形狀記憶合金的機理及其應用

李星宇

摘 要：形狀記憶合金是一種原子排列較為規則的新型的功能材料，具有發生塑性形變后加熱到設定溫度下并恢復原態的能力。形狀記憶合金可以分為Ti-Ni基、Fe基和Cu基三種，除此之外近年來形狀記憶復合材料也有了巨大的進步。本文通過對形狀記憶合金的形狀記憶機理、研究現狀進行分析和討論，進而指導相應的科學研究和工業生產。

關鍵詞：形狀記憶;Ti-Ni基;Cu基;形狀記憶復合材料

中圖分類號：TG139.6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）22-0090-02

0 引言

形狀記憶合金是指[1]具有一定初始形態的合金，在低溫狀態下經過塑性形變并加工成某種特定形狀并在加熱或達到其特定的臨界溫度后會恢復初始形態的一類特殊合金。形狀記憶合金具有記憶原有形狀的功能[1]，稱為形狀記憶效應，擁有形狀記憶效應的還有形狀記憶陶瓷和高分子等材料，這些是21世紀新興的智能化材料。由于擁有了形狀記憶功能，我們可以將其應用到生活的各個方面，例如，生物醫學中的人造合金骨、航空航天工業中的太陽能電極板及其支撐結構、軍事工業中的武器以及現代建筑等方面。

形狀記憶合金按照溫度升高到特定溫度后的變形特征，可以為三類[2]，第一種是單程記憶合金，單程形狀記憶效應是指材料在較低的溫度下發生變形，并在后續的加熱的過程中恢復原來形狀，這種只在升溫過程中存在形狀記憶效應的合金稱為單程記憶合金;第二種是雙程記憶合金，這是一種只在高溫狀態下不會變形的合金，簡單來說就是在升溫過程中會變形一次，而在降溫過程中又會重新變為原來低溫相的形狀;第三種是全程記憶合金，這種合金變化過程最為復雜，它在升溫過程變為高溫相形狀而在冷卻時又變為與形狀的取向相反的低溫相形狀。

目前生活中經常用到的形狀記憶合金，按照構成原料可分為三個大類：最早被人們使用的的Ti-Ni系形狀記憶合金、被稱為β相合金的銅系形狀記憶合金、貴金屬系的Fe系形狀記憶合金。人們在上世紀30年代Au-Cd合金中首次發現了形狀記憶效應，到了上個世紀的50年代又再次發現，但人們并未重視，直到1963年美國海軍Buebler等人在Ti-Ni系合金中發現了具有實際作戰效果的形狀記憶效應，形狀記憶材料才被人們所重視。

形狀記憶效應[2]，是指特定材料在發生變形后并加熱至較高溫度，此時材料會恢復為之前的形狀，或者在之后的冷卻過程中由于內部能量的釋放而恢復到馬氏體形狀的現象。冷卻至低溫馬氏體狀態后，將合金變化，接著加溫到高溫母相態時，又可以恢復到原來形狀的效應。形狀記憶合金可以通過機械訓練[3]、熱處理工藝以及合金成分改變形狀記憶合金的性能，根據不同的形狀記憶效果可以分為單程、雙程、全程形狀記憶合金。其中的單程記憶效應的處理方法可分為3種，分別是中溫、低溫和時效三種不同的工藝。

1 Ti-Ni基形狀記憶合金

自1963年Ti-Ni系形狀記憶合金被人們發現，二元Ti-Ni系形狀記憶合金已經無法完全滿足人們的需求，為了提高形狀記憶合金性能，通過加入各種合金化元素[4]，可得到諸如Ti-Ni-Co系、Ti-Ni-Cu系、Ti-Ni-Fe系形狀記憶合金。Ti-Ni基形狀記憶合金具有良好的超彈性[3]、高阻尼性、耐腐蝕性、生物相容性和形狀記憶效應。而且當這種記憶合金處于母相狀態時，具有回彈性大、硬度高、強度高等優點。然而它的缺點也很明顯，Ti-Ni基形狀記憶合金制備成本較高、制備工藝困難且生產效率低下。

2 Cu基形狀記憶合金

Ni-Ti基形狀記憶合金的強度較高、性能優異、韌性好且耐腐蝕性較好，在實際生活中的應用也非常廣泛，但是它有一個致命的問題[5]，其制備加工成本、原料成本高昂，制約了作為普通產品的大規模量化生產和運用。Fe基形狀記憶合金成本雖然低，合金強度也比較高，但是其形狀記憶性能穩定性弱，相變溫度可調范圍較小，生產過程也比較復雜，因此目前也只是處于實驗室階段。Cu基形狀記憶合金是已經發現的形狀記憶合金材料中種類最多的，它可以分為Cu-Zn系和Cu-Al系，其中最具有實際應用價值的是Cu-Ai-Ni、Cu-Al-Mn和Cu-Zn-Al 3大類。Cu基形狀記憶合金的形狀記憶性能優良[4]、導熱導電性能良好、相變溫度可調范圍大，且其價格大約只有Ti-Ni基形狀記憶合金的十分之一。在目前形狀記憶合金領域，除了需要長期植入型的醫療工具和部分使用條件苛刻或反復使用次數高的特殊領域工業中只能用Ni-Ti基形狀記憶合金以外，其他領域Cu基形狀記憶合金都可以勝任。除此之外，Cu基形狀記憶合金在土木建筑、電子通信、機械制造及日常生活等方面有較廣的應用。

Cu-Al-X形狀記憶合金的馬氏體轉變的起始溫度可以在-140～400℃內進行調節[2]，該系的形狀記憶合金彈性各向因子大于10，導熱系數是Ti-Ni基形狀記憶合金的數倍。Cu-Al-X形狀記憶合金具有較好的單程形狀記憶效應[2]，還可以通過適當的循環訓練，產生大量位錯，以此提供形核源，從而使合金擁有雙程形狀記憶效應。據以往科研報道記載，Cu-Al-Be合金多晶狀態單程形狀回復率可以達到86%，經過多種加工之后，雙程恢復角度可達到30%，更有Cu-Al-Mn的柱狀晶形狀回復率可以達到91%。

3 形狀記憶金屬基復合材料

復合材料是一種為了滿足實際生產生活需要而被人為設計，并通過物理或化學變化使兩種或兩種以上不同性質的組元復合而成的新型材料。現如今復合材料的高速發展已帶動航空航天[6]、交通運輸裝備及其制造、機械電子工程、電子電器等領域的不斷發展。現代社會需要更為強大的高性能材料，而復合工藝正是提升材料性能、發展高性能材料的重要手段。首先，以聚合物為基體的常用復合材料因價格低廉、技術門檻低，被廣泛應用于建筑、家具、日用品等民用領域，而以樹脂基為基體、以金屬為基體和以陶瓷為基體的先進復合材料強度高、韌性大、耐受極端溫度，可以制造摩擦片、曲軸、軋輥、車床刀頭和模具等耐磨部件，火箭、導彈整流罩，飛機機翼，燃氣輪機葉片，預警機雷達罩等，覆蓋高新技術和尖端制造業領域，是當之無愧的國家重器。

形狀記憶合金增強金屬基復合材料是以金屬材料作為基體[7]，其余不同的形狀記憶合金作為增強體，通過多種方法將基體和增強體結合后，創造出兩相或多相的材料系統。形狀記憶復合材料的鑄造方法較多，但一直以來還是較為傳統的鍛造方法，如粉末冶金法、放電等離子燒結法、真空熱壓法和鑄造復合法等。

在20世紀80年代時期人們提出了機敏復合材料的概念[8]，這是一種可以對相對所處環境自行作出反應的新型智能材料，這些反應諸如自診斷、自適應還有自我修補。研究復合材料的相關人員中的絕大多數都認為[9]，形狀記憶合金SMA是在20世紀70年代被美國海軍發現的一種具有驅動和感知能力的現代新型功能材料，形狀記憶合金的形狀記憶效應和超彈性等特點使得形狀記憶材料在馬氏體逆相變時彈性模量突發性增加以便產生較大的回復力，并在此時馬氏體相變可以自我協調并吸收能量，這是最重要的機敏符合材料驅動組員。因為這些優點，將形狀記憶合金與其他材料復合在一起可以構成一個復合的智能材料體系，這早已成為了國內外學者的共識，這也是機敏復合材料研究中的重點，在工業方面更是擁有非常光明的前景。

4 結語

隨著科學技術的不斷發展，功能材料越來越受到人們的重視并已逐漸應用在各種工業設備中，形狀記憶合金未來的發展方向主要有三個方面：一是提高形狀記憶合金的服役和使用壽命，提高形狀記憶合金的穩定性，在加工過程中使用更良好的加工工藝進行高效化加工;二是精細化、一體化及智能化生產，保證生產的質量和生產效率;三是需要將形狀記憶合金與多種不同學科方向進行交叉融合，例如大數據計算、生物醫學、環境科學等熱點研究領域，提高形狀記憶合金的科研價值和使用價值。

參考文獻

[1] 高軍鵬，張晨乾，安學鋒，等.含氟聚醚醚酮改性環氧樹脂的形狀記憶性質研究[J].材料工程，2009（S2）：123-126.

[2] 薛嗣創，王戊，吳殿震，等.形狀記憶合金的研究進展[J].材料導報，2011（s2）：478-481.

[3] 耿冰.形狀記憶合金的研究現狀及應用特點[J].遼寧大學學報（自然科學版），2007，34（3）：225-228.

[4] 劉康凱，賀志榮，馮輝. Ti-Ni基形狀記憶合金的加工工藝及應用研究進展[J].鑄造技術，2017（9）：2067-2071.

[5] 黃海友，王偉麗，劉記立，等.Cu基形狀記憶合金的應用進展[J].中國材料進展，2016，35（12）：919-926.

[6] 啟明.TiNi形狀記憶合金絲增強鎂合金基復合材料[J].金屬功能材料，2006（01）：47.

[7] 練小正.NiTi形狀記憶合金絲增強鎂鋰合金復合材料研究[D].哈爾濱工程大學，2013.

[8] 王征，吳建生，董建偉，等.形狀記憶合金絲增強復合材料的熱機特性——智能復合材料研究[J].復合材料學報，1997，14（4）：52-56.

[9] 楊素媛，楊勝男，沈娟，等.形狀記憶合金增強金屬基復合材料的研究進展[J].金屬功能材料，2016，23（04）：1-9.