形状记忆合金论述3000字论文

形状记忆合金论述

摘要：形状记忆合金，是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的形变，恢复其形变原始形狀的合金材料。这种合金在高温（奥氏体状态）下发生的“伪弹性”行为，表现为这种合金能承载比一般金属大几倍甚至几十倍的可恢复应变。形状记忆合金的这些独特性质源于其内部发生的一种独特的固态相变——热弹性马氏相变体。

关键词：形状记忆合金、马氏相变体、记忆效应

引言：形状记忆合金材料兼有传感和驱动的双重功能，是一种智能结构中技术成熟性很高的功能材料，可以实现机械结构的微型化和智能化。形状记忆效应(SME)即某种材料在高温定形后，冷却到低温(或室温)，并施加变形，使它存在残余变形[1,2]。当温加热超过材料的相变点，残余变形即可消失，恢复到高温时的固有形状，如同记住了高温下的状态。SMA及其驱动控制系统具有许多的优点，如高功率重量比，适于微型化；集传感、控制、换能、致动于一身，结构简单，易于控制；对环境适应能力强，不受温度以外的其他因素影响等，有着传统驱动器不可比拟的性能优点。形状记忆合金由于具有许多优异的性能，因而广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域。

一、发展史

1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到

最早关于形状记忆效应的报道是由Chang及Read等人在1952年作出的。他们观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象，但当时并未引起人们的广泛注意。直到1962年，Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应，才引起了材料科学界与工业界的重视。到70年代初，CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应。几十年来，有关形状记忆合金的研究已逐渐成为国际相变会议和材料会议的重要议题，并为此召开了多次专题讨论会，不断丰富和完善了马氏体相变理论。在理论研究不断深入的同时，形状记忆合金的应用研究也取得了长足进步，其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。

二、功能机理

形状记忆合金(Shape Memory Alloys，简称SMA)是一种能够记忆原有形状的智能材料。当合金在低于相变态温度下，受到一有限度的塑性变形后，可由加热的方式使其恢复到变形前的原始形状，这种特殊的现象称为形状记忆效应（Shape Memory Effect，简称SME）。而当合金在高于相变态温度下，施以一应力使其受到有限度的塑性变形（非线性弹性变形）后，可利用直接释放应力的方式使其恢复到变形前的原始形状，此种特殊的现象又称为拟弹性（Pseudo Elasticity，简称PE）或超弹性（Super Elasticity）。这两种形状记忆合金所拥有的独特性质在普通金属或合金材料上是无法发现的。

形状记忆合金的特点主要有：形状记忆效应(Shape Memory Effect，缩写为SME)相变超性性能(Super Elasticity)，弹性模量随温度变化特性和阻尼特性。其中起驱动作用的主要是形状记忆效应和弹性模量随温度变化特性。

形状记忆效应是指SMA具有的记忆并回复至它在奥氏体状态下的形状的能力。如果在低温马氏体状态下拉伸SMA并留下较大的塑性变形，那么将SMA加热至一定温度后，马氏体就会转为奥氏体，SMA将回复到它刚刚开始时的形状，随后再进行冷却或加热，合金形状都将保持不变。上述过程可以周而复始，称为单程形状记忆。此外还有双群形状记忆合金和全方位记忆合金。这种回复应力可用作结构控制时的驱动力，也可以用来直接控制结构的刚度。

弹性模量随温度变化特性是指，奥氏体SMA在高温下它的弹性模量是低温下马氏体SMA的弹性模量的3倍以上。这种特性主要可以用米改变的固有频率，从而避免共振。 形状记忆合金的记忆效应可以分为下列三种：

（1）单程记忆效应（1-way）：形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。

（2）双程记忆效应（2-way）：某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。

（3）全程记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。

二、日常分类

最先在合金相变过程中观察到形状记忆效应的是Chang 和Read ,他们通过对AuCd 的相变可逆性研究发现相变过程中发生了电阻率的变化。1958 年,在铜(CuZn) 中也发现了类似的现象。直到1962 年, 当Buehlerh和其同事们在等原子的Ni2Ti 合金中发现了SME 后,对SMA 冶金学和应用的研究才蔚然兴起。随后的十年中,市场上出现了大量的利用SMA 制造的产品。经过广泛研究,到目前为止,具有SME 的合金可归纳为以下几类:

1) Ni2Ti 系,包括等原子Ni-Ti , Ti-Ni-X(X = Fe ,Al ,Co) ;

2) 铜系, 包括Cu-Zn 系, 如Cu-Zn , Cu-Zn-X(X = Si ,Al , Sn) ; Cu-Al 系, 如Cu-Al2 , Cu2Al2Ni ;

3) 其他有色金属系, 如Co-Ni , Ti-Nb ,Au-Cu-Zn ,Au-Cd ,Ag-Cd , In-Ti 等;

4) 铁基合金,如Fe-Pt ,Fe-Ni-Co ,Fe-Mn-Si ,Fe-Ni-Co-Ti ,Fe-Mn-C 及不锈钢等。

虽然目前已经发现的形状记忆合金有30 余种。但正式作为商品生产的只有Ni 系和Cu 基两大类。一般来说,Ni2Ti 合金反复使用的稳定性、耐蚀性、对生物体的适应性(界面相互作用) 、以及超弹性和制备加工性等都比Cu 基合金优越,但成本较高。Cu 基合金尽管在这些方面略微逊色,但价格便宜,在反复使用频率不太高、条件不太苛刻情况下,应用前景非常广泛。

三、生活应用

迄今为止,形状记忆合金在空间技术、医疗器械、机械器具、电子设备、能源开发、汽车工业及日常生活各方面都得到了广泛的应用,总的来说,按使用特性的不同,可归纳为下面几类:

(1) 自由回复:SMA在马氏体相时产生塑性形变,温度升高自由回复到记忆的形状。自由回复的典型例子是人造卫星的天线和血栓过滤器。美国航空航天局(NASA) 将Ti2Ni 合金板或棒卷成竹笋状或旋涡状发条,收缩后安装在卫星内。发射卫星并进入轨道后,利用加热器或太阳能加热天线,使之向宇宙空间撑开。血栓过滤器把Ni2Ti 合金记忆成网状,低温下拉直,通过导管插入静脉腔,经体温加热后,形状变为网状,可以阻止凝血块流动。有人设想,利用形状记忆合金制作宇宙空间站的可展机构,即以小体积发射,于空间展开成所需的形状,这是很有吸引力的机构。

(2) 强制回复:强制回复最成功的例子是SMA管接头。事先把内径加工成比被接管外径小4 % ,当进行连接操作时,首先把管接头浸泡在液态空气中,在低温保温状态下扩径后,把被接管从两端插入,升高温度,内径回复到扩径前的状态,把被接管牢牢箍紧。利用SMA 制作的脑动脉瘤夹可夹住动脉瘤根部,防止血液流入,使动脉瘤缺血坏死。本田等人用厚度为015mm 的Ti2Ni 板制作的Ag2TiNi 复合夹满足小而轻、装卸简便等要求,效果良好。此外,类似的用途还有电源连接器、自紧固螺钉、自紧固夹板、固定销、密封垫圈、接骨板和脊柱侧弯娇形哈伦顿棒等。

(3) 动力装置:有些应用领域,要求形状记忆元件在多次循环往复运动中对外产生力

的作用。温度继电器和温度保持器、自动干燥箱、电子灶、热机、卫星仪器舱窗门自动启 闭、自动火警警报器、热敏阀门、液氨泄漏探测器、煤气安全阀、通风管道紧急启动闸门、 自动收进烟头的烟灰盒及人工心脏等都属于这种应用类型。1997 年美国航空航天局(NASA) 的科学家利用长3cm ,直径0115mm(01006″) 的Ni-Ti SMA 驱动火星探测器上的太阳能电池挡板,加热SMA ,使其收缩,通过传动装置,打开太阳能电池上的玻璃挡板,电池充电。充电结束后,偏置弹簧重新使挡板复位。挡板的有效开合可起到防尘的目的。

(4) 精密控制:因为SMA 的相变发生在一定温度范围而不是某一固定温度点,我们往往只利用一部分形状回复,使机械装置定位于指定的位姿。微型机器人、昆虫型生物机械、机器人手抓及微型调节器、笔尖记录器及医用内窥镜都属于这一类。形状记忆合金用作机器智能人的执行器,集传感、控制、换能、制动于一身,具有仿真性好、控制灵活、动作柔顺、无振动噪声、易于结构微型集成化等优点。日本的日立公司已研制出具有13个自由度的能拣取鸡蛋的机器人。俄罗斯St1Petersburg 机器人及控制技术学院在Cu-Al-Ni 基合金材料的研究基

础上,研制出了拟人机械手(115m 长) ,其手爪能移动200kg的物体。该研究小组还给出了手爪的精确控制系统。医学上用到的具有多自由度能弯曲转入肠道内诊断疾病,进行手术的机器人也属于这一类型(图3) 。现有的大肠镜的直径为10～20mm ,这种内窥镜的直径为13mm ,因此它特别适用于作大肠镜。诊断过程中,医生一边看纤维镜中的图象,一边移动操纵 杆给出前端的第1 ,2 节弯曲角指令和内窥镜前进、后退指令,通过计算机进行柔性控制, 使内窥镜能够平滑地沿着通路前进或后退,大大减小了患者的痛苦,也增加了诊断的准 确性。随着目前超大规模集成电路技术的飞速发展,可进一步制成微米级甚至更小的超微仿生物。

四、结束语

形状记忆材料的开发研究已有多年,从最初的合金已扩展到陶瓷和高分子材料,并且各种先进的生产工艺技术已被应用到形状记忆材料的研究、开发和应用中随着科学技术水平的不断提高,形状记忆合金材料的应用将会更加广泛。

五、参考文献

[1]吴德隆、阎绍泽、黄铁球、张永．空间大型伸展机构动力学．陈演主编，动力学、振动与控制的研究长沙：湖南大学出版社，1998. 239-245

[2]阎绍泽、吴德隆、黄铁球、张永.航天压电陶瓷微位移作动器设计与实验研究．导弹与航天运载技术，1998(6)：25-31

[3] Thrasher M A，Shahin A R，et al. Proceedings of 1th“European

Conf．On Smart Structures and Materials，l 992，197

[4] Bhattacharyya A , et al. Smart Mater Struc,1995,4:252

[5]Qidwai M A, Lagoudas D C. International Journal of Plasticity, 2000, 16:1309

[6] Lagoudas D C, Dink Z H. Int I Engng Sci.1995, 33:2345

[7] R. DesRoches, M Delemont. Seimsmic retrofit of simply supported bridges using shape memory alloys. Engineering Structures, 2002, (24)

[8]赵连城，蔡伟，郑玉峰．合金的形状记忆效应与超弹性．北京：国防工业出版社，2002