形狀記憶合金在機械工程中的研究與應用

摘要：本文主要從形狀記憶合金的發現與發展、形狀記憶合金的分類、形狀記憶合金在機械工程中的應用、形狀記憶合金在機械工程中應用的展望等方面做出了探討。

關鍵詞：形狀記憶合金;機械工程;應用

1. 前言

隨著我國科技的不斷進步與發展，形狀記憶合金的應用越來越廣泛，本文就其在機械工程中的應用加以探討。

2.形狀記憶合金的發現與發展

縱觀形狀記憶合金的發展，與鋼鐵、鋁合金等廣泛使用的金屬相比，形狀記憶合金是一種具有感知和驅動能力的新型功能材料，其應用的最大價值在于“記憶”效應（Shape Memory Effect ，簡稱 SME）。“記憶”效應的發現最早要追溯到1932年，由瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到。合金的形狀在某一溫度下受外力被改變，當外力去除時，仍保持變形后的形狀，但一旦加熱到一定的躍變溫度時，材料又可以自動回復到原來的形狀，似乎對以前的形狀保持記憶，這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金（Shape memory Alloy ，簡稱 SMA）。形狀記憶效應是指形狀記憶合金材料在完全母相狀態下定型，然后冷卻到一定溫度形成完全馬氏體，將馬氏體在該溫度下施加變形， 使它產生殘余變形，如果從變形溫度加熱，伴隨逆相變， 就可以使原來存在的殘余變形消失，并回復到母相所固有的形狀，仿佛合金記住了母相狀態所賦予的形狀。當馬氏體變形后經逆相變， 能恢復母相形狀的稱為單程形狀記憶效應。有的材料經適當“ 訓練” 后，不但對母相形狀具有記憶，而且在再次冷卻時能恢復馬氏體變形后的形狀，稱為雙程形狀記憶效應。

形狀記憶效應被發現之后，人們從未停止過對記憶效應微觀原理的探索，并逐步利用這一特性來應用于特殊的場合。形狀記憶合金最早應用于工業生產是在1969年，人們采用了一種與眾不同的管道接頭裝置。為了將兩根需要對接的金屬管連接，選用轉變溫度低于使用溫度的某種形狀記憶合金，在高于其轉變溫度的條件下，做成內徑比對接管子外徑略微小一點的短管（作接頭用），然后在低于其轉變溫度下將其內徑稍加擴到該接頭的轉變溫度時，接頭就自動收縮而扣緊被接管道，形成牢固緊密的連接。據外國資料介紹，美國的F-14戰斗機使用了10萬個以上的類似這樣的接頭來連接液壓管道，從未發生過漏油、脫落或破損事故。應用最早也最廣泛的形狀記憶合金是鎳鈦形狀記憶合金，但為了進一步提升合金其他方面的性能，諸如耐高溫性能、抗疲勞性能等，人們向鐵鎳合金中不斷嘗試添加其他元素，從而進一步研究開發了鈦鎳鐵、欽鎳銅、鈦鎳鉻等新的鎳鈦系形狀記憶合金。

3.形狀記憶合金的分類

3.1 鈦鎳形狀記憶合金

1963年，W. Buehler等人在美國海軍武器實驗室發現了鈦鎳形狀記憶合金具有可逆馬氏體相變導致形狀記憶效應，隨后引起了人們的極大興趣，并很快得到應用。迄今為止，有TiNi形狀記憶合金的研究仍在不斷地開展，在一系列的國際會議上，如馬氏體相變國際會議（ICOMAT）、歐洲馬氏體相變會議（ECOMAT）、形狀記憶與超彈性國際會議（SMST），形狀記憶材料國際會議（SMM）等，都占有很大比重，在有關智能材料和結構方面的國際會議上也占有一定比重。現在，鈦鎳合金因其兼具新穎的形狀記憶、優良的超彈性等力學性能以及抗化學腐蝕性能與出色的生物相容性能已被廣泛地應用于土木、機械、控制、電子等工業領域以及醫療器械中。

3.2 銅基形狀記憶合金

該類形狀記憶合金主要分為Cu-Zn系和Cu-Al系兩大類，并且這些銅基材料有一個共同點即母相為體心立方結構（BCC）。與Ni-Ti基記憶合金相比，Cu基記憶合金具有成本低廉的優勢，其中Cu-Al-Ni合金還具有足夠時效穩定性、熱穩定性和高溫（可達近200℃）形狀記憶性能。但是，銅基合金易產生晶界斷裂和晶粒粗大，導致其力學性能相對較差，嚴重阻礙了其工程應用。

3.3 鐵基形狀記憶合金

在鐵基合金中發現了形狀記憶效應與NiTi合金和Cu基合金相比，鐵基形狀記憶合金具有強度高、塑性好、易加工、價格低廉、使用方便（不需要在低溫保存）等優點，其相變機理與其它記憶合金不同，因此無論在學術上還是在應用領域都有重要研究價值。

3.4 非晶態形狀記憶合金

非晶態合金又稱金屬玻璃，在1980年左右，日本東北大學的井上名久教授制備出了具有較大非晶形成能力的金屬玻璃成分，在鑄造下其臨界尺寸已超過毫米級。臨界尺寸達到1毫米以上的金屬玻璃被稱為塊體金屬玻璃。

4.形狀記憶合金在機械工程中的應用

形狀記憶合金由于具有許多優異的性能因而廣泛用于自動控制裝置、機器人、汽車工業、能源開發、醫療衛生以及日用消費品等領域。

4.1 用于汽車、機器人及能源開發等自動控制

形狀記憶合金具有溫度傳感器的功能，同時其外形恢復時作功，又有執行元件的功能，因此應用于溫度傳感器及執行元件上，其自動控制非常靈敏。形狀記憶合金使用最多的是制動器。目前，在汽車工業上使用的形狀記憶制動器已達一百多種，主要用于控制引擎、傳送、懸吊等，以提高安全性、可靠性及舒適性。形狀記憶合金在汽車手動傳動系統的防噪裝置以及發動機燃料氣體控制裝置上也得到應用。

4.2 用于家用電器

形狀記憶合金還廣泛應用于食品加熱器、空調器及電飯鍋等家用電器中。日本夏普公司使用形狀記憶合金元件控制食品加熱器的微波加熱和對流加熱的轉換，使食品加熱器的體積和重量都大大減小，成本降低2/3。又如，日本松下電器公司用形狀記憶合金制造的兩用空調機風向轉換裝置，其風門換向動作十分靈敏 ：當風溫在32 ～ 37℃時向下吹 ;風溫降到25 ～ 32℃時自動改為水平方向吹。這種裝置性能穩定、輕便、造價低，風門啟動無噪音，深受用戶歡迎。形狀記憶合金還廣泛用于制作電飯鍋恒溫器，溫度升高時會自動開啟，斷開電路 ;溫度下降到一定程度又會接下電源而起到自動保溫作用。

4.3 形狀記憶合金在醫療器械上的應用

用鎳—鈦形狀記憶合金制作的血管疾病醫療器具有很多優點。如，用形狀記憶合金制作的血管栓塞清除刀，在低溫下加工，使其呈卷筒狀，插入患者血管后，待溫度升到體溫時因形狀記憶效應刀刃自動平展，通過轉動即可清除血管栓塞或沉積物。醫學專家還用形狀記憶合金絲與銀絲結合做成夾具，成功地進行腦動脈瘤的切除手術。

5.形狀記憶合金在機械工程中應用的展望

形狀記憶合金因其奇特的形狀恢復功能，已在各領域獲得應用，但是受其生產成本，特別是材料學方面問題的影響，在工程應用上還沒有得到足夠地重視。在已開發的應用實例中，面臨的最大問題首先是在大批量生產中難以控制合金的馬氏體轉變溫度，即記憶合金開始動作的溫度，其次是雙程記憶性能會在熱循環過程中逐漸衰減。因此形狀記憶合金理想中的應用場合應該是不需要非常準確的動作溫度，僅利用其單程形狀記憶效應，而且為了降低成本，合金中不應含有貴重的合金元素，為此本文提出用Fe-Mn-Si形狀記憶合金替代預應力混凝土中普通預應力鋼筋的設想。預應力混凝土的強度與其內部鋼筋產生的預應力密切相關，普通預應力鋼筋僅依靠材料彈性變形時的應力，形狀記憶合金不僅可恢復的變形量更大，而且在發生形狀恢復時可以產生很大的力，因此是生產預應力混凝土的理想材料。更為重要的是，用于生產預應力混凝土時，形狀記憶合金不需要非常準確的動作溫度，也不需要雙程形狀記憶性能。Fe-Mn-Si合金中也不含貴重的合金元素，雖然使用形狀記憶合金后預應力混凝土的生產成本會略有上升，但是可望大幅度地提高混凝土的強度指標，綜合性價比會顯著上升。

6.結束語

科技改變生活，形狀記憶合金的研發及應用越來越受到企業及研究人員的重視，加強該部分內容研究非常具有現實意義。

參考文獻：

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作者簡介：

吳威武（1993.02.05-），本科，邵陽學院機械系。