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1、:纵各#: 学班姓学形状记忆合金摘要：二十一世纪将是材料一电子一体化的世纪。作为新型功能材料家庭中的重要 成员，形状记忆合金在工程机械和日常生活中得到了广泛的应用。由形状记忆合金构成 的结构简单、控制灵活、功率密度大的各类记忆合金驱动器，在轻型机器人及小型化系 统中具有独特的技术优势。Abstract: The 21st century is the century electronic unifinication materials in one. As a kind of new functional materials important members of the family, s
2、hape memory alloy in engineering machinery and daily life has been widely used. The shape memory alloy consisting of flexible, simple structure, control the power densities in all kinds of memory alloy drive, light-duty robot and miniaturization has unique technology in the system advantage.关键词：形状记忆
3、合金，形状记忆效应，超弹性，应用Keywords: Shape memory alloy, Shape memory effect, Hyperelastic, Applications引言：记忆是人类和某些动物才具有的本领，但是有一些金属材料也具有“记忆” 的功能，而且这种记忆功能有着重要作用。1951年人们首次在AuCd合金上发现独特的 形状记忆效应，但直到1963年美国海军武器实验室发现TiNi合金具有形状记忆效应时， 才引起人们对形状记忆合金的实用性寄予了很大的希望。迄今为止，已发现有20多种形 状记忆合金，在工业自动化、能源、航空、航天、运输、建筑、医疗、家电、仪器仪表 以及日常生活
4、用品等领域已得到广泛应用。一、形状记忆效应形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称为SMA)是一种特殊的金属材料，经适当的 热处理后即具有回复形状的能力，这种能力被称为形状记忆效应(Shape memory Effect 简称为SME)。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NiTi合金和铜基合金(CuZnA 1和C Ni)。最先在合金 相变过程中观察到形状记忆效应的是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(C
5、uZn)中也发现了类似的现象。直到 1962年，当Buehlerh和Co Workers在等原子的NiT i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。形状记忆效应主要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3 种类型，如图1所示。初始形状 低温变形单程 (J*加热冷却双程 (J全用(J从形状记忆效应机理上 氏体相变而完成的。也就是记忆材料的形状记忆效应是通过马相向高温相进行可逆转变的结果。但这种转变是有条件的，以合金为例，其条件必须是：马氏体相变是热弹性的；母体与马氏体相呈现有序点阵结构；马氏体内部是孪
6、晶变形的；相变时在晶体学 上具有完全可逆性。其中形状记忆时晶体结构变化的模型如图2所示。形状记忆效应历程 如图3所示。奧氏体李晶马氏体二、形状记忆合金目前，人们已发现的形状记忆合金有Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、 Cu-Zn-Si、 Cu-Sn、 Cu-Zn-Ga、 In-Ti、 Au-Cu-Zn、 NiAl、 Fe-Pt、 Ti-Ni、 Ti-Ni-Pd、 Ti-Nb U-Nb和Fe-Mn-Si等50多种，根据合金相组成和相变特征，具有较完全形状记忆效应的合 金主要分为钛一镍系列形状记忆合金、铜基系列形状记忆合金和铁基系列形状记忆合金。 其主要的形状
7、记忆方面的性能如表1所示。表1形状记忆方面性能项目Ni-TiCu - Zn - Al Cu - Al - Ni Fe-Mn-Si晶粒大小/pm1-1050 “ 10025-60转变温度/弋-50-100-200 -170-200- 170-20 - 230滞后大小/七3010-2020-3080-100最大单程形状记忆.炀应变8565最大双聲形状记忆必应变=102611.2/V = 1O520,80,8wa-N =1070,50,50.5上限抑热温度（1 h）/咒他160 - 200300最大伪弹性应变（单晶）， 伽应变10 31010最大伪弹性应变（多晶）.%应变422恢复应力/MPa400
8、200190其中钛一镍系列合金是目前形状记忆合金中研究最全面、记忆性能最好、实用性强 的合金材料。并且可以通过加入第3种元素、增加镍的含量、低温时效处理等方法提高合 金的形状记忆性能和加工性能，拓宽应用范围。如用于航天、舰艇、海上石油平台等方 面的液压管路接头；核反应堆工程中的热敏元件等。铜系列形状记忆合金种类比较多，主要包括CuznAl及CuznAl （X二Mn、Ni）, CuAlNi及CuAlNi （X 二Ti、Mn）和CuZn （X 二Si、Sn、Au）等系列。但是， 铜系列合金的形状记忆效应明显低于钛一镍合金。提高这类合金的形状记忆性能的主要 方法是加入适量的稀士和Ti、Mn、V、B等
9、元素。另外，由于这类合金的优点在于原料充 足、容易加工、价格低、转变温度宽、热滞后小、导热性好，因此，具有一定的发展空 间。铁系列形状记忆合金开发的比较晚，但因其具有便宜、易于加工、强度高、刚性好 等特点而受到国内外的普遍重视，虽然铁合金的形状记忆效应不如钛一镍系列合金，但 通过加入Ti、Cr、Co、Ni等元素进行改进，因此，发展的前途非常大。三、形状记忆合金的应用由于SMA的形状记忆效应和伪弹性，对温度和应力的变化非常敏感，产生的变形和 可恢复力较一般的材料要大的多和抗疲劳性强等独有的特性，迄今为止，形状记忆合金 在电子、机械、航天、建筑、运输、化学、医疗、能源以及日常生活中得到了广泛的应
10、用。 SMA 可加工成管接头、阻尼元件、振动隔离器、地震抑制器、自动控制系统中的驱 动器和控制器。利用SMA对应变敏感，电阻率大，加热可产生大回复力特点，可将其用于裂纹的检 测和控制。将SMA丝或薄膜粘贴在易于产生裂纹或应力集中较大的地方，当产生裂纹后, SMA 就会随裂纹表面张开而产生变形，这样材料内部的电阻值就会发生变化，通过电阻 值的变化就可判断裂纹的宽度，当裂纹的宽度超过一定的范围后，将SMA加热，由此SMA 就会收缩，产生回复力，该回复力可驱动裂纹闭合。SMA 在马氏体相时产生塑性形变，温度升高自由回复到记忆的形状。自由回复的典 型例子是人造卫星的天线和血栓过滤器。美国航空航天局（N
11、ASA）将Ti Ni合金板或棒卷 成竹笋状或旋涡状发条，收缩后安装在卫星内。强制回复最成功的例子是SMA管接头。事先把内径加工成比被接管外径小4%，当进 行连接操作时，首先把管接头浸泡在液态空气中，在低温保温状态下扩径后，把被接管 从两端插入，升高温度，内径回复到扩径前的状态，把被接管牢牢箍紧。利用SMA制作 的脑动脉瘤夹可夹住动脉瘤根部，防止血液流入，使动脉瘤缺血坏死。此外，类似的用 途还有电源连接器、自紧固螺钉、自紧固夹板、固定销、密封垫圈、接骨板和脊柱侧弯 娇形哈伦顿棒等。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。温度继电器和温度保持器、自动干燥箱、电子灶、热
12、机、卫星仪器舱窗门自动 启闭、自动火警警报器、热敏阀门、液氨泄漏探测器、煤气安全阀、通风管道紧急启动 闸门、自动收进烟头的烟灰盒及人工心脏等都属于这种应用类型。因为SMA的相变发生在一定温度范围而不是某一固定温度点，我们往往只利用一部 分形状回复，使机械装置定位于指定的位姿。微型机器人、昆虫型生物机械、机器人手 抓及微型调节器、笔尖记录器及医用内窥镜都属于这一类。形状记忆合金用作机器智能 人的执行器，集传感、控制、换能、制动于一身，具有仿真性好、控制灵活、动作柔顺 无振动噪声、易于结构微型集成化等优点。SMA 的伪弹性在医学上和日常生活中得到了广泛的应用，市场上的很多产品都应用 了SMA的伪弹
13、性（超弹性）性质。NiTi合金材料具有良好的抗腐蚀性和生物相容性，可 以制成极小的尺寸，既具有良好的弹性又具有足够的温度，在生物医学上有其他材料不 可替代的广泛用途。主要有牙齿娇形丝、人工关节用自固定杆、接骨用超弹性NiT i丝、 玩具及塑料眼镜镜框等NiTi丝用于娇形上，即使应变量高达10也不会产生塑性变形， 而且应力诱发马氏体相变的过程中，应变增大较多时矫正力却增加很少。故能保持适宜 的矫正力，既可保证疗效，也可减轻患者的不适感。关于SMA具体的用途如表二所示：表2形状记忆合金的应用实例工业上形状恢复的工业上形状恢复的医疗上形状恢复的一次利用反复利用利用温度传感器消除凝囲血栓过涯黠管接头调
14、节室内温度用恒温器管椎轿正棍宇宙飞行器用天线温室窗开闭器脑瘤手术用夹子火灾报警器 汽车散热器凤朗的离合郢人造心脏、人造肾的辦膜甲刷电路板的结合热能转变装置转折部位固定夹板集成电路的焊接热电继电務的控制元件轿正牙排用拱形金属线四、郴记忆合金的高科技应用展望20世纪是机电学的时代。传感集成电路 驱动是最典型的机械电子控制系统， 但复杂而庞大。形状记忆材料兼有传感和驱动的双重功能，可以实现控制系统的微型化 和智能化，如全息机器人、毫米级超微型机械手等。21世纪将成为材料电子学的时代。形状记忆合金的机器人的动作除温度外不受任何环境条件的影响，可望在反应堆、加速 器、太空实验室等高技术领域大显身手。形状
15、记忆合金是面向21世纪的新型功能材料，并且在航空、军事、工业、农业、医 疗等领域有着用途，而且有着十分可观的发展趋势。随着人们研究的深入，形状记忆材 料必将会有更大的进步，来造福于人类。参考文献1 杨凯，辜承林，21世纪的新型功能材料一形状记忆合金，金属功能材料，2004.122 吴根华, 形状记忆合金及其应用, 安庆师范学院学报,2004.113 马 超, 形状记忆材料的应用与发展, 辽宁化工,2006.14 杨冠军 杨华斌, 我国形状记忆合金研究与应用的新进展, 材料导报,2004.25 李兵,形状记忆合金材料的发展动向，材料天地，2005.26 金延，启明，形状记忆合金的开发和应用，金属功能材料，20067 征晓燕，形状记忆合金的开发，金属功能材料，2003
