形状记忆合金-胡海搏-20133496

形状记忆合金----胡海搏20133496摘要：扼要地叙述了形状记忆合金及其机理,介绍了几种形状记忆合金在工程中应用的现状以及发展前景。关键词：形状记忆合金；功能材料；变形；恢复有一种特殊的金属材料,经适当的热处理后即具有回复形状的能力,这种材料被称为形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy,简称为SMA),这种能力亦称为形状记忆效应(ShapeMemoryEffect,简称为SME)。通常,形状记忆合金低温时因外加应力产生塑性变形,温度升高后,克服塑性变形回复到所记忆的形状。研究表明,很多合金材料都具有SME,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。到目前为止,应用得最多的是Ni-Ti合金，铜基合金和铁基合金。1.形状记忆合金的发展在金属中发现形状记忆效应最早可追溯到20世纪30年代。1938年,美国的Greningerh和Moora-dian在Cu-Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变。随后,前苏联的Kurdiumov对这种现象进行了研究。1951年,Chang和Read在Au-47.5at%Cd合金中用光学显微镜观察到马氏体界面随温度的变化而发生迁动。这是最早观察到金属形状记忆效应的报道。数年后,Burkhart在In-Ti合金中观察到同样的现象。然而在当时,这些现象的发现只被看作是个别材料的特殊现象而未能引起人们足够的兴趣和重视。直到1963年,美国海军武器实验室的Buehler等人发现等原子比的Ti-Ni合金具有优良的形状记忆功能,并成功研制出具有实用价值的形状记忆合金“Niti-nol”以后,才引起了人们的广泛兴趣,对形状记忆合金的研究从此进入了一个新的阶段[1]。20世纪80年代初,科研工作者突破了TiNi合金研究中的难点。从此以后,形状记忆合金开始广泛应用于生产、生活的各个领域。在各国申请的有关形状记忆合金的技术专利已逾万件,投入市场付诸应用的实例已有上百种。同时,随着智能材料、智能机构研究的兴起,又将形状记忆合金的应用推向了更广泛的领域。目前,有关形状记忆合金研究的科技论文数已位居马氏体相变研究领域之首,而且该类材料所涉及的应用领域极其广泛。迄今为止,已生产的10多个系列50多个品种的形状记忆合金已广泛应用于电子、机械、能源、医疗、航空航天、汽车、家电和建筑等各个行业。2.形状记忆合金的机理马氏体相变是一种非扩散型转变，母相向马氏体转变，可理解为原子排列面的切应变。以Cu-Zn合金为例，合金相变时围绕母相的一个特定位向常形成四种自适应的马氏体变体，其惯习面以母相的该方向对称排列，四种变体合称为一个马氏体片群。如图1。图1一个马氏体片群通常的形状记忆合金根据马氏体与母相的晶体学关系，共有六个这样的片群，形成24种马氏体变体。每个马氏体片群中的各个变体的位向不同，有各自不同的应变方向。每个马氏体形成时，在周围基体中造成了一定方向的应力场，使沿这个方向上变体长大越来越困难，如果有另一个马氏体变体在此应力场中形成，它当然取阻力小、能量低的方向，以降低总应变能。由四种变体组成的片群总应变几乎为零，这就是马氏体相变的自适应现象。合金在单向外力作用下，其中马氏体顺应力方向发生再取向，造成马氏体的择优取向。当大部分或全部的马氏体都采取个取向时，整个材料在宏观上表现为形变。图2热弹性记忆合金记忆效应机理将变形马氏体加热到As点以上，马氏体发生逆转变，因为马氏体晶体的对称性低，转变为母相时只形成几个位向，甚至只有一个位向—母相原来的位向。尤其当母相为长程有序时，更是如此。当自适应马氏体片群中不同变体存在强的力学偶时，形成单一位向的母相倾向更大。逆转变完成后，便完全回复了原来母相的晶体，宏观变形也完全恢复。以上原理适用于热弹性记忆合金，而半热弹性记忆合金主要是由Shockley不全位错的可逆移动引起，如右图。母相奥氏体为面心立方结构，马氏体为密排六方结构。由于层错能低，母相中存在大量层错，马氏体依靠层错形核。图3半热弹性记忆合金记忆效应机理3.形状记忆合金的分类（a）单程记忆效应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。（b）双程记忆效应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。（c）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。图4形状记忆合金的类型4.形状记忆合金的应用4.1在航空航天中的应用i.月面天线宇宙飞船登月之后，为了将月球上收集到的各种信息发回地球，必须在月球上架设直径为好几米的半月面天线。要把这个庞然大物直接放入宇宙飞船的船舱中几乎是不可能。但利用形状记忆合金则能使其成为可能。先用镍钛合金在高温下制成半球形的月面天线（这种合金非常强硬，刚度很好），再让天线冷却到28℃以下。这时，合金内部发生了结晶构造转变，变得非常柔软，所以很容易把天线折叠成小球似的一团，放进宇宙飞船的船舱里。到达月球后，宇航员把变软的天线放在月面上，借助于阳光照射或其他热源的加热使环境温度超过奥氏体相变温度，这时天线犹如一把折叠伞那样自动张开，成为原先定形的抛物状天线，迅速投入正常的工作。图5月面天线加工及其工作示意图ii.自适应智能机翼形状控制被认为是航空工业中的智能结构中非常有前景的一项应用。通过形状记忆合金复合材料的传感与驱动功能可直接导致飞行器结构形状的改变，大大地减轻飞行器的重量。同时这种飞行器自适应形状结构可以增大航程，减少摩擦，提高空气弹性变形特性。这是因为自适应智能机翼具有连续的自适应表面，可以延缓空气分叉，因此可以减少摩擦和增加爬升力。图6自适应智能机翼的整机模型iii.智能机械手[2]形状记忆元件具有感温和驱动双重功能，因此可制作用于航天空间探索的智能机械手。手指和手腕靠Ti-Ni合金螺旋弹簧的伸缩实现开闭和弯曲动作，肘和肩是靠直线状Ti-Ni合金丝的伸缩实现弯曲动作。各个形状记忆合金元件都由直接通上的脉宽可调电流加以控制。这种机械手的最大特点是小型化，非常适于航天的无人操作活动。其另一个重要特征是动作柔软，非常接近人手的动作,可完成许多细腻的工作，如取出鸡蛋等。图7智能机械手的工作原理iv.记忆铆钉[3]在飞机的制造工艺中，需要用大量的连接件如铆钉和螺栓进行连接或紧固。采用形状记忆合金制作紧固销钉，将是飞机制造业中的一项崭新的工艺技术。它可以在某些很难进行操作的场合(如在密闭真空中),较容易地实现材料的链接和紧固。铆钉尾部记忆成型为开口状,紧固前,将铆钉在干冰中冷却后把尾部拉直,插入被紧固件的孔中,温度上升产生形状恢复,铆钉尾部叉开即可实现紧固。图8记忆铆钉工作示意图v.记忆合金管接头[4]飞机上通常装有各种不同直径的管道，对于一些异径管接头的连接，形状记忆合金可以大显身手。图9记忆合金管接头的工作原理先将形状记忆合金材料加工成所要求的管材，然后经适当热处理使管材产生径向膨胀，并快速冷却，即可制得马氏体相变后套管。应用时，将此套管套在需要连接的两个管材的接头上，再用加热器将已膨胀的套管加热至其软化点（即奥氏体温度）以上，膨胀管便收缩到初始形状，紧紧包覆在管接头。4.2在医学中的应用[5]记忆食道架能在喉部膨胀成新的食道。必要时只要向食道里加上冰块，“食道”又会遇冷收缩，从而可轻易取出，使失去进食功能的食道癌患者提高了生活质量。图10记忆食道支架形状记忆合金还可制成各类心脏修补器、血栓过滤器、伤骨固定器、脊柱矫正器、手术缝合线、人造骨骼等等。4.3在生活中的应用[6]i.温度调节装置SMA热驱动器基本工作原理就是一个在特定温度或特定温度范围内的“开~关”运动。SMA弹簧跟可调偏压弹簧相对，二者均直接接触冷热水混合流。水温太高时SMA弹簧向右推动活塞，限制热水流，降低混合水的水温。水温太低时发生相反的运动。送出的水温用改变偏压弹簧缩量的温度控制旋钮调节。图11温度调节装置示意图ii.过热保护装置用形状记忆合金弹簧可以设计一种过热保护的SMA驱动器，以避免淋浴时意外烫伤。正常工作时，热水的温度小于SMA的奥氏体相变温度，当水温达到可能烫伤人的温度(大约48℃)时，SMA发生形变，从而驱动阀门关闭，直到水温降到安全温度，阀门才重新打开。可以转动手柄(a)让偏压弹簧失效使热水直接流过阀。图12过热保护装置原理图iii.空调风向调节机构空调的制冷效果是靠开、关压缩机或改变电流频率来控制的。从空调送出的风温不能改变，有时冷的令人不适。解决该问题的方法是用装在空调机前部的SMA驱动器的活动导流片来控制气流的方向。冷气流被控制向上吹；暖气流被控制向下吹。在连接结构和导流片的摇摆运动模型中，SMA弹簧和偏压弹簧通过一个枢轴驱动导流片作跷跷板似的摇摆运动，从而改变气流方向。图13空调风向调节机构示意图5.形状记忆合金的前景在形状记忆合金的研究和应用中,目前尚存在许多有待解决的问题,例如:(1)由于形状记忆合金的各种功能均依赖于马氏体相变,需要不断对其加热、冷却及加载、卸载,且材料变化具有迟滞性,因此形状记忆合金只适用于低频(10Hz以下)窄带振动中,这就大大限制了材料的应用。(2)形状记忆合金自身存在损伤和裂纹等缺陷,如何克服这些缺陷,改善材料性能是当前迫切需要解决的问题。(3)现有的形状记忆合金机构模型在实际工程应用中都还存在一些缺陷,如何克服这些缺点,从而精确地模拟出形状记忆合金的材料行为也是一个需要研究的重要课题;(4)在医学应用方面,还需继续研究形状记忆合金的生物相容性和细胞毒性。(5)形状记忆合金作为一种新型功能材料,其加工和制备工艺较难控制,目前还没有形成一条形状记忆合金自动生产线,此外材料成本也相当昂贵。(6)为了提高应用水平,形状记忆合金元器件还需要进一步微型化,提高反应速度和控制精度,在这方面仍有许多工作要做。形状记忆合金研究今后的发展方向和趋势可归纳为以下几方面:(1)充分发掘、改进和完善现有形状记忆合金的性能;(2)研究开发新的具有形状记忆效应的合金材料;(3)形状记忆合金薄膜的研究与应用;(4)形状记忆合金智能复合材料的研究与开发;(5)高温形状记忆合金的开发。6.结语综上所述,形状记忆合金作为一种新型功能材料,具有其它材料很难取代的独特优点,应用前景十分广阔。今后,随着形状记忆合金基础理论研究的日趋成熟和应用开发力度的不断加大,必将不断开拓出新的应用领域。参考文献[1]杨大智.智能材料与智能系统[M].天津大学出版社,2000[2]刘建辉,李宁,文玉华.形状记忆合金的应用[J],2001,28(3):56～58[3]赵连城,蔡伟等.合金的形状记忆效应与超弹性[M].国防工业出版社,2002[4]周旭昌,曾光廷等.形状记忆合金管接头的工作原理及研究进展[J],2002,29(3):1～3[5]刘亚,杨贤金等.NiTi形状记忆合金的生物相容性及其表面生物活性化[J],2002,27(10):1～3[6]HuangW.Ontheselectionofshapememoryalloysforactuators.MaterialsandDesign[J],2002,23:11～19