/形狀記憶合金材料0８１205０80１2６倪琦摘要:形狀記憶效應(yīng)自20世紀(jì)30年代報(bào)道以來(lái)逐步得到人們的重視并加以應(yīng)用，被人們譽(yù)為“神奇的功能材料",本文主要介紹了形狀記憶合金合金的發(fā)展歷史及其在許多領(lǐng)域的應(yīng)用以及未來(lái)的一些發(fā)展趨勢(shì).關(guān)鍵詞：形狀記憶合金、各領(lǐng)域應(yīng)用、原理及發(fā)現(xiàn)引言:形狀記憶合金是一種能夠記憶原有形狀的智能材料.這種合金對(duì)形狀具有記憶的能力，而且記性相當(dāng)好,有些甚至反復(fù)改變500萬(wàn)次后，仍能在一定條件下完全恢復(fù)原狀。每種以一定元素按一定比例組成的形狀記憶合金都有一個(gè)轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟?。?］發(fā)現(xiàn)：1932年瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到了形狀記憶效應(yīng).最早關(guān)于形狀記憶合金效應(yīng)的報(bào)道是有Ｃhang及Rｅaｄ等人在1952年作出的。他們觀察到Aｕ-Ｃd合金中相變的可逆性.后來(lái)在Cu-Zn合金中也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。但當(dāng)時(shí)并未引起人們的廣泛注意.直到１962年,Buehler及其合作者在等原子比的Ti-Ni合金中觀察到具有宏觀形狀變化的記憶效應(yīng)，才引起了材料科學(xué)界與工業(yè)界的重視?，F(xiàn)狀:目前已投入實(shí)用的形狀記憶合金主要有鎳一鈦系、銅系和鐵系或不銹鋼系三大類。１.鎳一鈦系形狀記憶合金。鎳一鈦系合金是形狀記憶合金材料中性能最優(yōu)越而且用途最廣的一種。鎳一鈦系合金的延展性、形狀記憶強(qiáng)度、應(yīng)變、耐蝕性、電阻及穩(wěn)定性均較好,但其成本較高。這類合金的形狀記憶行為有單向和雙向兩種，其呈現(xiàn)記憶行為的溫度范圍可借助合金的改良而加大或縮小。2.銅系形狀記憶合金。銅系形狀記憶合金比鎳一鈦記憶合金更便宜且容易加工成型，因此頗具發(fā)展?jié)摿?。但銅系形狀記憶合金的強(qiáng)度不如鎳一鈦記憶合金,反復(fù)受熱的形狀記能力也衰減較快。一、研究方法原理:馬氏體轉(zhuǎn)變圖中表示出了馬氏體相變的相變溫度，Mｓ、Ｍｆ、As、Aｆ分別表示為馬氏體相變開(kāi)始溫度、終了溫度、馬氏體（M)→母相的逆相轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度和終了溫度。在Af點(diǎn)以上的溫度對(duì)這種合金加一外力，如果對(duì)于位錯(cuò)滑移的抗力大，變形則由馬氏體相變引起，即形成應(yīng)力誘發(fā)M相。在該溫度下這種Ｍ相僅在外力存在下可以穩(wěn)定存在,由于熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的,當(dāng)取消外力時(shí)，M→母相的逆相變便產(chǎn)生，試樣復(fù)歸原始形狀‘這種除去外力復(fù)歸原狀的現(xiàn)象叫做擬彈性，這一點(diǎn)與原來(lái)的彈性是完全不同的東西。在Af和Ｍｓ點(diǎn)中間使母相變形的情況下，也與上述一祥由于應(yīng)力誘發(fā)了M相變,產(chǎn)生了變形。但是，這時(shí)的M相即使在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下，也是穩(wěn)定的,即使取消外力,M→母相的逆相變也不發(fā)生，然而在Af點(diǎn)以上加熱時(shí)，由于M相以熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的,引起M→母相的逆相變而復(fù)歸原形,即產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)。在Ms點(diǎn)以下，試樣由開(kāi)始冷卻時(shí)所形成的M相構(gòu)成，這時(shí)M相是因?yàn)樵拥倪B帶運(yùn)動(dòng)而變更了晶體結(jié)構(gòu)，M相與母相之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然而這種對(duì)應(yīng)關(guān)系在結(jié)晶學(xué)上存在著一定的共格關(guān)系,又由于冷卻時(shí)形成的Ｍ相因相變而僅有少量的變形，形成了互相抵消的在結(jié)晶學(xué)上等價(jià)的M相(兄弟相)，當(dāng)對(duì)含有兄弟相的M相施加外力時(shí)，兄弟晶可以按效率最大的外力方向變形,兄弟晶吞并其他的兄弟晶而生長(zhǎng)，作為整體產(chǎn)生變形.此時(shí)，M相晶體結(jié)構(gòu)無(wú)變化，由于變形是對(duì)應(yīng)于兄弟晶之間的界面移動(dòng)，這種狀態(tài)即使出去外力，在熱力學(xué)上變形前后無(wú)差別。所以，外力出去后也不引起逆相變。在Af點(diǎn)以上加熱時(shí)，則引起M→母相的逆轉(zhuǎn)變，恢復(fù)原來(lái)形狀，表現(xiàn)出形狀記憶效應(yīng)。產(chǎn)生馬氏體相變的２個(gè)必要條件：(1)在引起位錯(cuò)滑移變形之前產(chǎn)生加工誘發(fā)馬氏體相變.②在產(chǎn)生Ｍ一母相逆相變時(shí)，必定按原馬氏體相變完全相同的路線逆反。分類:（1）單程記憶合金形狀記憶合金在較低的溫度下變形,加熱后可恢復(fù)變形前的形狀。這種只在加熱過(guò)程中存在記憶效應(yīng)的合金叫單程記憶合金。（2）雙程記憶合金指合金在加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀,冷卻時(shí)又恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶合金.（３）全程記憶合金合金在加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)變成形狀相同而取向相反的低溫相形狀，稱為全程記憶合金。性能表征：形狀記憶合金(ShapeMｅｍoｒyＡllｏy，ＳMA)：是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經(jīng)塑性形變并固定成另一種形狀后，通過(guò)加熱到某一臨界溫度以上又可恢復(fù)成初始形狀的一類合金.形狀記憶合金具有的能夠記住其原始形狀的功能稱為形狀記憶效應(yīng)（ShapｅMｅｍoryEfｆect,SＭE)超彈性：在高于Af點(diǎn)、低于Mｄ點(diǎn)的溫度下施加外應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變,卸載就產(chǎn)生逆相變,應(yīng)變完全消失,回到母相狀態(tài),表觀上呈現(xiàn)非線性擬彈性應(yīng)變，稱為相變擬彈性或超彈性。普通金屬材料彈性應(yīng)變一般不超過(guò)0.5％，而超彈性材料的擬彈性應(yīng)變則達(dá)5％～2０％[８］.在介入醫(yī)療領(lǐng)域有超過(guò)8０％的產(chǎn)品利用的是Ni－Ｔi合金的超彈性,它使得合金支架或合金絲具有良好的柔順性,可以與柔軟且復(fù)雜的人體內(nèi)管道很好的貼合［9］。高阻尼特性:形狀記憶合金在低于Ms點(diǎn)的溫度下進(jìn)行熱彈性馬氏體相變，生成大量馬氏體體（結(jié)構(gòu)相同、取向不同）,變體間界面能和馬氏體內(nèi)部孿晶界面能都很低,易于遷移，能有效地衰減振動(dòng)、沖擊等外來(lái)機(jī)械能，因此阻尼特性特別好,可用做防振材料和消聲材料.耐磨性：在形狀記憶合金中獨(dú)有Ti－Ｎi合金在高溫相（CsＣl型體心立方結(jié)構(gòu))狀態(tài)下同時(shí)具有極好的耐腐蝕性和耐磨性?？捎米髟诨そ橘|(zhì)中接觸滑動(dòng)部位的機(jī)械密封材料，原子能反應(yīng)堆中用做冷卻水泵機(jī)械密封件，冷卻水凈化系統(tǒng)可以長(zhǎng)期不檢修。逆形狀記憶特性:將Cu—Zn-Al記憶合金在Ms點(diǎn)上下的很小的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行大應(yīng)變量變形,然后加熱到高于Af點(diǎn)的溫度時(shí)形狀不完全恢復(fù)，但再加熱到高于2０0℃的溫度時(shí)卻逆向地恢復(fù)到變形后的形狀,稱為逆形狀記憶特性。二、研究成果及應(yīng)用至今為止發(fā)現(xiàn)的記憶合金體系有Au-Cｄ，Ａg-Ｃd，Cu－Ｚn,Cｕ—Zn—Al,Cu—Zn—Ｓn，Ｃu－Zn—Ga，Ｉｎ-Ｔi，Aｕ-Cu－Ｚn,Ｎｉ－Ａl,Fe-Ｐt，Ｔi-Ni,Ｔｉ-Ni－Pd，Ｔi－Nb,U—Ｎb和Fe－Mn-Si等.到目前為止，應(yīng)用最多的是Ni—Ｔｉ合金和銅基合金(Cu－Ｚｎ－Al和Cｕ-Al-Ni）.各種體系的記憶合金各有千秋。Nｉ-Tｉ合金的性能好,可靠性強(qiáng),但價(jià)格貴。銅基和金價(jià)格便宜，但可靠性差。鐵基合金價(jià)格便宜，剛性好，強(qiáng)度大，易加工。19６9年,鎳－鈦合金的形狀記憶效應(yīng)第一次在工業(yè)上應(yīng)用.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(duì)接的金屬管連接，選用轉(zhuǎn)變溫度低于使用溫度的條件下做成內(nèi)徑比待對(duì)接管子外徑略微小一點(diǎn)的短管,然后在低于其轉(zhuǎn)變溫度下將其內(nèi)徑稍加擴(kuò)到該接頭的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，接頭就自動(dòng)收縮而扣緊被接管道,形成牢固緊密的連接。美國(guó)在某種噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)的油壓系統(tǒng)中便使用了這種鎳－鈦合金接頭,從未發(fā)生過(guò)漏油,脫落或破損事故.[3］據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅一架F－14戰(zhàn)斗機(jī)的液壓系統(tǒng)就要用800萬(wàn)只這種套筒接頭,至今各種飛機(jī)使用的數(shù)量已達(dá)到100萬(wàn)件。記憶合金的開(kāi)發(fā)不過(guò)2０余年,但由于其在各領(lǐng)域的特效應(yīng)用正廣為世人所矚目,被譽(yù)為“神奇的功能材料”。［1］由于記憶合金的特殊的記憶功能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空、衛(wèi)星、醫(yī)療、生物工程、能源和自動(dòng)化等方面。1．航空航天工業(yè)在航天方面，常用Ni-Tｉ合金制成天線。用在宇宙飛船上的天線是非常龐大的,呈半球月面狀.若用普通金屬制成這樣的天線,由于宇宙飛船的體積是有限的,無(wú)法把它帶上去,但采用記憶溫度為40攝氏度的Ｎi-Ti合金在40攝氏度以上做成月面天線，然后再冷卻到40攝氏度以下,這時(shí)天線就可以折疊成一個(gè)小球團(tuán),從而達(dá)到方便的裝進(jìn)宇宙飛船的目的.當(dāng)宇宙飛船到達(dá)月球后，受到太陽(yáng)光的強(qiáng)烈照射，小球團(tuán)的溫度很容易達(dá)到４0攝氏度以上，此時(shí)它就恢復(fù)原來(lái)的形狀，張開(kāi)呈傘面開(kāi)始工作。[1]２。生物醫(yī)療。臨床上用的最普遍的是鎳鈦（Ni-Ti)形狀記憶合金(SMA）,簡(jiǎn)稱ＮT-SMＡ。ＮT—SMＡ是集耐磨、耐腐蝕、形狀記憶效應(yīng)偽弱性和聲阻尼等性能于一體的新材料，有熱彈力型的馬氏體變態(tài),有種種難以想象的性質(zhì)。[３］采用Ｎi-Ti合金做成人體用的生物植入件，如脊柱矯直用的支板，齒科用的矯齒絲以及人體矯形外科用的假肢等。用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的Ｔi－Nｉ形狀記憶合金,除了利用其形狀記憶效應(yīng)或超彈性外，還應(yīng)滿足化學(xué)和生物學(xué)等方面的要求，即良好的生物相容性。Ｔｉ-Ｎi可與生物體形成穩(wěn)定的鈍化膜。目前，在醫(yī)學(xué)上Ti-Ｎi合金主要應(yīng)用有:(1）牙齒矯形絲用超彈性Ｔi-Ni合金絲和不銹鋼絲做的牙齒矯正絲，其中用超彈性Tｉ－Ｎi合金絲是最適宜的.通常牙齒矯形用不銹鋼絲Co－Cr合金絲，但這些材料有彈性模量高，彈性應(yīng)變小的缺點(diǎn)。為了給出適宜的矯正力,在矯正前就要加工成弓形,而且結(jié)扎固定要求熟練.如果用Ｔi－Ni合金作牙齒矯形絲，即使應(yīng)變高達(dá)1０%也不會(huì)產(chǎn)生塑性變形。這種材料不僅操作簡(jiǎn)單，療效好，也可減輕患者不適感。（２)脊柱側(cè)彎矯形各種脊柱側(cè)彎癥(先天性、習(xí)慣性、神經(jīng)性、佝僂病性、特發(fā)性等）疾病,不僅身心受到嚴(yán)重?fù)p傷，而且內(nèi)臟也受到壓迫，所以有必要進(jìn)行外科手術(shù)矯形。目前這種手術(shù)采用不銹鋼制哈倫敦棒矯形，在手術(shù)中安放矯形棒時(shí),要求固定后脊柱受到的矯正力保持在30～４０kg以下，一但受力過(guò)大，矯形棒就會(huì)破壞,結(jié)果不僅是脊柱，而且連神經(jīng)也有受損傷的危險(xiǎn)。如果矯形棒的矯正力有變化，以通過(guò)體外加熱形狀記憶合金，把溫度升高到比體溫約高５℃，就能恢復(fù)足夠的矯正力。另外，外科中用Ti—Ｎｉ形狀記憶合金制做各種骨連接器、血管夾、凝血濾器以及血管擴(kuò)張?jiān)?。同時(shí)還廣泛應(yīng)用于口腔科、骨科、心血管科、胸外科、肝膽科、泌尿科、婦科等,隨著形狀記憶的發(fā)展,醫(yī)學(xué)應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。［３］3。日常生活.（1)防燙傷閥在家庭生活中，已開(kāi)發(fā)的形狀記憶閥可用來(lái)防止洗滌槽中、浴盆和浴室的熱水意外燙傷;這些閥門也可用于旅館和其他適宜的地方。如果水龍頭流出的水溫達(dá)到可能燙傷人的溫度(大約４８℃）時(shí)，形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)閥門關(guān)閉,直到水溫降到安全溫度,閥門才重新打開(kāi)。[６](2）眼鏡框架在眼鏡框架的鼻梁和耳部裝配Ti—Nｉ合金可使人感到舒適并抗磨損,由于Ti—Nｉ合金所具有的柔韌性已使它們廣泛用于改變眼鏡時(shí)尚界。用超彈性Ti－Ni合金絲做眼鏡框架,即使鏡片熱膨脹,該形狀記憶合金絲也能靠超彈性的恒定力夾牢鏡片。這些超彈性合金制造的眼鏡框架的變形能力很大，而普通的眼鏡框則不能做到。（３)移動(dòng)電話天線和火災(zāi)檢查閥門使用超彈性Ｔi—Ni金屬絲做蜂窩狀電話天線是形狀記憶合金的另一個(gè)應(yīng)用。過(guò)去使用不銹鋼天線,由于彎曲常常出現(xiàn)損壞問(wèn)題.使用Tｉ—Ni形狀記憶合金絲移動(dòng)電話天線,具有高抗破壞性受到人們普遍歡迎。因此常用來(lái)制作蜂窩狀電話天線和火災(zāi)檢查閥門?；馂?zāi)中,當(dāng)局部地方升溫時(shí)閥門會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，防止了危險(xiǎn)氣體進(jìn)入。這種特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是，它具有檢查閥門的操作,然后又能復(fù)位到安全狀態(tài)；這種火災(zāi)檢查閥門在半導(dǎo)體制造業(yè)中得到使用,在半導(dǎo)體制造的擴(kuò)散過(guò)程中使用了有毒的氣體；這種火災(zāi)檢查閥也可在化學(xué)和石油工廠應(yīng)用。[5]四、發(fā)展趨勢(shì)及展望記憶合金的產(chǎn)業(yè)發(fā)展離不開(kāi)基礎(chǔ)及應(yīng)用研究的有力支撐，未來(lái)記憶合金的材料研究將向高溫、低溫、寬滯后、窄滯后、雙程、全程、磁控響應(yīng)、色調(diào)記憶等方向發(fā)展；工藝研究將向低成本、高質(zhì)量、多品種的目標(biāo)邁進(jìn)，開(kāi)發(fā)研制憶合金多孔材料、薄膜、超細(xì)絲、纖維等具有全新用途的功能材料。記憶合金元件的小型化、智能化、大型化是元件設(shè)計(jì)的不同方向。隨著應(yīng)用研究和產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)記憶合金的技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)規(guī)模都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，記憶合金生產(chǎn)成本也相應(yīng)的有了很大程度的降低，原本因?yàn)閮r(jià)格因素而局限應(yīng)用于軍工、醫(yī)療和高檔民用領(lǐng)域產(chǎn)品的記憶合金得以在更多的領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用,這給記憶合金的產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了新的機(jī)遇?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是,記憶合金絲棒板材、醫(yī)用產(chǎn)品、緊固連接件、解鎖驅(qū)動(dòng)件和智能復(fù)合材料等方面將是今后記憶合金產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的趨勢(shì)。[4］參考文獻(xiàn)：［１］解守宗,《我們周圍的化學(xué)》,上海，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，20０3。５：2７0~２77.［２]趙連城、蔡偉、鄭玉峰，《合金的形狀記憶效應(yīng)與超彈性》,北京，國(guó)防工業(yè)出版社，20０2。1：1～４。[3］ＨYPＥRLINK”"\ｌ”３”\o”查看此用戶資料"\t”_blaｎk"愛(ài)你綿綿無(wú)絕期,形狀記憶合金，，２0１1。5．20，[４]繆衛(wèi)東，《我國(guó)形狀記憶合金應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)》，《新材料產(chǎn)業(yè)》NO．5200８［5]yys，《第五章形狀記憶合金》，,2011.5.23［6]李程鵬，《形狀記憶合金及其應(yīng)用》，２01１．５.2３［7]陳邦義,梁成浩。銅基形狀記憶合金及其耐蝕性研究進(jìn)展[J]．腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，20０3．1．［8］徐華蘋，毛協(xié)民.Cu基形狀記憶合金發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J］.