形状记忆合金材料的应用

形状记忆合金材料的性质与应用综述【摘要】形状记忆合金是一种新型功能材料，在各个领域有着广泛的应用。本文简要介绍了形状记忆合金的特性、应用以及发展前景。【关键词】形状记忆合金应用发展现状【引言】形状记忆合金（ShapeMemoryAlloys,SMA），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变形，恢复其变形前原始形状的合金材料。最早关于形状记忆效应的报道是由Chang及Read等人在1952年做出的。他们观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。[3]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Ti-Ni合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应，才引起了科学界与工业界的重视。这种新型功能材料目前已广泛用于电子仪器、汽车工业、医疗器械、空间技术和能源开发等领域。一、形状记忆合金的分类1、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。2、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。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、形状记忆合金的特性1、形状记忆效应：合金在某一温度下受外力而变形，当外力去除后，仍保持其变形后的形状，但当温度上升到某一温度，材料会自动回复到变形前原有的形状，似乎对以前的形状保持记忆，这种效应称为形状记忆效应。2、超弹性：在高于Af点、低于Md点的温度下施加外应力时产生应力诱发马氏体相变,卸载就产生逆相变,应变完全消失,回到母相状态,表观上呈现非线性拟弹性应变,这种现象称为超弹性。3、高阻尼特性：形状记忆合金在低于Ms点的温度下进行热弹性马氏体相变，生成大量马氏体变体(结构相同、取向不同)，变体间界面能和马氏体内部孪晶界面能都很低，易于迁移，能有效地衰减振动、冲击等外来的机械能，因此阻尼特性特别好。4、耐磨性：在形状记忆合金中，Ti-Ni合金在高温(CsCl型体心立方结构)状态下同时具有很好的耐腐蚀性和耐磨性。可用作在化工介质中接触滑动部位的机械密封材料，原子能反应堆中用做冷却水泵机械密封件。5、逆形状记忆特性：将Cu-Zn-Al记忆合金在Ms点上下的很小温度范围内进行大应变量变形,然后加热到高于Af点的温度时形状不完全恢复，但再加热到高于200ºC时却逆向地恢复到变形后的形状，称为逆形状记忆特性。三、形状记忆合金在各领域的应用1、医疗方面：Ni-Ti合金是医用生物材料的佼佼者，在临床医学和医疗器械等方面广泛应用。[1]如介入疗法，将各类人体腔内支架、经过预压缩变形后,能够经过很小的腔隙安放到人体血管、消化道、呼吸道、以及尿道等各种狭窄部位，支架扩展后，在人体腔内支撑起狭小的腔道。具有疗效可靠、使用方便、可大大缩短治疗时间和减少费用等优点。传统的骨伤手术器械包括接骨钢板、螺钉、钢丝等，手术时医生要进行钻孔、楔入、捆扎等复杂操作，对患者的机体不可避免要造成人为损伤。用形状记忆合金骨科器械手术时，医生先用低温(0~5摄氏度)消毒盐水冷却记忆合金器械，然后根据需要改变其抱合部位的形状，安装于患者骨伤部位。待患者体温将其加热到设定的温度时，器械的变形部分便恢复到原来设计的形状，从而将伤骨紧紧抱合，起到固定与支撑的作用。不仅具有手术操作简便、缩短时间和愈合周期、生物相容性优良、降低人为性损伤等优点，而且其强度是不锈钢的4倍，不会发生弯曲与断裂。血栓滤器也是一种记忆合金新产品。被拉直的滤器植入静脉后，会逐渐恢复成网状，从而阻止95%的凝血块流向心脏和肺部。2、工业方面在机械零件的连接、管道的连接,飞机的空中加油的接口处，用形状记忆合金加工成内径比欲连接管的外径小4%的套管，然后在液氮温度下将套管扩径约8%，装配时将这种套管从液氮取出,把欲连接的管子从两端插入。当温度升高至常温时，利用电加热改变温度,接口处记忆合金变形，套管收缩即形成紧固密封，远胜于焊接，特别适合用于航空、航天、核工业及船舰和海底输油管道等。[1]利用记忆合金的感温驱动双重功能，制作机器人、机械手，体型微小，结构紧凑。在建筑领域，利用形状记忆合金制成阻尼耗能装置、隔震装置、结构加固元件。3、日常生活利用形状记忆合金控制浴室水管的水温，在热水温度过高时通过记忆功能，调节或关闭供水管道。还可以放在暖气的阀门内，用以保持室内的温度，当温度过低或过高时，自动开启或关闭暖气的阀门。还可以制成超弹性眼镜架，如果不小心眼镜架被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热就可以恢复原状。4、航天领域的应用形状记忆合金已应用到航空和太空装置。如用在军用飞机的液压系统中的低温配合连接件，欧洲和美国正在研制用于直升飞机的智能水平旋翼中的形状记忆合金材料。在太空方面,俄罗斯制作的形状记忆合金装置已达到了实用水平，如用于空间计划的大型天线和MIR空间站天线杆的连接与装配。[2]在美国，太空计划应用形状记忆合金的驱动插销释放发射后的有效载荷，也已证实是成功的。四、形状记忆合金的发展前景形状记忆效应的研究开发虽然已有50多年的历史，但人们对它的关心和研究势头并未衰减。形状记忆材料，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用到形状记忆材料的研究、开发和应用中，例如复合技术、快速冷凝技术、薄膜制作技术等的应用，已导致了复合形状记忆材料、薄带形状的记忆材料、薄膜形状记忆材料的出现和开发应用。形状记忆材料在智能材料系统中受到高度重视。作为一种与高科技密切相关的新型功能材料，将会在军事与民用诸多领域中有重要应用，在未来科技进步中必将有更大的发展。[4]【参考文献】[1]耿冰形状记忆合金的研究现状及应用特点辽宁大学学报自然科学版2007第34卷第3期[2]王辉，陈再良形状记忆合金材料的应用机械工程材料第26卷第3期[3]吴波，李惠，孙科学形状记忆合金在土木工程中的应用世界地震工程15卷3期[4]郭世海，张羊换，王新林磁性形状记忆合金的研究现状及发展稀有金属第29卷第3期