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形狀記憶合金及其應用研究進展

2017-07-27 10:16:38 作者：本網發布來源：知網分享至：

形狀記憶合金（ Shape Memory Alloys ，簡稱SMA ）是具有形狀記憶效應（ Shape Memory Effect ，簡稱 SME ）、超彈性（ Superelasticity ，簡稱 SE ）和髙阻尼性的功能材料。該合金可感知溫度變化并能將熱能轉換成機械能，對外輸出力、位移或儲存并釋放能量。經過多年的開發與應用研究， SMA 及其應用得到了長足發展。本文旨在論述 SMA 及其應用研究進展，并探討其今后的發展方向。

1 SMA 的發展

自 Olander 于 1932 年在 Au-Cd 合金中首次發現 SME 以來，經過 80 多年的研發， SMA 已發展成為普通 SMA 、高溫 SMA 、磁性 SMA 和復合 SMA等 4 大類 100 多種（見表 1 ）。

1.1 普通 SMA

普通 SMA 主要包括 Ni-Ti 基、 Cu 基、 Fe 基、 Ag基、 Au 基、 Co 基 SMA 等，其中， Ni-Ti 基 SMA 性能最好，應用最廣。

Ti-Ni 基 SMA 因其優異的性能在不同領域得到了廣泛應用，但其存在相變溫度較低、對成分敏感等不足，這一方面使其在高溫領域的應用受到限制，另一方面在工業生產中準確控制相變溫度較難，成本較高。因此，通過添加其他元素進一步改善性能并降低成本是研究方向之一，目前已取得了很大進展。

在 Ti-Ni SMA 中添加 Cr 、 V 可大大改善其超彈性，添加 Cu 、 V 、 Al 、 Cr 、 Zr 和微量 Ca 可大大改善其韌性、加工性和切削性，在 Ti-Ni-Cu 系合金中添加 B 、Si 、 P 、 S 、 RE ，可獲得高恢復率 SMA。日本住友電氣工業公司在 Ti-Ni 合金中添加 Cu 、 Al 、 Zr 、 V 、 Co 、Fe 后，經表面處理后拉絲，即可制得色彩漂亮的形狀記憶合金絲，以滿足對其裝飾性的要求。 Ti-Ni-Nb和 Ti-Ni-Ta 是寬滯后型 SMA ，其熱滯寬（ 130~150℃ ），在連接件、緊固件及密封件等工業領域應用廣泛。

Ti-Ni 基形狀記憶合金由于其良好的生物相容性在醫療器械領域也有所應用。研究表明，將 Ag 離子注入 TiNi 合金表面制備 Ti-Ni-Ag 改性層，可提高合金的耐腐蝕性能，這將會進一步促使 Ti-Ni 基合金在醫療上的使用。

1.2 高溫 SMA

前述 Ti-Ni 基、 Cu 基和 Fe 基等 SMA 的相變溫度較低，不適用于制作工作溫度超過 150 ℃ 的元件。在許多情況下，如火箭發動機、衛星發射塔、防火裝置、汽車發動機及電流過載保護的記憶元件的工作溫度往往都超過 100 ℃ ，在核反應堆工程中，記憶熱動元件的動作溫度高達 600 ℃ 。所以從 20世紀 90 年代開始，人們又展開了對高溫 SMA 的研究。如表 2 所示，形成了以 Ni-Ti 合金為基礎發展起來的 Ni-Ti-Y （ Y=Hf ， Pd ， Pt ， Au ）合金，使用溫度隨 Y 含量增加而增高， Ms 最高可達 1 040 ℃ ；以Cu-Al-Ni 為基礎發展起來的 Cu-Al-Ni-Mn-X （ X=Ti ，B ， V ）合金， Ms 約 200 ℃ ；在 Ni-Al 金屬間化合物基礎上發展起來的 Ni-Al-Z （ Z=Fe ， Mn ， B ）合金， Ms 在480 ℃ 以上，以及回復溫度在 1 000 ℃ 以上的 Ru-Ta（ Nb ）形狀記憶合金等。

應指出的是，大多數高溫 SMA 塑性和抗疲勞性能差，制造成本較高。目前，只有 Ti-Ni-Pd ，Ti-Ni-Pt ， Ni-Ti-Hf ， Ni-Ti-Zr 和 Cu-Al-Ni-Mn 合金有望用于 100 ~300 ℃ 場合，其他合金的性能有待進一步改善。

1.3 磁性 SMA

磁性 SMA （ MSMA ）又稱鐵磁 SMA （ FSMA ），其驅動靠磁場傳輸而不是靠相對緩慢的傳熱機理，故可用于制作高頻（達 1 kHz ）驅動器。 MSMA 的應變速率可與磁致伸縮和壓電元件媲美，應變與 SMA相近， MSMA 亦可提供與 SMA 相同的比功率，但傳輸頻率更高。

MSMA 的最大應變是巨磁致伸縮Tb-Dy-2Fe 合金的 32 倍，因此， MSMA 適合填補形狀記憶合金和磁致伸縮材料之間的技術空缺，適用于低應力大位移的馬達和閥門場合。

應指出的是， MSMA 硬而脆，難成形，僅適用于低溫場合，不適合于高溫度大應力場合。為了改善該材料的特性，今后需繼續加強研究，以更好地理解 Ni-Mn-Ga, Fe-Pd 和 Ni-Mn-Al 等 MSMA 的本構行為。

1.4 復合 SMA

SMA 集感知和驅動于一體，通過改變環境溫度來實現對外作功，故可制作智能驅動器和減振器，也可實現對材料損傷的主動監控。將 Ti-Ni 合金絲置于鋁合金、鎂合金和高分子等材料中使復合材料具有升溫自增強、抑制裂紋擴展、減振降噪等智能屬性，一直是智能材料的一個研究熱點，但是由于復合材料的各復合組員間界面比表面積小，且結合強度較低，在外力作用下容易開脫。 Furuya 等將Ti-Ni 基 SMA 絲或顆粒復合在 Al 等金屬或高分子材料中制成環境應答型智能復合材料，當環境溫度變化時，不僅可明顯改善力學性能或阻尼性能，而且 Ti-Ni 合金具有應變能力，能自行削弱基體應力集中，抑制基體裂紋擴展，或對外輸出力或位移以作功。 Paine 等將 Ti-Ni SMA 絲編成網狀貼于高分子材料表面，可明顯提高沖擊韌度。因為表面貼有Ti-Ni 絲的復合材料在受沖過程中因誘發 M 相變而消耗了大量沖擊能，同時 Ti-Ni SMA 具有載荷傳遞性，可使沖擊能量均勻分布到整個復合材料中，導致沖擊后的塑變量很小。

Saadat等利用 Ti-Ni 合金的自適應原理制成了由 Ti-Ni 絲增強的機敏混凝土及智能減振結構，以提高沿海及內地建筑物的抗震防風能力。將Ti-Ni 基 SMA 與他材料相復合，采用多孔燒結辦法制得的復合材料既可以達到輕量化的目的，又因增強相而具有一定強度，大大增加了 Ti-Ni 基 SMA 的應用領域。江鴻杰等人以納米尺度 SiC 顆粒為增強相，并結合 NH4HCO3低溫分解造孔技術，成功地制備出了 SiC/NiTi ，有效地解決了多孔 Ti-Ni 合金強度低的問題。

姜江、崔立山等人制備了一種復合比可控、屈服強度高、原位自生的超細片層 NbTi/TiNi 記憶合金復合材料， TiNi 微片分布均勻，與 NbTi 基體結合強度高。此法為 TiNi 記憶合金復合材料的制備提供了新思路。

2 SMA 的特性及應用效能

SMA 具有 SME 、 SE 、高阻尼、高驅動應力應變、高能量密度、較高能效、較低動作頻率以及相變誘發塑性等特性，這些特性的應用效能如表 3 所示。其中，SME分單程、雙程和全程3種類型。單程 SME ：

將合金在低于馬氏體相變結束溫度 M f 以下變形，再將其加熱到馬氏體逆相變結束溫度 A f 以上時，馬氏體逆轉變為母相，變形可以完全恢復，在此后的冷卻或加熱過程中，形狀始終保持不變，好像記住了高溫母相的形狀。雙程 SME ：將合金在 M f 以下變形，當加熱至馬氏體逆相變結束溫度 A f 以上時，會恢復其高溫母相的形狀，在冷卻時又可恢復低溫相的形狀，即通過溫度的升降變化，可以反復地恢復高低溫相的形狀。全程 SME ：將合金在 M f 以下變形，當加熱至 A f 以上時，試樣可以恢復高溫母相的形狀，在冷卻時恢復低溫相形狀，若再繼續冷卻，合金呈現出與高溫時完全相反的形狀。應用較廣泛的 Ti-Ni基、 Cu 基和 Fe 基 SMA 的性能見表 4 。

3 SMA 的應用

SMA 能在一個較窄的溫度范圍內獲得 4%~8%的可逆回復應變，如果加熱時阻止其應變回復，則SMA 可產生較大的反抗應力。亦即在一定條件下通過改變溫度， SMA 可以對外輸出力或位移。由于 SMA 具有感知和驅動雙重功能，以及能產生較大的可逆形狀響應應力和應變，已在汽車、航空航天、機器人和生物醫學等領域得到廣泛應用，如表 5所示。

4 結語

4.1 SMA 發展方向

（ 1 ）研制新型或改進型長壽命、大韌性、高穩定性 SMA 及其加工技術。

（ 2 ）研究 SMA 的功能特性與其他材料的結構特性的組合問題，進而研制性能更優的復合形狀記憶材料。

（ 3 ）構建強大而有效的 SMA 行為計算模型。

（ 4 ）建立有材料科學家、工程設計師和營銷人員參與的形狀記憶材料領域信息平臺或基地，共享SMA 數據及其應用設計信息知識，探索 SMA 應用新市場。

4.2 SMA 應用發展方向

（ 1 ）結合計算機輔助設計和有限元分析等現代計算機設計和分析工具，發展具有緊湊、高速、智能控制器的集成驅動器系統。

（ 2 ）在汽車與航空航天應用方面，研制自我修復和傳感結構及組件如智能輪胎和安全氣囊等；發展符合空氣動力學和美學特征的形狀記憶合金配件；研制角行程執行機構；開發高溫致動器及噪聲、振動阻尼器等。

（ 3 ）在機器人應用方面，研制微型、快速、高效、穩定、準確、旋轉執行機構。

（ 4 ）在生物醫學應用方面，研制人造肌肉、新型形狀記憶植入物和無毒 SMA 等。

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