAs 导管在低温马氏体相下折叠成较小形状，当导管暴露于血液温度（>Af）时，自动展开恢复其原始形状（高温奥氏体相）。同时，植入后NiTi SMAs 导管在人体内表现出超弹性，可以在血管等存在周期性负载的区域内提供大的抗塑性变形能力。因此，NiTi SMAs 在心脏瓣膜、覆盖支架、主动脉支架移植物、脑动脉瘤血流分流器和心血管治疗的扩张支架都有广泛应用［12-13］，图10（d）是NiTi 超弹性自膨胀扩张支架，通过激光切割NiTi 管材加工而成。Shayan 等［66］通过溅射沉积法制备了Ni51.7Ti48.3薄膜（80~200 μm），薄膜表面生成的氧化钛层能进一步提高生物相容性，薄膜的超弹性保证植入装置与血管壁的贴合性，可用于心脏瓣膜、颅内动脉瘤的血液导流装置（小口径血管）；Ni51.7Ti48.3薄膜覆盖的支架可以减少血管损伤、内膜增生、血管再狭窄现象，并促进内皮细胞生长。内窥镜导丝是NiTi SMAs最复杂的应用之一，NiTi SMAs 的使用可显著提高内窥镜的灵活性和控制能力［74］。图10（e）给出了用于胃内窥镜缝合的预弯曲NiTi 导丝的示意图［75］。

致密NiTi SMAs 的弹性模量虽然低于传统的生物医用金属（CP-Ti，Ti6Al4V 等）的弹性模量（80~120 GPa）［76］），但仍高于人体硬组织/骨骼的弹性模量（3.2~20 GPa［77］），故其致密植入物仍会导致“应力屏蔽”现象。多孔结构的出现为进一步降低植入物的弹性模量提供了可能，多孔 NiTi SMAs 具有与人体骨骼相当的弹性模量，生物相容性良好，孔洞有利于体液营养成分传输，使得植入后愈合效果更好，另外，多孔NiTi SMAs 具有质量轻、比表面积大等优点，是骨科植入物的理想原材料，被广泛关注与研究［78-79］。

Aihara 等［80］采用燃烧合成法制备出多孔等原子比NiTi 合金骨架，其孔径约235 μm、孔隙率64%，与松质骨相当（松质骨孔径200~300 μm，孔隙率45.3%~69.8%［81］），表现出各向异性的三维互连孔隙网络，超过90%的孔向表面开放，适合骨向内生长。图10（f）中多孔NiTi 骨架表现出1 GPa 的弹性模量，精准位于松质骨的刚度范围（约1.15 GPa），表明NiTi 合金骨架适合作为松质骨的替换植入物。图10（g）是本课题组采用SLM 打印的NiTi SMAs 生物医用多孔结构植入件，从左至右分别是髋臼杯、新型跗骨窦以及脊椎融合器，这几个医用零件难以直接采用传统的工艺制备，利用增材制造的逐层构造模式则可以实现它们的近净成形。Bormann 等［82］提出利用变化的SLM 工艺参数制备出局部具有不同超弹性的Ni50.89Ti48.81，得到预先设计好的各向异性组织结构，从而为量身定制不同需求的NiTi SMAs 植入件提供了可能。

总的来说，NiTi SMAs 的超弹性和形状记忆效应等功能特性使其在生物医疗领域应用广泛，但仍存在着以下问题：（1）NiTi SMAs 中Ni 元素扩散到人体引起的Ni 过敏反应［83］；（2）进一步降低和调控NiTi SMAs 的弹性模量，以提高与人体不同器官的适配性；（3）定制化多种人体医疗器件，设计更合理完善的器械结构。此外，对于植入人体器官、血管和非血管支架等医疗器件，进一步提高疲劳强度的同时须保证装置的小型化。

4 NiTi SMAs 的阻尼性能和储氢性能的研究探索

4.1 NiTi SMAs 的阻尼性能

阻尼反映了材料耗散机械振动能量的能力。常用高阻尼合金中，镁合金轻质高强，但耐蚀性差；铁磁合金价格低廉、强度高，但易受磁场影响，应用场合受限；灰铸铁和锌铝合金减震性差、强度低，不适合高温使用。相比较而言，NiTi SMAs 依靠界面运动的黏滞性吸能，具有高阻尼、高强韧、形变可恢复、循环变形能力好、减震抗噪、抗冲击等优异性能，应用前景非常广阔［14-15］。NiTi SMAs 的阻尼性能比传统金属或合金高近一个数量级，在建筑、桥梁、高速列车领域上备受关注。与超弹性的大变形滞后实现能量耗散不同，NiTi SMAs 的高阻尼特性只在低温马氏体状态或马氏体相变过程中才表现出来（阻尼系数0.1 以上），这是因为马氏体中存在大量的孪晶界面或马氏体相变过程中存在的大量马氏体-奥氏体相界面，界面的滞弹性运动可耗散大量的外部机械能。高温奥氏体状态没有这种孪晶界面或相界面，位错或空位密度也较低，其阻尼主要来源于晶格缺陷的动态消耗，因而奥氏体的阻尼系数只有约0.005。

Zhang 等［84］采用无压烧结制备出双峰孔隙Ni50.5Ti49.5泡沫，其变形、薄节点/壁中的位错运动和应力诱导的马氏体形成，在相变过程和奥氏体状态下都表现出较高的阻尼性能，故该泡沫可作为低成本的高阻尼工程材料。NiTi SMAs 的阻尼性能与应变幅度、频率、预应变和温度有关。高阻尼效应依赖于温度，仅在加热/冷却发生马氏体相变的温度范围内存在。因此，扩大马氏体相变的温度范围是拓宽阻尼性能工作温度窗口的有效途径。开发具有功能梯度的NiTi SMAs 是一种扩大合金相变温度区间的有效方法，Wang 等［85］基于SLM 增材制造工艺，采用两组交替工艺参数，制备出结构梯度的Ni50.6Ti49.4，奥氏体在冷却过程中在较宽的温度范围内逐渐转变为马氏体，可观察到多个转变峰；室温下获得由B2/B19ʹ相交替组成的微观结构，在70 °C 的温度范围内表现出高阻尼性能。

Villa 等［86］开发出不同形状的阻尼器件，包括编织网状（图11（a））、波浪弹簧状（图11（b））和折叠条带形（图11（c））。目前，编织网阻尼器由Nix=50.8-51.0Ti100-x丝和钢丝编织形成，具有轻量化、灵活配置等优点，可以镶嵌进不同的基体和纺织品中获得所需的复合结构，在设备中实现有效的集成。波浪弹簧阻尼器是传统螺旋状压缩弹簧的替代品，具有刚度高、体积小、质量轻和使用范围大的优势，适用于小型设备；另外，还可根据所需结构的行程进行多个弹簧堆叠，以确保在高应变下表现出稳定的阻尼特性。条带形阻尼器的弯曲结构也体现了良好的阻尼性能，在跌落实验中也表现出较优的抗冲击能力。

图11 不同形状的NiTi SMAs 阻尼器［86］（a）编织网状；（a）波浪弹簧形；（c）条带折叠形Fig.11 Different types of NiTi SMAs damping parts［86］（a）woven mesh；（b）wave spring；（c）wave-shaped ribbons

阻尼器和执行器一般应用在建筑、桥梁和机器设备的减振中，在设计和开发中必须考虑NiTi SMAs 的疲劳行为，以确保其长期使用和可靠性。通过调控热机械加工工艺、喷丸或抛光表面处理工艺，改善NiTi SMAs 的微观组织，可提高其疲劳寿命。

4.2 NiTi SMAs 的储氢性能

能源是工业和社会发展的重要支柱，而氢作为一种新型的清洁能源，还未能广泛商业化应用，主要的制约因素是氢能源的有效储存和安全使用。目前，氢可以多种方式进行储存，包括高压气态、液态、金属氢化物、有机氢化物和物理化学吸附等。传统的高压气态和液态储氢存在效率低和安全风险高等问题。因此，安全性高和环保的NiTi SMAs 储氢材料受到研究人员的重视并展开了广泛的研究。

Wulz 等［17］采用体积瓦格纳法研究了FeTi，La-Nis，TiNi，TiPd 和TiMn 薄膜样品的吸氢动力学，为理解储氢材料的反应机理提供了有用信息。Schmidt等［87］将Ni50Ti50暴露于15 MPa 氢气气氛中来制备NiTi氢化物，合金中的氢原子属于间隙固溶体，占据八面体间隙，在奥氏体高温相中放热溶解；当氢压力高于4 MPa，可生成TiH 和TiNi3析出相。另外，Poinsignon等［88］研究了NiTi 基吸氢金属电极在固态电池中的氢化物变化，发现TiNi 加氢生成TiNiH 是不可逆过程（TiNi+H→TiNiH），同时监测到阴极充放电过程的氢化物可逆过程：TiNiH+0.2H↔TiNiH1.2。

电化学充氢方法对于B2 相（奥氏体）的NiTi SMAs 的充氢效率影响不显著，因此Fruchart 等［89］讨论了不同相结构的充氢/放氢性能，采用中子衍射技术分析了Ni51Ti49可逆相变的长程有序行为；在电化学方法/高压H2环境，B2 NiTi SMAs 可成功发生氢化反应。快速淬火的B2 型NiTi SMAs 含有R 相和Ti2Ni沉演，在NaOH 溶液中更容易实现电解充电，正常H2气氛下反应的可逆电荷接近总电荷的60%，这归因于R 相有足够的间隙固溶H 原子，为氢化物的成核中心。因此，在进一步研究NiTi SMAs 的储氢性能时，马氏体相变前的微观结构对氢化反应的影响是关注的重点。

固态氢储存通过金属氢化物实现，具有更加丰富的运输方式，如驳船和大型槽车等，因此在实际应用中有望实现多元化储运体系。对于储氢合金的技术发展，一方面是需要提高NiTi SMAs 等储氢材料的技术成熟度，如提升质量储氢率和可逆性等；另一方面，尽管NiTi SMAs 体积储氢密度较高，但储氢系统中的加热和冷却需通过内部换热管道实现，换热管道中的介质流经不同位置的热交换将影响储氢合金的反应速率，因此需要对吸放氢温度、速度和循环等进行控制。优化储氢材料性能及储氢系统的控制管理是科研工作者和企业的研发重点。

现有NiTi SMAs 储氢的机理报告和应用相对较少，在NiTi SMAs 储氢的研究上需要实现方法和测试的系统化。研究人员可以探索不同因素如温度、压力和合金成分对NiTi SMAs 吸氢和放氢性能的影响，利用现有的X 射线衍射、差示扫描量热法、热解吸光谱、压力-成分-温度测量等各种实验技术来研究NiTi SMAs 的储氢性能；还可以进行计算模拟和建模，以预测NiTi SMAs 在氢存储应用中的行为。

5 NiTi SMAs 应用需重点关注和突破的问题

5.1 NiTi SMAs 的超弹性稳定性有待提升

NiTi SMAs 的超弹性调控与增强是一个重要的研究方向。在这一研究领域中，已经取得了较为全面的进展，但在实际应用过程中尚需进一步增强NiTi SMAs 的超弹性稳定性，同时，现有理论还无法充分解释NiTi SMAs 在各种负载条件下的超弹性行为。NiTi SMAs 智能结构超弹性的抗疲劳性能较差，导致超弹性循环过程中衰减较快，稳定性较差，难以满足NiTi SMAs 智能结构多循环和精确驱动的要求。因此，后续研究在开发更多NiTi SMAs 智能结构的同时，需重点关注NiTi SMAs 微观结构-性能的损伤机理研究，充分了解NiTi SMAs 在各种负载条件下的超弹性演变行为，实现NiTi SMAs 超弹性在微观结构与宏观设计上的有效耦合，提高NiTi SMAs 的超弹性性能。具体而言，细化晶粒尺寸、沉淀相析出强化和织构取向的调控等能够作为增强NiTi SMAs 超弹性的有效路径，能否将上述路径耦合起来，获得超弹性稳定性优异的NiTi SMAs 是研究者们需要重点关注的问题之一。此外，近年来，增材制造工艺快速发展，其快速熔化/凝固的非平衡过程以及工艺参数的可控性，为NiTi SMAs 的微观结构调控提供了新的可能，同时，也使得制备复杂和个性化的NiTi SMAs 构件成为可能，故增材制造NiTi SMAs 智能结构的研究和应用有待全面开展。

5.2 NiTi SMAs 双程形状记忆效应的获得与控制

NiTi SMAs 基体中存在多种马氏体变体，如何获得特定取向的马氏体变体及其内在机制仍有待澄清。目前，研究者多通过循环或时效等训练工艺，在基体中引入位错、调控沉淀相析出行为，实现内应力场匹配，进而获得或控制NiTi SMAs 的双程形状记忆性能。除了微观结构的调控，后续研究应关注通过结构设计优化，实现相同条件下，形状记忆性能的放大，以弥补实际应用中变形回复量不足，进而扩大NiTi SMAs 智能结构的应用范围。现有研究中还未完全建立可靠、准确的本构模型来预测NiTi SMAs 的双程形状记忆行为。NiTi SMAs 的非线性力学行为和相变过程中独特的应变响应，使得建立准确的模型来预测双程形状记忆效应行为具有很大的挑战性。针对NiTi SMAs 智能结构的双程形状记忆效应获得与控制，后续研究要进一步规范工艺流程，获得更加稳定的双程形状记忆效应，建立更加合理的本构模型，为双程形状记忆效应的获得提供理论指导。

5.3 NiTi SMAs 生物相容性的进一步改善

NiTi SMAs 在医疗应用中会出现Ni 离子释放现象，表现出一定的细胞毒性，使患者产生过敏等不良反应，为进一步提高NiTi SMAs 的生物相容性，后续研究尚需关注NiTi SMAs 的表面改性，通过电化学干预方法改变NiTi SMAs 表面形貌和表层微观结构。从目前的医疗应用案例中可以发现，NiTi SMAs 医疗器件的几何结构较为复杂，传统的制备方式工艺较为复杂，加工成本较高。近年来，增材制造技术正在逐步实现生物医疗器件的定制化、多孔复杂器件产品化等。因此，为实现NiTi SMAs 医疗器件的进一步发展，推动增材制造NiTi SMAs 医疗器件的实际应用，尚需开展大量的材料-机械-生物跨学科研究。NiTi SMAs 医疗器件在植入人体前，需经过动物实验和临床实验验证安全性和有效性，该过程需大量的时间和资金支持。如何开发出先进的体外和体内环境来模拟NiTi SMAs 医疗器件与生物环境的复杂交互作用，节约时间和经济成本，进而快速推广NiTi SMAs 医疗器件的生物应用，是研究者需要重点关注的课题。此外，NiTi SMAs 的耐腐蚀性会影响其生物相容性。腐蚀过程中，金属离子释放和表层碎片的脱落，导致NiTi SMAs 医疗植入件周围出现炎症和组织损伤。因此，如何提高NiTi SMAs 医疗器件在生物环境中的耐腐蚀性是后续需要开展的重点研究内容之一。

6 结束语

本文主要介绍了NiTi SMAs 的功能特性，并总结了每种功能特性对应的智能应用，涉及航空航天、生物医疗和土木建筑等各个方面。NiTi SMAs 在温度和外力作用下会产生马氏体↔奥氏体的相互转变，是其作为智能结构产生驱动行为的根本原因，其可用来制备紧凑、无噪声和轻量化的驱动器，替代传统大型复杂的驱动系统。通过多学科结合优化，实现材料-结构-功能一体化的设计，达成NiTi SMAs 和控制系统的强集成，开发出集成度更高、功能更复杂的智能系统，扩大NiTi SMAs 的应用范围，是研究者亟须重点关注的问题。

智能材料的简单组合并不能构成真正的功能器件，NiTi SMAs 作为一种商业化应用前景广泛的智能材料，采用先进的制造技术（如增材制造等）制备结构功能一体化的智能构件是未来的重点发展趋势。增材制造技术作为新兴的制备技术，在实现NiTi SMAs复杂几何形状近净成形的同时，还能解决NiTi SMAs加工难、加工成本高的问题。因此，为实现NiTi SMAs 的进一步发展，推动NiTi 智能器件在航空航天、生物医疗和土木建筑等工程领域的应用，实现个性化和功能定制化的智能结构制备，仍需开展大量的跨学科研究。