形状记忆合金的简介应用与研究趋势

1/4形状记忆合金的简介、应用与研究趋势摘要作为新型功能材料的形状记忆合金,由于其特有性能——相变的形状记忆效应,在机械、电气、宇航、医疗卫生、日常生活等领域得到广泛应用。本文综述了形状记忆合金的发展概况，简要介绍形状记忆合金的发展历史和在不同领域的应用现状,分析了当前形状记忆合金研究中存在的问题,指出了今后的发展趋势与研究方向。关键词:形状记忆合金，应用，发展趋势，SMA。BriefIntroduction,ApplicationandResearchTrendofShapeMemoryAlloyAbstract:Theshapememoryalloy(SMA)isanewfunctionalmaterialwhichhasshapememoryeffectoftransformationandmakesthemsousefulformanyfields,suchasmechanical,electrical,aeronautical,medicalandhealthdomesticetc.Thegeneraldevelopmentoftheshapememoryalloy(SMA)issummarized,anditsapplicationsindifferentfieldsarebrieflyintroduced.Also,problemsinthestudyofSMAatpresentareanalyzed.Finally,ThedevelopmentforegroundandresearchdirectionsofSMAinthefuturearepointedout.Keywords:shapememoryalloy,application,developmenttrend,SMA.1引言形状记忆合金(shapememoryalloy,SMA)是指一类具有一定形状的合金，在低温下发生塑性形变并固定成另一种形状，当把它加热到某一临界温度以上，又可恢复初始形状。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应(ShapeMemoryEffect,SME)。2形状记忆合金的发展概况1938年,美国的Greningerh和Mooradian在Cu-Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变。1951年,Chang和Read在Au-4715at%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。1963年,美国海军武器实验室的Buehler等人发现等原子比的T-iNi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Nit-inol0以后,对形状记忆合金的研究从此进入了一个新的阶段。20世纪70年代,相继开发出了N-iTi基、Cu-A-lNi基和Cu-Zn-Al基形状记忆合金;80年代开发出了Fe-Mn-Si基、不锈钢基等铁基形状记忆合金,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。【1】2/43现今研究的主要形状记忆合金3.1NiTi基合金NiTi基合金由于表现出优良的形状记忆效应和超弹性、高的耐磨耐腐蚀性能以及特殊的生物相容性,而成为形状记忆合金家族中的佼佼者,是当今最具实用性的形状记忆合金系列。3.2Cu基合金铜基合金是继TiNi合金之后的又一种实用性较强的形状记忆合金。与TINi合金相比,它容易加工、成本低,但也存在一些问题,主要是晶粒粗大,热稳定性差以及记忆性能易衰退等问题。3.3Fe基合金TiNi基合金虽然有优良的形状记忆效应,但价格较贵,加工困难。铜基合金价格低但性能却不稳定,因而铁基合金以其价格低廉、强度高、加工方便等特点引起工业界的重视。4形状记忆合金的应用4.1航空航天工业中的应用形状记忆合金已应用到航空航天和太空装置。（a）直升飞机的智能水平旋翼中的形状记忆合金材料直升飞机具有高震动和高噪声的特点,其噪声和震动的来源主要是叶片涡流干扰,以及叶片型线的微小偏差。目前已开发出一种叶片的轨迹控制器,它是用一个小的双管形状记忆合金驱动器控制叶片边缘轨迹上的小翼片的位置,使其震动降到最低。（b）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。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。驱动插销用在预压气缸中,当形状恢复时引起有凹口的插销断裂,它比常规的爆炸释放装置要安全得多。【3】4.2机械电子产品中的应用（a）1970年美国用形状记忆合金制作F-14战斗机上的低温配合连接器，随后形状记忆合金作为低温配合连接器在飞机的液压系统中及体积较小的石油、石化、电工业产品中得到应用。另一种连接件的形状是焊接的网状金属丝，用于制造导体的金属丝编织层的安全接头。(b)将形状记忆合金制作成一个可打开和关闭快门的弹簧，用于保护雾灯免于飞行碎片的击坏。用于制造精密仪器或精密车床，一旦由于震动、碰撞等原因变形，只需加热即可排除故障。(c)在机械制造过程中，各种冲压和机械操作常需将零件从一台机器转移到另一台机器上，现在利用形状记忆合金开发了一种取代手动或液压夹具，这种装置叫驱动汽缸，它具有效率高灵活，装夹力大等特点。4.3生物医疗上的应用用于医学领域的TiNi形状记忆合金，除了利用其形状记忆效应或超弹性3/4外，还应满足化学和生物学等方面的要求，即良好的生物相容性。目前，在医学上TiNi合金主要应用有：(a)牙齿矫形丝用超弹性TiNi合金丝和不锈钢丝做的牙齿矫正丝，克服了普通不锈钢合金丝弹性模量高，弹性应变小的缺点。用TiNi合金作牙齿矫形丝，即使应变高达10%也不会产生塑性变形，而且应力诱发马氏体相变使弹性模量呈现非线型特性，即应变增大时矫正力波动很少。(b)脊柱侧弯矫形采用形状记忆合金制作的哈伦顿棒，只需要进行一次安放矫形棒固定。如果矫形棒的矫正力有变化，以通过体外加热形状记忆合金，把温度升高到比体温5℃，就能恢复足够的矫正力。（c）另外，外科中用TiNi形状记忆合金制做各种骨连接器、血管夹、凝血滤器以及血管扩张元件等。同时还广泛应用于口腔科、骨科、心血管科、胸外科、肝胆科、泌尿科、妇科等，4.4日常生活应用(a)防烫伤阀在家庭生活中，已开发的形状记忆阀可用来防止洗涤槽中、浴盆和浴室的热水意外烫伤。如果水龙头流出的水温达到可能烫伤人的温度(大约48℃)时，形状记忆合金驱动阀门关闭，直到水温降到安全温度，阀门才重新打开。(b)眼镜框架在眼镜框架的鼻梁和耳部装配TiNi合金可使人感到舒适并抗磨损。用超弹性TiNi合金丝做眼镜框架，即使镜片热膨胀，该形状记忆合金丝也能靠超弹性的恒定力夹牢镜片。(c)移动电话天线过去使用不锈钢天线，由于弯曲常常出现损坏问题。使用TiNi形状记忆合金丝移动电话天线，具有高抗破坏性受到人们普遍欢迎。[4]5形状记忆合金的发展趋势虽然SMA的研究已经有很大进展，但目前仍然存在很多的问题。比如，SMA的各种功能均依赖于马氏体相变，需要不断对其进行加热、冷却及加载、卸载。且材料变化具有迟滞性,因此SMA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。SMA的发展趋势主要有以下几个方面：(1)充分发掘、改进和完善现有SMA的性能;(2)研究开发新的具有形状记忆效应的合金材料;(3)SMA薄膜的研究与应用;(4)SMA智能复合材料的研究与开发;(5)高温SMA的开发。将来的的SMA应该主要集中在以下三种：(1)铁基SMA因其加工性能好，价格低廉，生产成本低，适用范围广而得到关注。（2）高温用SMA高温用SMA可显著提高相变点从而提高相变温度，在热驱动器、继电器及核工业等高温领域具有非常广阔的应用前景。4/4(3)磁性形状记忆合金不但具有传统形状记忆合金受温度场控制的热弹性形状记忆效应，而且具有受磁场控制的磁性形状记忆效应，因此，合金兼有大恢复应变、大输出应力、高响应频率和可精确控制的综合特性，使其可能在大功率水下声纳、微位移器、震动和噪声控制、线性马达、微波器件、机器人等领域有重要应用，有望成为压电陶瓷和磁致伸缩材料之后的新一代驱动与传感材料。【5】6结束语近些年来，SMA大研究已经有了很大进步，但是还有一些问题亟待解决和改善.SMA的特有性能已得到人们越来越广泛的重视，相信在不久的将来，SMA将会更加广泛的应用于人们的生活中。参考文献：【1】肖恩忠.形状记忆合金的应用现状与发展趋势.工具技术，2005，39（2）：10~13【2】刘庆锁.形状记忆合金及工程应用.天津理工学院学报，2001，17（3）：68~71【3】王辉，吴再良。形状记忆合金材料的应用.机械工程材料，2006，26（3）：5~8【4】形状记忆合金.百度百科【5】耿冰.形状记忆合金的研究现状及应用特点.辽宁大学学报，2007，34（3）：225~228