TiNi系形状记忆合金的记忆原理及其应用现状

耿双奇 牛建平

摘 要：TiNi合金是一种拥有良好形状记忆效应的记忆合金，它在低温相下发生适当的变形后，加热到某一温度（逆相变点）之上，发生逆相变的同时能够回复到变形前的形状。对TiNi合金的形状记忆原理、特性及其在各个领域的应用进行了较为系统的描述。

关键词：TiNi合金；形状记忆效应；记忆合金

中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2018.30.097

1 引言

形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA）作为一种新型的功能材料，近些年受到人们广泛的关注。形状记忆合金主要有TiNi基，Cu基，Fe基和铁磁SMA等，它们发生形状记忆效应的机制不尽相同。其中热弹性马氏体相变机制的TiNi基形状记忆合金因具有优良的形状记忆特性、超弹性和循环寿命等优点，是目前研究最深入、商业应用最广泛的SMA。TiNi合金是迄今为止发现的形状记忆合金中记忆特性最好的一种，具有独特的超弹性、形状记忆性能、高强度、低模量和耐腐蚀性能。与铜基记忆合金相比，TiNi合金晶粒较小，抗疲劳性能更高，记忆性能更加稳定。对TiNi系记忆合金的研究可以追溯到1963年，美国海军武器实验室的Buehler等人发现等原子比的Ti-Ni合金具有非常良好的形状记忆功能。随后，1969年，Raychem公司第一次将Ti-Ni系记忆合金制作成管接头，应用在美国F14战斗机上，这一应用，掀起了国际上对记忆合金研究与开发的热潮。近些年来，对TiNi系记忆合金及其应用的研究已经取得了非常大的突破。本文综合评述了TiNi系记忆合金的记忆原理、优点、应用现状以及其未来发展前景。

2 TiNi形状记忆合金的记忆原理

形状记忆合金（shape memory alloy）简称SMA，它处于正相变温度（正相变点）以下时，受适当力产生变形之后，当加热到临界温度（逆相变点）之上，发生逆相变的同时恢复其原始形状，这种现象称之为形状记忆效应，它是某些呈现马氏体相变的合金所具有的一种奇特的性能。TiNi系记忆合金可以感知到温度的变化，并且它能随着温度的变化发生相变，将热能转化成机械能，输出外力、位移、储存并且释放能量。

TiNi基形状记忆合金在低温下是马氏体相，记为M相，具有B19′结构，在高温下是母相，即奥氏体相，记为A相，具有B2结构。随着温度的降低，当温度达到Ms时，马氏体相变开始，合金由100%奥氏体相向马氏体相转变，马氏体体积分数从0开始增加；当温度达到Mf时，马氏体相变结束，此时合金完全处于马氏体状态，马氏体体积分数为100%；随着温度的升高，当温度达到As时，马氏体逆相变开始，马氏体相开始向奥氏体相转变，马氏體体积分数由100%开始减小；当温度达到Af时，马氏体逆相变结束，此时合金完全处于奥氏体相状态。马氏体相变及逆相变过程中马氏体体积分数随温度的变化曲线和相应的晶体结构变化如图1所示。

当TiNi合金处于低温（Ms以下）时，合金发生马氏体相变，生成各种马氏体变体，对其施加载荷会使马氏体变体沿择优取向方向生长，使合金发生宏观形状改变，然后保持温度始终低于As进行卸载。当载荷为0时，合金发生回弹，并保留残余变形。随后进行升温，当温度达到As时，材料发生马氏体逆相变，由于晶体学的有序性，点阵回归到原始位置，合金发生形状恢复。形状记忆效应如图2所示。

3 TiNi形状记忆合金的优点

TiNi系记忆合金具有优良的形状记忆效应、超弹性、抗腐蚀性能以及生物相容性，同时还具有结构轻盈等优点。

（1）形状记忆效应。TiNi系记忆合金具有非常优异的形状记忆效应，是迄今为止发现的形状记忆合金中记忆特性最好的一种，它的形状恢复量可以达到6%～8%，大大超出了Cu基，Fe基和铁磁SMA的形状恢复量，具有更加良好的工作性能，被广泛应用到各个领域。

（2）超弹性。除了热诱发马氏体相变以外，还有一种应力诱发马氏体相变，即当合金受到应力时，应力使奥氏体相诱发马氏体相变，奥氏体转变为马氏体，形状发生改变；卸载掉应力后，发生马氏体逆相变，马氏体重新转变为母相奥氏体，形状恢复到母相状态，即为超弹性。

（3）抗腐蚀性能。TiNi系记忆合金具有良好的抗腐蚀性能，特别是抗盐雾腐蚀能力极强，在海洋环境下工作的TiNi合金工件更不容易被海水腐蚀，大大加强了工作件的使用寿命，工作性能更加稳定可靠。

（4）生物相容性。TiNi系记忆合金充分的满足化学、生物学等方面的可靠性要求，在医学方面得到了广泛的应用。合金在与生物体接触后，会形成稳定性极强的钝化膜，避免了合金与生物体接触后溶解形成金属阳离子，引起生物体癌变。

（5）结构轻盈。TiNi系记忆合金密度越为钢的60%，体积效率较大，具有结构轻盈的优点，制备的TiNi合金工件更加轻巧、紧凑，大大的减小了机器的重量，更加便捷。

4 TiNi形状记忆合金的应用现状

TiNi形状记忆合金拥有良好的形状记忆效应，在航空航天、日常生活、工业工程以及医疗等多个领域都得到了非常广泛的应用。

（1）航空航天。TiNi系记忆合金在航空航天上应用极其广泛，因为TiNi合金连接件质量较轻，且结构相对简单，安全性能稳定可靠，所以飞机上液压管路的管接头大多使用TiNi合金制造。将TiNi合金管接头冷却到Mf点以下，此时合金内部全部为马氏体，对管接头进行扩径，然后将液压管路的管子插入扩径后的管接头内，将管接头加热至Af点以上，此时合金内部全部为奥氏体母相，形状回复到扩径前，与管子紧密的连接在一起，而且这种管接头拆卸方便，比焊接更加稳定可靠。

除此之外，卫星天线也是TiNi记忆合金的一个很典型的实例。在室温下将TiNi丝加工成天线的形状，然后使合金降温冷却转变成马氏体，将TiNi记忆合金丝折叠装在狭小的空间内，当卫星到达轨道时对天线进行加热，温度升高发生马氏体逆相变，恢复到其母相抛物面的形状，完成形状记忆效应。

（2）日常生活。TiNi合金具有良好的超弹性（伪弹性），这让它在日常生活中有着广泛的应用。如TiNi合金眼镜框架，结构轻盈，不容易被外力挤压变形，大大增加了眼镜框架的使用寿命，被厂家广泛应用。

还有一种插座，将TiNi合金制备成束紧环，在Mf以下时，将插头插入，然后升温至Af后，凭借良好的形状记忆效应，束紧环形状恢复，将插头束紧，牢牢的固定在插座上。这种插座传导特性稳定，且没有通电损失，安全系数高，性能稳定。

（3）工业工程。TiNi合金在工业上应用也非常广泛，各式各样的紧固件是TiNi记忆合金的典型应用。比如海底油田输送油管等部件上的铆钉、套筒等都是采用TiNi记忆合金制作的，在低温下改变工件形状，装配成功后对其进行加热，使其完成形状记忆效应，将零件牢牢的紧固在一起。

机械手也是TiNi记忆合金在工业上较为典型的应用之一。TiNi记忆合金是一种良好的驱动元件，机械手的手指用TiNi记忆合金螺旋弹簧连接，通过对弹簧加热来使其发生相变，弹簧就会伸长或收缩，借以实现机械手的弯曲以及其他动作。

（4）医疗。牙齿矫正丝是TiNi合金在医疗领域较为常见的一种应用，具有超弹性的TiNi合金丝是最适合做矫正丝的，相对于普通的不锈钢矫正丝材以及CoCr合金矫正丝材，TiNi合金丝材具有低模量、弹性应变高的优点，即使丝材的弹性应变达到10%，也不会发生塑性变形，这样的矫正丝工作稳定，而且矫形速度快，最大限度的减小了患者的不适感，医疗效果明显。

在医疗领域，形状记忆合金血管支架的应用也越来越广泛，它对血管堵塞以及狭窄具有良好的治疗效果。其原理如下：将TiNi合金自行膨胀血管支架压缩变形后放入装有生理盐水容器内，使其保持马氏体状态，然后将容器一起植入血管内部，撤掉容器后，人体的体温足够使其发生马氏体逆相变，形状恢复到膨胀状态，将堵塞或者狭窄的血管撑开，由于TiNi合金具有良好的生物相容性，所以不会引起人体的炎症反应以及刺激症状。

5 结语

近些年来，TiNi系记忆合金的发展非常迅速，作为一种新型功能材料，TiNi系记忆合金拥有良好的形状记忆效应、超弹性和抗腐蚀性能等诸多優点，很难被其他材料所取代，受到国内外学者的重视，在航空航天、日常生活、工业工程以及医疗等多个领域大放光彩。随着国内外学者的不断研究，TiNi系记忆合金的基础理论会日趋成熟，开发力度也会加大，应用领域也会越加广阔。

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