淺談形狀記憶合金的應用及發展

（貴州理工學院工程訓練中心，貴州 貴陽 550003）

1 形狀記憶合金的發展歷史

形狀記憶合金（Shape Memory Alloys）是一種具有優異性能的形狀記憶材料（Shape Memory Materials），當受到外力或磁性變化的影響時，能保持其先前的狀態，這種轉變現象稱為形狀記憶效應。這些材料的應用非常簡單，其中通過施加外力，材料很容易變形，當通過外部或內部加熱到一定溫度時，它將收縮或恢復到其原始形狀。1932年，瑞典物理學家首次在金鎘（Au-Cd）合金中發現了這種形狀記憶效應。到1938年，Greninger和Mooradian首次在銅鋅（Cu-Zn）合金和銅錫（Cu-Sn）合金中觀察到了該種形狀記憶效應。直到1969年，SMA首次商業應用成功，Raychem公司將NiTi合金作為管接頭成功應用于美國F14戰機上的油壓系統中，并實現油壓系統的良好密封性。

2 形狀記憶效應介紹

形狀記憶合金的形狀記憶效應從本質上講與合金內部發生馬氏體相變有關。在較高溫度下形狀記憶合金以奧氏體結構形式存在，而在較低溫度下以馬氏體結構形式存在。當SMA被加熱時，它開始從馬氏體相轉變為奧氏體相。As被定義為奧氏體轉變開始的溫度，Af被定義為奧氏體轉變終了的溫度。當SMA被加熱到As溫度以上時，馬氏體相會逐漸轉變回奧氏體相，同時恢復至原高溫時形狀，這種轉變也可以在高負載條件下進行。而在冷卻過程中，從奧氏體開始恢復到馬氏體的起始溫度被定義為Ms，并將馬氏體轉變終了的溫度定義為Mf。我們把馬氏體相變不再受應力誘導發生的溫度定義為Md。在此溫度以上，SMA在外力作用下發生形變，卸載后馬上恢復到原來的形狀。形狀記憶合金有三種不同類型的記憶效應（如圖1所示），其特點如下：①單程記憶效應。當在降低溫時使合金發生形變，然后通過升高溫度使其恢復到變形前時的狀態，即在加熱過程中存在形狀記憶效應；②雙程記憶效應。當合金在加熱過程中恢復到高溫時的狀態，而降低溫度時又恢復到低溫時的形狀時的現象。由于雙程記憶效應需要經過適當的“訓練”過程才可獲得并且在高溫狀態下的應變量會大幅降低，所以它在商業上的應用比較少。熱-力循環處理是實現雙程形狀記憶效應的一種“訓練”方法，它通過在奧氏體和特定馬氏體變體之間往復循環從而達到“訓練”的目的；③全程記憶效應。指合金在加熱過程中恢復到高溫時的狀態，當降低溫度到低溫狀態時形狀變為高溫狀態時相反的形狀。

圖1 不同類型的形狀記憶效應

形狀記憶效應是一種非擴散型固相馬氏體轉變。除此之外，還存在形狀記憶相關的其他相轉變過程如R相轉變，這種轉變一般出現在從奧氏體向馬氏轉變時發生的一種中間相轉變。馬氏體逆相變中存在熱滯后現象，滯后是衡量加熱和冷卻之間的溫度差異的指標（即ΔT=Af-Ms）。這種熱滯后屬性非常重要，并且在目標技術應用過程中需要仔細考慮SMA材料的熱滯后性，例如對于快速驅動應用需要較小的熱滯后，而在管道連接中需要更大的熱滯后性以保證在較大的溫度范圍內保持預定義的形狀。一些SMA在相轉變前后的物理性能和機械性能（導熱系數、熱膨脹系數、電阻率和楊氏模量等）也各不相同。奧氏體相結構相對較硬并具有更高的楊氏模量；而馬氏體結構更柔軟，更具延展性，即通過施加外力可以很容易地變形。

3 形狀記憶合金材料介紹

NiTi形狀記憶合金由于其具有優異的生物相容性和優異的機械性能，已經被廣泛得應用于生物醫學領域例如合金內支架、微創醫療器械、矯形外科、腦外科和口腔醫學等。但由于SMA的明顯局限或缺點，例如較高的制造成本，有限的可恢復變形和使用溫度，所以其它類型的形狀記憶材料正在被探索。

3.1 高溫形狀記憶合金

由于對高溫形狀記憶合金的使用溫度要求越來越高，許多科研工作者在NiTi合金中通過添加第三元合金的方式來提高形狀記憶合金的使用溫度。實際上，高溫形狀記憶合金被定義為可以在100℃以上使用的形狀記憶合金，但由于大多數高溫形狀記憶合金在室溫時表現出較差的延展性和抗疲勞性能，很難進行加工和“訓練”，所以制造它們的成本非常昂貴。

3.2 鐵磁形狀記憶合金

鐵磁形狀記憶合金相較于傳統的溫控型形狀記憶合金，具有更大輸出應變和更高的響應頻率，這是因為服役過程中能量通過磁場傳播并且不會受到合金材料導熱性能和散熱條件的影響，它的形狀記憶效應則是通過外加磁場激勵孿晶馬氏體變體間的擇優再取向從而產生合金宏觀形狀變形。鐵磁形狀記憶合金不僅可以提供與傳統記憶合金相同的特定功率，而且可以以更高的頻率進行傳輸。但是，一般來說鐵磁形狀記憶合金在應用過程中也會碰到與傳統記憶合金類似的設計問題。此外，鐵磁形狀記憶合金硬度非常大并且很脆，只能在低溫下進行加工和操作。因此，鐵磁形狀記憶合金很難塑造和成形，并且目前不適合用于高溫和高強度的環境中。所以仍需要加大對現有的鐵磁形狀記憶合金的深入研究，以便進一步改善材料的使用性能。

3.3 形狀記憶薄膜材料

由于形狀記憶合金材料在機械系統尤其是在微驅動器方面的應用，使得形狀記憶合金薄膜被廣泛研究。形狀記憶薄膜材料一般直接作為獨立薄膜成為微驅動器。在快速發展的微機電系統領域，NiTi薄膜已經成為微觀層面上的首選執行器，由于其優異的形狀記憶性能和在較高的頻率下仍能保持較大的輸出功。預計基于濺射NiTi薄膜的微型NiTi驅動器件將占據商業市場的一大部分，特別是醫療微器件和植入式應用。然而，形狀記憶薄膜材料在一些環境溫度高于100℃領域的應用受到了限制，例如汽車引擎、火災報警器和航空渦輪機中，所以近年來加大了對相變溫度高于100℃的高溫形狀記憶薄膜材料的研究。

4 形狀記憶合金的發展趨勢

（1）開發新的或改進已有的形狀記憶材料，例如在形狀記憶合金體系中加入合適的第三合金化元素，改善其馬氏體相變，達到在微觀層面上對其相變過程進行精細控制。

（2）可以將具有優異功能特性的形狀記憶合金與其他具有良好結構性能的材料進行復合，以達到特殊領域應用的要求。

（3）應該加大對其商業化的應用，改善制備方法進行大規格生產，以滿足商業化應用的需求。