形状记忆合金的研究现状及应用

■谢海峰 裴 松 郑 旋

形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。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(Shape Memory Effect,SME)。形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。

一、形状记忆合金的发展历史与现状

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Moora2dian在Cu2Zn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Au24715at%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In2Ti合金中观察到同样的现象。

二、形状记忆合金研究

目前已投入实用的形状记忆合金主要有镍一钛系、铜系和铁系或不锈钢系三大类。

1.镍一钛系形状记忆合金。镍一钛系合金是形状记忆合金材料中性能最优越而且用途最广的一种。镍一钛系合金的延展性、形状记忆强度、应变、耐蚀性、电阻及稳定性均较好,但其成本较高。这类合金的形状记忆行为有单向和双向两种,其呈现记忆行为的温度范围可借助合金的改良而加大或缩小。

2.铜系形状记忆合金。铜系形状记忆合金比镍一钛记忆合金更便宜且容易加工成型,因此颇具发展潜力。但铜系形状记忆合金的强度不如镍一钛记忆合金,反复受热的形状记忆能力也衰减较快。

三、形状记忆合金应用

1.医疗应用。自1978年以来,我国对TiNi形状记忆合金及其制品进行了广泛的耐蚀性实验、生物毒性试验,结果表明TiNi合金具有良好的生物相容性,而且在各种生理溶液或介质中具有良好的耐腐蚀性,用其制成的各种制品植入人体后,未发现有排异性反应或出现炎症。

2.工程应用。现在形状记忆合金在工程领域已经得到广泛的应用。应用范围从精密复杂的机器到简单的连接件、紧固件,从节约能源的形状记忆合金发动机到电流保护器管处处可见,反映了形状记忆合金的奇异性能及小巧、灵活的特点。

四、我国形状记忆合金产业化现状

我国的记忆合金产业，经过近30年的市场培育，已由20世纪90年代的小作坊式的生产进入迅猛发展的产业化阶段。我国从事记忆合金应用研究的单位较多，其中具有较好研究基础的有北京有色金属研究总院、哈尔滨工业大学、中科院沈阳金属所、西北有色金属研究院、北京航空航天大学、上海交通大学等。这些科研机构对推进我国记忆合金产业的发展起到了至关重要的作用。我国记忆合金市场需求逐年递增，产业规模逐年增大，以TiNi合金为例，1999年我国年销售量仅有1t多，2002年全年销售量达9t，2007年达40t，且预计近几年每年将以不低于25%～30%的速度增长。

五、存在的问题与发展趋势

在SMA的研究和应用中,目前尚存在许多有待解决的问题,几个典型的问题如下：（1）由于SMA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。（2）SMA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SMA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SMA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SMA的生物相容性和细胞毒性。（5）SMA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SMA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,SMA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。

记忆合金元件的小型化、智能化、大型化是元件设计的不同方向。一方面受国内的条件制约，另一方面也面临着国外企业的激烈竞争，我国的记忆合金产业还在以下几个方面亟待加强。

第一，进一步提升技术水平，缩小与国际先进水平的差距。

第二，强化记忆合金标准化和知识产权和商业秘密保护工作。

第三，加强行业自律，建立合理价格体系。SMA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。

六、结论

随着形状记忆合金这一功能材料的不断发展，其应用范围还将进一步扩大，涉及运输，建筑，滑雪，家电以及日常生活用品等产业界的大部分领域。随着记忆合金工程应用需求的增长，将促进新型记忆合金的开发研究，使记忆合金逐渐向多品种，专业化方向的发展。特别是随着记忆合金品种的日益增多，新兴的适合工程推广应用的宽滞后记忆合金，廉价的便于加工制造的实用化新型铁基形状记忆合金的出现,及不断创新的制造方法在形状记忆合金生产中的运用,必将有力地推动记忆合金工程应用的深入发展。

[1]杨杰，吴月华.形状记忆合金及其应用[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1993.