形状记忆合金论述

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1、形状记忆合金论述形状记忆合金论述摘要:形状记忆合金，是一种在加热升温后能完全消除 其在较低的温度下发生的形变，恢复其形变原始 形状的合金材料。这种合金在高温（奥氏体状态） 下发生的“伪弹性”行为，表现为这种合金能承 载比一般金属大几倍甚至几十倍的可恢复应变。 形状记忆合金的这些独特性质源于其内部发生 的一种独特的固态相变一一热弹性马氏相变体。关键词:形状记忆合金、马氏相变体、记忆效应、各原理 的应用。引言:III形状记忆合金是材料经适当的热处理后即具有 回复形状能力一种特殊的金属材料。人们也把它 叫做形状记忆效应。形状记忆合金在温度较低的 时候因为外加应力，产生塑性变形，在温度较高 的时候有克

2、服外加应力回复形状，形状记忆合金的另一个独特性质是在高温下(奥氏体状态)下 发生大的“伪弹性”或“超弹性”，即表现为这 种合金的承载力比一般金属大几倍甚至几十倍的可回复应变。研究表明，很多合金材料都具有 SME ,但只有在形状变化过程中产生较大回复应 变和较大形状回复力的，才具有利用价值。到目 前为止，应用得最多的是Ni2Ti合金和铜基合金 (CuZnAl和CuAlNi) SMA及其驱动控制系统具 集传感、控制、换能、致动于一身，结构简单， 易于控制；对环境适应能力强，不受温度以外的 其他因素影响等，有着传统驱动器不可比拟的性 能优点。形状记忆合金由于具有许多优异的性 能，因而广泛应用于航空航

3、天、机械电子、生物 医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领 域。有许多的优点，如高功率重量比，适于微型化;i=j一、形状记忆合金的发展史最早关于形状记忆效应的报道是由 Chang及 Read等人在1952年作出的。他们观察到Au-Cd 合金中相变的可逆性。合金的形状被改变之后， 一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般 地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能 的合金称为形状记忆合金。记忆合金的开发迄今 不过20余年，但由于其在各领域的特效应用， 正广为世人所瞩目，被誉为“神奇的功能材料气 直到1962年，Buehler及其合作者在等原子比 的TiNi合金中观察到具有宏观形状变化的记忆

4、 效应，才引起了材料科学界与工业界的重视。到 70年代初，CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也 发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应。几十年来，有关形状记忆合金的研究已逐渐成为 国际相变会议和材料会议的重要议题，并为此召 开了多次专题讨论会，不断丰富和完善了马氏体 相变理论。在理论研究不断深入的同时，形状记 忆合金的应用研究也取得了长足进步，其应用范 围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等 许多领域。原理、由形状记忆合金的定义我们知道在某种条 件下满足由A到B，B又恢复到A的合金材料， 那么我们就知道形状记忆合金在工作状况 中；有两个条件；一，形状改变是可逆和半可逆的。二，环境的

5、改变能引起形状的改变。III原理一；母相在降温和施加应力的作用下变 成马氏体，在合金的单相作用下，马氏体顺 应力发生再取向，形成马氏体的择优取向， 但大部分和全取向是材料在宏观上表现为形变。形状记忆效应是指SMA具有的记忆并回复至 它在奥氏体状态下的形状的能力。如果在低 温马氏体状态下拉伸SMA并留下较大的塑性 变形，那么将SMA加热至一定温度后，马氏 体就会转为奥氏体，SMA将回复到它刚刚开 始时的形状，随后再进行冷却或加热，合金 形状都将保持不变。上述过程可以周而复始， 称为单程形状记忆。此外还有双群形状记忆 合金和全方位记忆合金。这种回复应力可用 作结构控制时的驱动力，也可以用来直接控

6、制结构的刚度。 弹性模量随温度变化特性 是指，奥氏体，咻在高温下它的弹性模量是 低温下马氏体SMA的弹性模量的3倍以上。 这种特性主要可以用米改变的固有频率，从 而避免共振。形状记忆合金的记忆效应可以分为下列三种：（1）单程记忆效应（1-way）：形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前III的形状，这种只在加热过程中存在的形状记 忆现象称为单程记忆效应。（2）双程记忆效应（2-way）:某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相III形状，称为双程记忆效应。（3）全程记忆效应:加热时恢复高温相形状， 冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形 状，称为全程记忆效应。a）单程翎E

7、b）双程SME为伪弹性图1形状记忆效应示意图材料的分类的是Chang和Read ,他们通过对AuCd的相变 可逆性研究发现相变过程中发生了电阻率的变 化。1958年,在铜(CuZn)中也发现了类似的现 象。直到1962年，当Buehlerh和其同事们在 等原子的Ni2Ti合金中发现了 SME后,对SMA 冶金学和应用的研究才蔚然兴起。随后的十年中, 市场上出现了大量的利用SMA制造的产品。经 过广泛研究，到目前为止，具有SME的合金可归 纳为以下几类：1) Ni2Ti 系，包括等原子 Ni-Ti , Ti-Ni-X(X = Fe ,Al ,Co)2) 铜系，包括Cu-Zn系，如Cu-Zn ,

8、Cu-Zn-X(X = Si ,Al , Sn) Cu-Al 系，如 Cu-Al2 , Cu2Al2Ni 3)其他有色金属系，如 Co-Ni , Ti-Nb ,Au-Cu-Zn ,Au-Cd ,Ag-Cd , In-Ti 等；4) 铁 基 合 金 ，如 Fe-Pt ,Fe-Ni-Co ,Fe-Mn-Si ,Fe-Ni-Co-Ti ,F e-Mn-C及不锈钢等。虽然目前已经发现的形状记忆合金有30余种。但正式作为商品生产的只有Ni系和Cu基两大 类。一般来说,Ni2Ti合金反复使用的稳定性、 耐蚀性、对生物体的适应性（界面相互作用）、 以及超弹性和制备加工性等都比Cu基合金优越, 但成本较高。C

9、u基合金尽管在这些方面略微逊 色，但价格便宜,在反复使用频率不太高、条件不 太苛刻情况下，应用前景非常广泛。形状记忆效应的应用因为记忆合金的特殊的记忆功能，现在已经广泛 应用在航空、卫星、医疗、生物工程、能源和自 动化等方面。一、生物医疗iwJ临床上用的最普遍的是镍钛（Ni-Ti ）形状记忆 合金（SMA）,简称NT-SMA。NT-SMA是集耐磨、 耐腐蚀、形状记忆效应伪弱性和声阻尼等性能于 一体的新材料，有热弹力型的马氏体变态，有种 种难以想象的性质。采用Ni-Ti合金做成人体用 的生物植入件，如脊椎矫直用的支板，齿科用的 矫齿丝以及人体矫形外科用的假肢等。用于医学 领域的Ti-Ni形状记忆

10、合金，除了利用其形状记 忆效应或超弹性外，还应满足化学和生物学等方面的要求，即良好的生物相容性。=J（1）牙齿矫形丝 牙齿矫正器是利用生物力学 原理来对牙合畸形的牙齿进行矫治，通过矫 正系统施以温和而持久的生物力，慢慢地使 牙齿移动，让牙齿恢复到 正常位置，将牙齿排列整 齐。用超弹性Ti=Ni合金 丝和不锈钢丝做的牙齿 矫正丝，其中用超弹性 Ti-Ni合金丝是最适宜 的。通常牙齿矫形用不锈 钢丝Co-Cr合金丝，但是 这些有弹性模量高，弹性应变小的缺点。为了给出适宜的矫正力，在 矫正前就要加工成弓形，而且结扎固定要求 熟练。如果用Ti-Ni合金作牙齿矫形丝，即 使应变高达10%也不会产生塑性变

11、形。这种 材料不仅操作简单，疗效好，也可以减轻患 者不适感。（2）脊柱侧弯矫形各种脊柱侧弯症（先天性、习惯性、神经性、佝偻病性、特发性等）疾 病，不仅身心受到严重损伤，而且内脏也受到压迫，所以有必要进棒时，要求固定后脊 椎受到的矫正力保持在3040kg以下，一但 受力过大，矫形棒就会被破坏，结果不仅是脊柱，而且连神经也有受损伤的危险。如果 矫形棒的矫正力有变化，以通过体外加热形状记忆合金，把温度升高到比体温约高5C，III就能恢复足够的矫正力。另外，外科中用Ti-Ni形状记忆合金做各种骨连接器、血管hi夹、凝血滤器以及血管扩张元件等。同时还hi广泛应用于口腔科、骨科、心血管科、胸外hi科、肝胆

12、科、泌尿科、妇科等，随着形状记 忆的发展，医学应用将会更加广泛。二、航天领域有些应用领域,要求形状记忆元件在多次循环往 复运动中对外产生力的作用O 1997年美国航空 航天局（NASA）的科学家利用长3cm ,直径0.115mm的Ni-Ti SMA驱动火星探测器上的太 阳能电池挡板，加热SMA，使其收缩，通过传动装 置,打开太阳能电池上的玻璃挡板，电池充电。充 电结束后,偏置弹簧重新使挡板复位。挡板的有 效开合可起到防尘的目的。在神舟系列的的飞船 中需要用到天线。可是由于飞船的体积是非常有 限的，假如用普通的金属制成这样的天线就无法 带到太空。但是采用记忆温度为40C的Ni-Ti 合金在40C

13、以上做成的天线，然后在冷却到40C 一下。这时天线就可以折叠成一个小球团，从而 达到方便的装进飞船的目的。当宇宙飞船到达月 球后，受到太阳光的强烈照射，小球团的温度很 容易达到40C以上，此时它就恢复原来的形状， 张开呈伞面工作三、生产与生活领域（1）防烫伤的阀门在我们的家庭生活中，已经 开发的形状记忆阀可用来防止洗涤槽中、浴盆和 浴室的热水意外烫伤；这些阀门也可以用于旅馆 和其他适宜的地方。如果水龙头流出的水温达到 可能烫伤人的温度（大约48C）时，形状记忆合 金驱动阀门关闭，直到水温降到安全温度，阀门 才重新打开。(2) 眼镜框架 在眼镜框架的鼻梁和耳部装配 TiNi合金可使人感到舒适并抗

14、磨损，由于TiNi 合金所具有的柔韧性已使它们广泛用于改变眼 镜时尚界。用超弹性TiNi合金丝做眼镜框架， 即使镜片热膨胀，该形状记忆合金丝也能靠超弹 性的恒定力夹牢镜片。这些超弹性合金制造的眼 镜框架的变形能力很大，而普通的眼镜框则不能 做到。(3移动电话天线和火灾检查阀门使用超弹性 TiNi金属丝做蜂窝状电话天线是形状记忆合金 的另一个应用。过去使用不锈钢天线，由于弯曲 常常出现损坏问题。使用TiNi形状记忆合金丝 移动电话天线，具有高抗破坏性受到人们普遍欢 迎。因此常用来制作蜂窝状电话天线和火灾检查 阀门。火灾中，当局部地方升温时阀门会自动关 闭，防止了危险气体进入。这种特殊结构设计的

15、优点是，它具有检查阀门的操作，然后又能复位 到安全状态；这种火灾检查阀门在半导体制造业 中得到使用，在半导体制造的扩散过程中使用了 有毒的气体；这种火灾检查阀也可在化学和石油 工厂应用。四、其他方面的应用(5)其他方面的应用在工程和建筑领域用TiNi形状记忆合金作为 隔音材料及探测地震损害控制的潜力已显示出 来。已试验了桥梁和建筑物中的应用，因此作为 隔音材料及探测损害控制的应用已成为一个新 的应用领域。前景展望在形状记忆合金的实用化进程中，急需累积并分 析关于材料特性、功能可靠性、生物相容性和细 胞毒性等方面的基础数据资料。可以预言：随着 对SMA研究的进一步深化，传统的机电一体化系 统完全

16、有可能发展成为材料电子一体化系统。记 忆合金目前已发展到几十种，在航空、军事、工 业、农业、医疗等领域有着很大的用途，而且发 展趋势十分可观。这些研究表明我们已经做出了 一个进步，但是我们需要将这一步迈的更大。假 以时日，它将大展宏图、造福于人类。参考文献1吴德隆、阎绍泽、黄铁球、张永.空间大型 伸展机构动力学.陈演主编，动力学、振动与控制的研究长沙：湖南大学出版社，1998. 239-245 阎绍泽、吴德隆、黄铁球、张永航天压电陶 瓷微位移作动器设计与实验研究.导弹与航天运 载技术，1998(6): 25-31A R , et al. Conf On Smart 992, 197Smart Mater3