形狀記憶合金

/形狀記憶合金材料0８１205０80１2６倪琦摘要:形狀記憶效應自20世紀30年代報道以來逐步得到人們的重視并加以應用，被人們譽為“神奇的功能材料",本文主要介紹了形狀記憶合金合金的發(fā)展歷史及其在許多領域的應用以及未來的一些發(fā)展趨勢.關鍵詞：形狀記憶合金、各領域應用、原理及發(fā)現(xiàn)引言:形狀記憶合金是一種能夠記憶原有形狀的智能材料.這種合金對形狀具有記憶的能力，而且記性相當好,有些甚至反復改變500萬次后，仍能在一定條件下完全恢復原狀。每種以一定元素按一定比例組成的形狀記憶合金都有一個轉變?yōu)闇囟取＃?］發(fā)現(xiàn)：1932年瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到了形狀記憶效應.最早關于形狀記憶合金效應的報道是有Ｃhang及Rｅaｄ等人在1952年作出的。他們觀察到Aｕ-Ｃd合金中相變的可逆性.后來在Cu-Zn合金中也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。但當時并未引起人們的廣泛注意.直到１962年,Buehler及其合作者在等原子比的Ti-Ni合金中觀察到具有宏觀形狀變化的記憶效應，才引起了材料科學界與工業(yè)界的重視?，F(xiàn)狀:目前已投入實用的形狀記憶合金主要有鎳一鈦系、銅系和鐵系或不銹鋼系三大類。１.鎳一鈦系形狀記憶合金。鎳一鈦系合金是形狀記憶合金材料中性能最優(yōu)越而且用途最廣的一種。鎳一鈦系合金的延展性、形狀記憶強度、應變、耐蝕性、電阻及穩(wěn)定性均較好,但其成本較高。這類合金的形狀記憶行為有單向和雙向兩種，其呈現(xiàn)記憶行為的溫度范圍可借助合金的改良而加大或縮小。2.銅系形狀記憶合金。銅系形狀記憶合金比鎳一鈦記憶合金更便宜且容易加工成型，因此頗具發(fā)展?jié)摿?。但銅系形狀記憶合金的強度不如鎳一鈦記憶合金,反復受熱的形狀記能力也衰減較快。一、研究方法原理:馬氏體轉變圖中表示出了馬氏體相變的相變溫度，Mｓ、Ｍｆ、As、Aｆ分別表示為馬氏體相變開始溫度、終了溫度、馬氏體（M)→母相的逆相轉變開始溫度和終了溫度。在Af點以上的溫度對這種合金加一外力，如果對于位錯滑移的抗力大，變形則由馬氏體相變引起，即形成應力誘發(fā)M相。在該溫度下這種Ｍ相僅在外力存在下可以穩(wěn)定存在,由于熱力學上是不穩(wěn)定的,當取消外力時，M→母相的逆相變便產生，試樣復歸原始形狀‘這種除去外力復歸原狀的現(xiàn)象叫做擬彈性，這一點與原來的彈性是完全不同的東西。在Af和Ｍｓ點中間使母相變形的情況下，也與上述一祥由于應力誘發(fā)了M相變,產生了變形。但是，這時的M相即使在無應力狀態(tài)下，也是穩(wěn)定的,即使取消外力,M→母相的逆相變也不發(fā)生，然而在Af點以上加熱時，由于M相以熱力學上是不穩(wěn)定的,引起M→母相的逆相變而復歸原形,即產生形狀記憶效應。在Ms點以下，試樣由開始冷卻時所形成的M相構成，這時M相是因為原子的連帶運動而變更了晶體結構，M相與母相之間存在一定的對應關系，然而這種對應關系在結晶學上存在著一定的共格關系,又由于冷卻時形成的Ｍ相因相變而僅有少量的變形，形成了互相抵消的在結晶學上等價的M相(兄弟相)，當對含有兄弟相的M相施加外力時，兄弟晶可以按效率最大的外力方向變形,兄弟晶吞并其他的兄弟晶而生長，作為整體產生變形.此時，M相晶體結構無變化，由于變形是對應于兄弟晶之間的界面移動，這種狀態(tài)即使出去外力，在熱力學上變形前后無差別。所以，外力出去后也不引起逆相變。在Af點以上加熱時，則引起M→母相的逆轉變，恢復原來形狀，表現(xiàn)出形狀記憶效應。產生馬氏體相變的２個必要條件：(1)在引起位錯滑移變形之前產生加工誘發(fā)馬氏體相變.②在產生Ｍ一母相逆相變時，必定按原馬氏體相變完全相同的路線逆反。分類:（1）單程記憶合金形狀記憶合金在較低的溫度下變形,加熱后可恢復變形前的形狀。這種只在加熱過程中存在記憶效應的合金叫單程記憶合金。（2）雙程記憶合金指合金在加熱時恢復高溫相形狀,冷卻時又恢復低溫相形狀，稱為雙程記憶合金.（３）全程記憶合金合金在加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時變成形狀相同而取向相反的低溫相形狀，稱為全程記憶合金。性能表征：形狀記憶合金(ShapeMｅｍoｒyＡllｏy，ＳMA)：是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經塑性形變并固定成另一種形狀后，通過加熱到某一臨界溫度以上又可恢復成初始形狀的一類合金.形狀記憶合金具有的能夠記住其原始形狀的功能稱為形狀記憶效應（ShapｅMｅｍoryEfｆect,SＭE)超彈性：在高于Af點、低于Mｄ點的溫度下施加外應力時產生應力誘發(fā)馬氏體相變,卸載就產生逆相變,應變完全消失,回到母相狀態(tài),表觀上呈現(xiàn)非線性擬彈性應變，稱為相變擬彈性或超彈性。普通金屬材料彈性應變一般不超過0.5％，而超彈性材料的擬彈性應變則達5％～2０％[８］.在介入醫(yī)療領域有超過8０％的產品利用的是Ni－Ｔi合金的超彈性,它使得合金支架或合金絲具有良好的柔順性,可以與柔軟且復雜的人體內管道很好的貼合［9］。高阻尼特性:形狀記憶合金在低于Ms點的溫度下進行熱彈性馬氏體相變，生成大量馬氏體體（結構相同、取向不同）,變體間界面能和馬氏體內部孿晶界面能都很低,易于遷移，能有效地衰減振動、沖擊等外來機械能，因此阻尼特性特別好,可用做防振材料和消聲材料.耐磨性：在形狀記憶合金中獨有Ti－Ｎi合金在高溫相（CsＣl型體心立方結構)狀態(tài)下同時具有極好的耐腐蝕性和耐磨性?？捎米髟诨そ橘|中接觸滑動部位的機械密封材料，原子能反應堆中用做冷卻水泵機械密封件，冷卻水凈化系統(tǒng)可以長期不檢修。逆形狀記憶特性:將Cu—Zn-Al記憶合金在Ms點上下的很小的溫度范圍內進行大應變量變形,然后加熱到高于Af點的溫度時形狀不完全恢復，但再加熱到高于2０0℃的溫度時卻逆向地恢復到變形后的形狀,稱為逆形狀記憶特性。二、研究成果及應用至今為止發(fā)現(xiàn)的記憶合金體系有Au-Cｄ，Ａg-Ｃd，Cu－Ｚn,Cｕ—Zn—Al,Cu—Zn—Ｓn，Ｃu－Zn—Ga，Ｉｎ-Ｔi，Aｕ-Cu－Ｚn,Ｎｉ－Ａl,Fe-Ｐt，Ｔi-Ni,Ｔｉ-Ni－Pd，Ｔi－Nb,U—Ｎb和Fe－Mn-Si等.到目前為止，應用最多的是Ni—Ｔｉ合金和銅基合金(Cu－Ｚｎ－Al和Cｕ-Al-Ni）.各種體系的記憶合金各有千秋。Nｉ-Tｉ合金的性能好,可靠性強,但價格貴。銅基和金價格便宜，但可靠性差。鐵基合金價格便宜，剛性好，強度大，易加工。19６9年,鎳－鈦合金的形狀記憶效應第一次在工業(yè)上應用.人們采用了一種與眾不同的管道接頭裝置。為了將兩根需要對接的金屬管連接，選用轉變溫度低于使用溫度的條件下做成內徑比待對接管子外徑略微小一點的短管,然后在低于其轉變溫度下將其內徑稍加擴到該接頭的轉變溫度時，接頭就自動收縮而扣緊被接管道,形成牢固緊密的連接。美國在某種噴氣式戰(zhàn)斗機的油壓系統(tǒng)中便使用了這種鎳－鈦合金接頭,從未發(fā)生過漏油,脫落或破損事故.[3］據(jù)統(tǒng)計，僅一架F－14戰(zhàn)斗機的液壓系統(tǒng)就要用800萬只這種套筒接頭,至今各種飛機使用的數(shù)量已達到100萬件。記憶合金的開發(fā)不過2０余年,但由于其在各領域的特效應用正廣為世人所矚目,被譽為“神奇的功能材料”。［1］由于記憶合金的特殊的記憶功能，現(xiàn)已廣泛應用于航空、衛(wèi)星、醫(yī)療、生物工程、能源和自動化等方面。1．航空航天工業(yè)在航天方面，常用Ni-Tｉ合金制成天線。用在宇宙飛船上的天線是非常龐大的,呈半球月面狀.若用普通金屬制成這樣的天線,由于宇宙飛船的體積是有限的,無法把它帶上去,但采用記憶溫度為40攝氏度的Ｎi-Ti合金在40攝氏度以上做成月面天線，然后再冷卻到40攝氏度以下,這時天線就可以折疊成一個小球團,從而達到方便的裝進宇宙飛船的目的.當宇宙飛船到達月球后，受到太陽光的強烈照射，小球團的溫度很容易達到４0攝氏度以上，此時它就恢復原來的形狀，張開呈傘面開始工作。[1]２。生物醫(yī)療。臨床上用的最普遍的是鎳鈦（Ni-Ti)形狀記憶合金(SMA）,簡稱ＮT-SMＡ。ＮT—SMＡ是集耐磨、耐腐蝕、形狀記憶效應偽弱性和聲阻尼等性能于一體的新材料，有熱彈力型的馬氏體變態(tài),有種種難以想象的性質。[３］采用Ｎi-Ti合金做成人體用的生物植入件，如脊柱矯直用的支板，齒科用的矯齒絲以及人體矯形外科用的假肢等。用于醫(yī)學領域的Ｔi－Nｉ形狀記憶合金,除了利用其形狀記憶效應或超彈性外，還應滿足化學和生物學等方面的要求，即良好的生物相容性。Ｔｉ-Ｎi可與生物體形成穩(wěn)定的鈍化膜。目前，在醫(yī)學上Ti-Ｎi合金主要應用有:(1）牙齒矯形絲用超彈性Ｔi-Ni合金絲和不銹鋼絲做的牙齒矯正絲，其中用超彈性Tｉ－Ｎi合金絲是最適宜的.通常牙齒矯形用不銹鋼絲Co－Cr合金絲，但這些材料有彈性模量高，彈性應變小的缺點。為了給出適宜的矯正力,在矯正前就要加工成弓形,而且結扎固定要求熟練.如果用Ｔi－Ni合金作牙齒矯形絲，即使應變高達1０%也不會產生塑性變形。這種材料不僅操作簡單，療效好，也可減輕患者不適感。（２)脊柱側彎矯形各種脊柱側彎癥(先天性、習慣性、神經性、佝僂病性、特發(fā)性等）疾病,不僅身心受到嚴重損傷，而且內臟也受到壓迫，所以有必要進行外科手術矯形。目前這種手術采用不銹鋼制哈倫敦棒矯形，在手術中安放矯形棒時,要求固定后脊柱受到的矯正力保持在30～４０kg以下，一但受力過大，矯形棒就會破壞,結果不僅是脊柱，而且連神經也有受損傷的危險。如果矯形棒的矯正力有變化，以通過體外加熱形狀記憶合金，把溫度升高到比體溫約高５℃，就能恢復足夠的矯正力。另外，外科中用Ti—Ｎｉ形狀記憶合金制做各種骨連接器、血管夾、凝血濾器以及血管擴張元件等。同時還廣泛應用于口腔科、骨科、心血管科、胸外科、肝膽科、泌尿科、婦科等,隨著形狀記憶的發(fā)展,醫(yī)學應用將會更加廣泛。［３］3。日常生活.（1)防燙傷閥在家庭生活中，已開發(fā)的形狀記憶閥可用來防止洗滌槽中、浴盆和浴室的熱水意外燙傷;這些閥門也可用于旅館和其他適宜的地方。如果水龍頭流出的水溫達到可能燙傷人的溫度(大約４８℃）時，形狀記憶合金驅動閥門關閉,直到水溫降到安全溫度,閥門才重新打開。[６](2）眼鏡框架在眼鏡框架的鼻梁和耳部裝配Ti—Nｉ合金可使人感到舒適并抗磨損,由于Ti—Nｉ合金所具有的柔韌性已使它們廣泛用于改變眼鏡時尚界。用超彈性Ti－Ni合金絲做眼鏡框架,即使鏡片熱膨脹,該形狀記憶合金絲也能靠超彈性的恒定力夾牢鏡片。這些超彈性合金制造的眼鏡框架的變形能力很大，而普通的眼鏡框則不能做到。（３)移動電話天線和火災檢查閥門使用超彈性Ｔi—Ni金屬絲做蜂窩狀電話天線是形狀記憶合金的另一個應用。過去使用不銹鋼天線,由于彎曲常常出現(xiàn)損壞問題.使用Tｉ—Ni形狀記憶合金絲移動電話天線,具有高抗破壞性受到人們普遍歡迎。因此常用來制作蜂窩狀電話天線和火災檢查閥門。火災中,當局部地方升溫時閥門會自動關閉，防止了危險氣體進入。這種特殊結構設計的優(yōu)點是，它具有檢查閥門的操作,然后又能復位到安全狀態(tài)；這種火災檢查閥門在半導體制造業(yè)中得到使用,在半導體制造的擴散過程中使用了有毒的氣體；這種火災檢查閥也可在化學和石油工廠應用。[5]四、發(fā)展趨勢及展望記憶合金的產業(yè)發(fā)展離不開基礎及應用研究的有力支撐，未來記憶合金的材料研究將向高溫、低溫、寬滯后、窄滯后、雙程、全程、磁控響應、色調記憶等方向發(fā)展；工藝研究將向低成本、高質量、多品種的目標邁進，開發(fā)研制憶合金多孔材料、薄膜、超細絲、纖維等具有全新用途的功能材料。記憶合金元件的小型化、智能化、大型化是元件設計的不同方向。隨著應用研究和產業(yè)的不斷發(fā)展，我國記憶合金的技術水平、產品質量、生產規(guī)模都取得了長足的進步，記憶合金生產成本也相應的有了很大程度的降低，原本因為價格因素而局限應用于軍工、醫(yī)療和高檔民用領域產品的記憶合金得以在更多的領域得到更為廣泛的應用,這給記憶合金的產業(yè)發(fā)展提供了新的機遇?？梢灶A見的是,記憶合金絲棒板材、醫(yī)用產品、緊固連接件、解鎖驅動件和智能復合材料等方面將是今后記憶合金產業(yè)化發(fā)展的趨勢。[4］參考文獻：［１］解守宗,《我們周圍的化學》,上海，上?？茖W技術出版社，20０3。５：2７0~２77.［２]趙連城、蔡偉、鄭玉峰，《合金的形狀記憶效應與超彈性》,北京，國防工業(yè)出版社，20０2。1：1～４。[3］ＨYPＥRLINK”"\ｌ”３”\o”查看此用戶資料"\t”_blaｎk"愛你綿綿無絕期,形狀記憶合金，，２0１1。5．20，[４]繆衛(wèi)東，《我國形狀記憶合金應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢》，《新材料產業(yè)》NO．5200８［5]yys，《第五章形狀記憶合金》，,2011.5.23［6]李程鵬，《形狀記憶合金及其應用》，２01１．５.2３［7]陳邦義,梁成浩。銅基形狀記憶合金及其耐蝕性研究進展[J]．腐蝕科學與防護技術，20０3．1．［8］徐華蘋，毛協(xié)民.Cu基形狀記憶合金發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J］.