形狀記憶合金文獻綜述

1、形狀記憶合金性能及其應(yīng)用綜述引言 ：形狀記憶合金形狀記憶效應(yīng)、超彈性效應(yīng)、高阻尼特性、電阻突變效應(yīng) 以及彈性模量隨溫度變化等一般金屬不具備的力學特性， 使其在儀器儀表、自動控制、機器人、機械制造、汽車、航天航空、生物醫(yī)學等工程領(lǐng)域都能發(fā)揮重 要的作用， 對其本構(gòu)性能和在工程應(yīng)用中的性能的研究十分必要。 本文綜合了自 1971 年以來國內(nèi)外眾多科學家對形狀記憶合金做出的各方面的研究，并做出簡 要評價，提出自己的看法和本課題研究內(nèi)容， 為對形狀記憶合金的應(yīng)用研究提供 行為，但他們的工作限于應(yīng)力誘發(fā)的馬氏體相變且難以推廣到逆相變和非比例加 載過程.Boyd在Patoor等人所建立的單晶模型的基礎(chǔ)上，

2、采用多晶平均法，研 究材料非比例加載、 相變和重定向引起的行為并建立了本構(gòu)關(guān)系 該模型包含了 所有的使用領(lǐng)域， 但長時間的計算和大量相對復雜的方程不便于工程應(yīng)用 彭向 和等人結(jié)合Tan aka的相變描述，建立了小變形、初始各相同性和塑性不可壓縮 條件下 SMA 的三維本構(gòu)模型。周博等人從微觀力學角度建立了一個考慮馬氏體 擇優(yōu)取向過程的 SMA 三維本構(gòu)模型。朱煒國，呂和祥 6等將孿晶馬氏體向非孿 晶馬氏體（馬氏單變體）的相變過程，看作是奧氏體向馬氏單變體的相變過程， 利用Tan aka的指數(shù)型相變演化方程，構(gòu)造了一個三維的本構(gòu)模型。迄今為止， SMA 微觀力學本構(gòu)模型的研究者們采用各種方法研究

3、材料的結(jié)晶現(xiàn)象，由于材 料相變產(chǎn)生的交互能量和其他許多可能的變量， 從而發(fā)展了 SMA 單晶/多晶本構(gòu) 模型 . 這些集中在 SMA 材料的微觀熱力學模型方面的描述，有助于人們更好的 認識其本質(zhì)， 為其在工程中的應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)， 但是難以被應(yīng)用于工程實際 問題的分析。SMA 的宏觀現(xiàn)象學模型，以熱力學定律為基本出發(fā)點，借助于熱動力學理 論和相變動力學理論，大致分為 3 類： 1、基于熱動力學理論，根據(jù)自由能推到 的本構(gòu)模型； 2、從純熱力學理論出發(fā)建立的本構(gòu)模型； 3、超彈性和單雙程形狀 記憶效應(yīng)的本構(gòu)模型。Falk將SMA的應(yīng)力、應(yīng)變曲線同鐵電極強化度曲線進 行對比后發(fā)現(xiàn)兩者具有相似性，

4、于是采用鐵電極的變相理論描述SMA，不過只使用與剪切模型。Tanaka等人基于熱力學學第一、第二定律，對形狀記憶合金 材料的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系進行了定性的分析， 這種模型得到了工程界的普遍認同和 廣泛應(yīng)用。Lia ng.C等人根據(jù)Tan aka的理論為基點，考慮到在發(fā)生馬氏體相變、 逆相變初始狀態(tài)的馬氏體含量對模型的影響， 提出了一種以余弦函數(shù)形式來表示 馬氏體百分數(shù)與溫度、 Canchy 應(yīng)力之間的關(guān)系，這是一個創(chuàng)新，提高了模型的 準確性，從而使工程應(yīng)用的準確性也大大提高了。 這幾種本構(gòu)關(guān)系都可以描述應(yīng) 力誘發(fā)下的正、 反方向的相變行為， 解釋形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)， 但是由于 只引入了一個內(nèi)

5、變量， 故對相變時的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和狀態(tài)的描述是有限的， 如對低溫 馬氏體的重定向問題就不能很好的解釋。SuH10等人又分別在不同方面對本構(gòu)模 型進行了研究而得出一些更為復雜的結(jié)論。 現(xiàn)在很多學者還在對這種本構(gòu)關(guān)系的 簡化應(yīng)用進行著研究。如杜彥良 11提出了一種線性的馬氏體百分數(shù)與溫度、 Canchy 應(yīng)力之間的關(guān)系模型，并與 Liang 等人的模型進行了比較，實驗與預(yù)報 精確度相差不大，但是簡化了模型，為實際應(yīng)用提供了更加簡便的模型。3、形狀記憶合金在智能系統(tǒng)方面的應(yīng)用研究現(xiàn)狀與其他可作為傳感與驅(qū)動的元件相比， SMA 驅(qū)動器的動作除溫度外幾乎不 受其它環(huán)境條件的影響， 具有較好地抗外界干擾特性，

6、 相對其他智能復合材料在 價格、技術(shù)成熟性和可植入性等方面也有明顯的優(yōu)勢。因此，采用 SMA 構(gòu)造智 能結(jié)構(gòu)受到專家學者的關(guān)注 12。SMA 在結(jié)構(gòu)振動控制方面的應(yīng)用研究： 結(jié)構(gòu)振動控制手段可分為被動控制、 主動控制和智能控制 13。被動控制是利用形狀記憶合金材料的超彈性效應(yīng)和高阻 尼特性將其制做為耗能阻尼器。 形狀記憶合金特有的超彈性變形特性使其變形能 力比普通金屬材料約大 30 倍，比阻尼（材料振幅衰減比的平方）可達 40%，在 小震情況下， 形狀記憶合金的彈性特性與普通金屬相似， 在大震時形狀記憶合金 表現(xiàn)出超彈性大變形能力， 有效地消耗地震能量， 并可利用其記憶效應(yīng)使變形恢 復。SMA

7、 在精確定位控制方面的應(yīng)用研究： 閻紹澤，徐峰等提出將 SMA 傳感器 與光導纖維制成一體，當溫度出現(xiàn)異常時， SMA 變形使光導纖維的光導系統(tǒng)出 現(xiàn)光能損失， 終端得到的散光光強和時間曲線就會出現(xiàn)明顯變化 , 判斷異常溫度 的位置和時間 14 . 這種傳感系統(tǒng)可用作工廠、大樓的火災(zāi)報警裝置。SMA 在故障自監(jiān)測、自診斷、自修復和自增強方面的應(yīng)用研究：將產(chǎn)生一 定預(yù)變形的 SMA 埋入結(jié)構(gòu)中，通過觸發(fā) SMA 所產(chǎn)生的回復力可降低結(jié)構(gòu)的應(yīng) 力水平， 改善其應(yīng)力分布， 提高結(jié)構(gòu)的承載能力， 同時也可以防止損傷的發(fā)生或 損傷的擴展。在承受彎矩或扭矩的構(gòu)件中加入 SMA 絲，通過對 SMA 絲的加熱

8、 與冷卻可做成強度自應(yīng)結(jié)構(gòu)。在孔板的孔周圍埋入 SMA 絲對其誘發(fā)應(yīng)變，可在 孔邊產(chǎn)生壓應(yīng)力， 能降低孔邊的應(yīng)力集中因子并改善應(yīng)力分布 15。閻云聚， 姜節(jié) 勝等研究了在一些大型建筑結(jié)構(gòu)中加入 SMA 構(gòu)成智能復合材料系統(tǒng) ,通過用復 合材料制成的形狀記憶合金電纜的加熱收縮來防止裂紋的擴展16 。4、形狀記憶合金在工程中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀SMA 近年來發(fā)展日趨成熟，已獲得了多方面應(yīng)用，例如各種連接件、管接 頭、鉚釘、連接器、緊固夾、衛(wèi)星天線、溫控元件、驅(qū)動元件、電子器件、集成 電路的配線等。醫(yī)用元件如：人工心臟、整形外科用骨接頭件、止血夾、牙齒矯 形絲、人工關(guān)節(jié)用自固定桿、接骨用超彈性 TiNi

9、絲、玩具及塑料眼鏡框等。SMA 薄膜在 MEMS 驅(qū)動和傳 感元件方面的應(yīng)用研究 :日本東京大學的 Nakamrua等人17研制了 SMA薄膜環(huán)形微驅(qū)動器。采用 TiNi泵膜的微泵一次循 環(huán)中可產(chǎn)生 8%的應(yīng)變，泵程輸出的流體體積與可恢復應(yīng)變是成正比的 ,因此 TiNi 薄膜在微泵方面具有很好的應(yīng)用前景。TiNi薄膜的電阻率約為100Q ?cr可通過 調(diào)節(jié)加熱電流來控制驅(qū)動力18。美國Case Western Reserv大學的Be-nard等人19 研制了兩種具有不同驅(qū)動元件的微泵。日本Hoddaido大學的Maki no等人20研制 的微泵是由 TiNi 泵膜和兩個被動閥組成。上海交通大學

10、徐東等人 21研制的 Ti-Ni/Si 復合結(jié)構(gòu)微泵。德國 IMT 的 Kohl 等人22開發(fā)了一種應(yīng)力優(yōu)化的由 TiNi 基合金薄膜驅(qū)動的常開微閥。醫(yī)學方面的應(yīng)用 :超彈性，采取 TiNi 基合金支架及其它醫(yī)療器件最明顯的特點是 超彈性TiNi絲的柔韌性是不銹鋼的1020倍,TiNi基合金器件的回彈應(yīng)變可高達 11%這種柔韌性對支架特別重要。利用其自身彈性擴展性，典型的器件有RITA組織摘除器和 ASDOS 心隔膜孔洞阻塞器。熱致擴展，如脈管內(nèi)腔過濾器。利用 抗死結(jié)性能的一種應(yīng)用實例是導引絲。使用 TiNi 的抗死結(jié)性能的早期實例是用 于腎膀胱膽道等處的網(wǎng)籃狀取石器， 另一實例是所改進的腹腔

11、鏡類醫(yī)療器械。 生 物相容性， TiNi 合金具有很好的生物相容性 23，如通過美國 FDA 認證的 TiNi 三級植入體器械 （包括 SIMON 脈管血液過濾器、 SMART 支架、 MITEK 骨固定 器以及永久 TiNi 基合金植入體等），大量的整形外科器械， 如髖骨植入體骨科 U 型釘頭蓋骨板等。利用 SMA 的恒應(yīng)力性而制成的牙齒正畸絲、超彈性眼鏡等。SMA 在汽車方面的應(yīng)用研究：例如豐田汽車采用 TiNi 記憶合金制成散熱器 護柵活門，冷卻發(fā)動機的風扇，汽車輪胎防滑釘，可以根據(jù)輪胎溫度自由伸縮。 霧燈窗自動開閉裝置，電磁閥動力裝置等。具體應(yīng)用及工作原理24:SMA減振墊片， SMA

12、 減振墊片用在變速箱齒輪等傳動系零部件中。當汽車運行時，傳 動系零部件溫度逐漸升高， 由于各零部件材料的膨脹系數(shù)不同， 傳動系的工作狀 況逐漸變差，導致振動和噪聲增大。而 SMA 減振墊片的彈性恢復力隨溫度升高 而增大，它的合理使用能增加傳動系零部件熱膨脹后的堅固力， 從而達到穩(wěn)定零 部件工作狀態(tài)和減振降噪的目的； SMA溫度自反饋供油器，當外界溫度降低導致燃油粘度增加時，溫度自反饋供油器中 SMA 彈簧和一個偏置彈簧組成的裝 置打開發(fā)動機附加油路。當溫度升高時， SMA 彈簧的彈性模量增大，從而推動 偏置彈簧關(guān)閉附加油路，這樣就可以保證不同溫度下供油量的穩(wěn)定性；SMA風扇離合器，這種離合器采

13、用 SMA 材料的螺旋彈簧裝置。當來自散熱器的空氣 流溫度超過設(shè)定溫度時， 彈簧膨脹， 使離合器接合， 風扇轉(zhuǎn)動。 當氣流降低一定 溫度后， 彈簧收縮， 使離合器脫開， 風扇停止工作， 從而控制發(fā)動機水溫在最佳 工作溫度。一些溫控裝置也是利用同樣的原理；SMA儲能彈簧，利用SMA可達到 8%的超彈性變形量可將剎車時的車輛動能轉(zhuǎn)變?yōu)閮δ軓椈傻膹椥詣菽埽?而在正常行駛時將儲存在彈簧中的能量釋放出來驅(qū)動車輛以節(jié)省燃料消耗。SMA 在航天航空及軍事方面的應(yīng)用研究： 關(guān)于 SMA 應(yīng)用最典型的例子是航 天飛機的傘型天線 25,為方便發(fā)射 ,把母相狀態(tài) TiNi 記憶合金制成的天線壓扁 ,附 在船體上 ,

14、飛船升空后受陽光的輻射而升溫 ,于是天線便記憶起原來的形狀 ,重新 支起；在火炮上的應(yīng)用， 能最大限度地提高炮管內(nèi)膛的耐燒蝕能力， 增大炮管的 使用壽命；在槍彈上的應(yīng)用，可增大槍彈的殺傷力。還有在戰(zhàn)斗機、潛艇火箭、 航天航空等方面的應(yīng)用；在微型飛行器的應(yīng)用，如在翼面中埋入智能驅(qū)動元件， 根據(jù)飛行器的飛行狀況及飛行控制的需要， 通過驅(qū)動元件激勵使得翼面發(fā)生扭轉(zhuǎn) 或彎曲等來改變翼面的形狀， 以獲得自適應(yīng)氣動穩(wěn)定性 , 從而獲得最佳的氣動特 性。此外，利用 SMA 的阻尼特性，在軍事上用作吸震波的裝甲材料、防彈材料 等。SMA 在建筑工程上的應(yīng)用研究： 由于 SMA 具有可恢復變形大、 在受限回復

15、時能產(chǎn)生很大的驅(qū)動力、 電阻對應(yīng)變敏感、 高阻尼性能、抗疲勞性能好， 并且可 以實現(xiàn)多種變形形式，易于同混凝土、鋼等材料相結(jié)合等特點而日益受到重視， 國內(nèi)外眾多學者對 SMA 在土木工程中的應(yīng)用進行了理論和實驗研究。特別是對 于民用設(shè)施的保護方面，如建筑、橋梁的抗震減害 26-28等。彭文屹 ,曾少鵬 ,張少 青,等29提出將 SMA 制成絲狀或薄膜狀粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)中易開裂的部位 ,一旦 裂紋產(chǎn)生 ,該處的 SMA 的應(yīng)變將增大 ,使其內(nèi)部阻值變化 ,通過阻值的變化可以確 定裂紋的寬度 ,由 SMA 的埋置位置 ,可以確定出現(xiàn)裂紋的構(gòu)件 ,從而實現(xiàn)對裂紋的 自診斷、自監(jiān)測。王社良、馬懷忠、沈

16、亞等 30 提出將 SMA 材料預(yù)加載至彈性極 限附近,然后隨同其他建筑材料一起植入地基內(nèi) .這樣,當?shù)卣鸢l(fā)生時 ,SMA 就可以 吸收和耗散大量的地震能量 ,減小或抑制建筑物的地震響應(yīng)。有些應(yīng)用領(lǐng)域，要 求形狀記憶元件在多次循環(huán)復運動中對外產(chǎn)生力的作用， 溫度繼電器和溫度保持 器、自動干燥箱、電子灶、熱機、衛(wèi)星儀器艙窗門自動啟閉器、 自動火警警報器、 熱敏閥門、 液氨泄漏探測器、 煤氣安全閥、 通風管道緊急啟動閘門、 自動收進煙 頭的煙灰盒及人工心臟等都屬于這種應(yīng)用類型。結(jié)論： 基于形狀記憶合金的特殊的力學性能，其在智能系統(tǒng)以及工程方面的應(yīng) 用也將越來越深入和廣泛。 由于近些年對形狀記憶合金

17、所做的大量研究， 其在應(yīng) 用中的難題逐步倍兒解決。 本課題針對的形狀記憶合金在微型管道機器人方面的 研究，可以在醫(yī)學的血管疏通以及線纜管道的檢測修理方面發(fā)揮重要的作用， 其 研究價值非常明顯。 然而受材料自身情況的影響， 使得其響應(yīng)速率和控制精度等 方面還有待改善， 因此在形狀記憶合金的本構(gòu)關(guān)系以及驅(qū)動響應(yīng)速率等方面還有 待進一步的而研究。參考文獻1 王治國，形狀記憶合金雙休記憶效應(yīng)及驅(qū)動特性研究 D. 四川大學， 2002.2 王曉宏，形狀記憶合金驅(qū)動主動設(shè)計與制作，哈爾濱工業(yè)大學， 20063 Patoor E， Eberhardt AMicromechanical modeling of

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