形状记忆合金的机理及其应用

李星宇

摘 要：形状记忆合金是一种原子排列较为规则的新型的功能材料，具有发生塑性形变后加热到设定温度下并恢复原态的能力。形状记忆合金可以分为Ti-Ni基、Fe基和Cu基三种，除此之外近年来形状记忆复合材料也有了巨大的进步。本文通过对形状记忆合金的形状记忆机理、研究现状进行分析和讨论，进而指导相应的科学研究和工业生产。

关键词：形状记忆;Ti-Ni基;Cu基;形状记忆复合材料

中图分类号：TG139.6 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）22-0090-02

0 引言

形状记忆合金是指[1]具有一定初始形态的合金，在低温状态下经过塑性形变并加工成某种特定形状并在加热或达到其特定的临界温度后会恢复初始形态的一类特殊合金。形狀记忆合金具有记忆原有形状的功能[1]，称为形状记忆效应，拥有形状记忆效应的还有形状记忆陶瓷和高分子等材料，这些是21世纪新兴的智能化材料。由于拥有了形状记忆功能，我们可以将其应用到生活的各个方面，例如，生物医学中的人造合金骨、航空航天工业中的太阳能电极板及其支撑结构、军事工业中的武器以及现代建筑等方面。

形状记忆合金按照温度升高到特定温度后的变形特征，可以为三类[2]，第一种是单程记忆合金，单程形状记忆效应是指材料在较低的温度下发生变形，并在后续的加热的过程中恢复原来形状，这种只在升温过程中存在形状记忆效应的合金称为单程记忆合金;第二种是双程记忆合金，这是一种只在高温状态下不会变形的合金，简单来说就是在升温过程中会变形一次，而在降温过程中又会重新变为原来低温相的形状;第三种是全程记忆合金，这种合金变化过程最为复杂，它在升温过程变为高温相形状而在冷却时又变为与形状的取向相反的低温相形状。

目前生活中经常用到的形状记忆合金，按照构成原料可分为三个大类：最早被人们使用的的Ti-Ni系形状记忆合金、被称为β相合金的铜系形状记忆合金、贵金属系的Fe系形状记忆合金。人们在上世纪30年代Au-Cd合金中首次发现了形状记忆效应，到了上个世纪的50年代又再次发现，但人们并未重视，直到1963年美国海军Buebler等人在Ti-Ni系合金中发现了具有实际作战效果的形状记忆效应，形状记忆材料才被人们所重视。

形状记忆效应[2]，是指特定材料在发生变形后并加热至较高温度，此时材料会恢复为之前的形状，或者在之后的冷却过程中由于内部能量的释放而恢复到马氏体形状的现象。冷却至低温马氏体状态后，将合金变化，接着加温到高温母相态时，又可以恢复到原来形状的效应。形状记忆合金可以通过机械训练[3]、热处理工艺以及合金成分改变形状记忆合金的性能，根据不同的形状记忆效果可以分为单程、双程、全程形状记忆合金。其中的单程记忆效应的处理方法可分为3种，分别是中温、低温和时效三种不同的工艺。

1 Ti-Ni基形状记忆合金

自1963年Ti-Ni系形状记忆合金被人们发现，二元Ti-Ni系形状记忆合金已经无法完全满足人们的需求，为了提高形状记忆合金性能，通过加入各种合金化元素[4]，可得到诸如Ti-Ni-Co系、Ti-Ni-Cu系、Ti-Ni-Fe系形状记忆合金。Ti-Ni基形状记忆合金具有良好的超弹性[3]、高阻尼性、耐腐蚀性、生物相容性和形状记忆效应。而且当这种记忆合金处于母相状态时，具有回弹性大、硬度高、强度高等优点。然而它的缺点也很明显，Ti-Ni基形状记忆合金制备成本较高、制备工艺困难且生产效率低下。

2 Cu基形状记忆合金

Ni-Ti基形状记忆合金的强度较高、性能优异、韧性好且耐腐蚀性较好，在实际生活中的应用也非常广泛，但是它有一个致命的问题[5]，其制备加工成本、原料成本高昂，制约了作为普通产品的大规模量化生产和运用。Fe基形状记忆合金成本虽然低，合金强度也比较高，但是其形状记忆性能稳定性弱，相变温度可调范围较小，生产过程也比较复杂，因此目前也只是处于实验室阶段。Cu基形状记忆合金是已经发现的形状记忆合金材料中种类最多的，它可以分为Cu-Zn系和Cu-Al系，其中最具有实际应用价值的是Cu-Ai-Ni、Cu-Al-Mn和Cu-Zn-Al 3大类。Cu基形状记忆合金的形状记忆性能优良[4]、导热导电性能良好、相变温度可调范围大，且其价格大约只有Ti-Ni基形状记忆合金的十分之一。在目前形状记忆合金领域，除了需要长期植入型的医疗工具和部分使用条件苛刻或反复使用次数高的特殊领域工业中只能用Ni-Ti基形状记忆合金以外，其他领域Cu基形状记忆合金都可以胜任。除此之外，Cu基形状记忆合金在土木建筑、电子通信、机械制造及日常生活等方面有较广的应用。

Cu-Al-X形状记忆合金的马氏体转变的起始温度可以在-140～400℃内进行调节[2]，该系的形状记忆合金弹性各向因子大于10，导热系数是Ti-Ni基形状记忆合金的数倍。Cu-Al-X形状记忆合金具有较好的单程形状记忆效应[2]，还可以通过适当的循环训练，产生大量位错，以此提供形核源，从而使合金拥有双程形状记忆效应。据以往科研报道记载，Cu-Al-Be合金多晶状态单程形状回复率可以达到86%，经过多种加工之后，双程恢复角度可达到30%，更有Cu-Al-Mn的柱状晶形状回复率可以达到91%。

3 形状记忆金属基复合材料

复合材料是一种为了满足实际生产生活需要而被人为设计，并通过物理或化学变化使两种或两种以上不同性质的组元复合而成的新型材料。现如今复合材料的高速发展已带动航空航天[6]、交通运输装备及其制造、机械电子工程、电子电器等领域的不断发展。现代社会需要更为强大的高性能材料，而复合工艺正是提升材料性能、发展高性能材料的重要手段。首先，以聚合物为基体的常用复合材料因价格低廉、技术门槛低，被广泛应用于建筑、家具、日用品等民用领域，而以树脂基为基体、以金属为基体和以陶瓷为基体的先进复合材料强度高、韧性大、耐受极端温度，可以制造摩擦片、曲轴、轧辊、车床刀头和模具等耐磨部件，火箭、导弹整流罩，飞机机翼，燃气轮机叶片，预警机雷达罩等，覆盖高新技术和尖端制造业领域，是当之无愧的国家重器。

形状记忆合金增强金属基复合材料是以金属材料作为基体[7]，其余不同的形状记忆合金作为增强体，通过多种方法将基体和增强体结合后，创造出两相或多相的材料系统。形状记忆复合材料的铸造方法较多，但一直以来还是较为传统的锻造方法，如粉末冶金法、放电等离子烧结法、真空热压法和铸造复合法等。

在20世纪80年代时期人们提出了机敏复合材料的概念[8]，这是一种可以對相对所处环境自行作出反应的新型智能材料，这些反应诸如自诊断、自适应还有自我修补。研究复合材料的相关人员中的绝大多数都认为[9]，形状记忆合金SMA是在20世纪70年代被美国海军发现的一种具有驱动和感知能力的现代新型功能材料，形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性等特点使得形状记忆材料在马氏体逆相变时弹性模量突发性增加以便产生较大的回复力，并在此时马氏体相变可以自我协调并吸收能量，这是最重要的机敏符合材料驱动组员。因为这些优点，将形状记忆合金与其他材料复合在一起可以构成一个复合的智能材料体系，这早已成为了国内外学者的共识，这也是机敏复合材料研究中的重点，在工业方面更是拥有非常光明的前景。

4 结语

随着科学技术的不断发展，功能材料越来越受到人们的重视并已逐渐应用在各种工业设备中，形状记忆合金未来的发展方向主要有三个方面：一是提高形状记忆合金的服役和使用寿命，提高形状记忆合金的稳定性，在加工过程中使用更良好的加工工艺进行高效化加工;二是精细化、一体化及智能化生产，保证生产的质量和生产效率;三是需要将形状记忆合金与多种不同学科方向进行交叉融合，例如大数据计算、生物医学、环境科学等热点研究领域，提高形状记忆合金的科研价值和使用价值。

参考文献

[1] 高军鹏，张晨乾，安学锋，等.含氟聚醚醚酮改性环氧树脂的形状记忆性质研究[J].材料工程，2009（S2）：123-126.

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[3] 耿冰.形状记忆合金的研究现状及应用特点[J].辽宁大学学报（自然科学版），2007，34（3）：225-228.

[4] 刘康凯，贺志荣，冯辉. Ti-Ni基形状记忆合金的加工工艺及应用研究进展[J].铸造技术，2017（9）：2067-2071.

[5] 黄海友，王伟丽，刘记立，等.Cu基形状记忆合金的应用进展[J].中国材料进展，2016，35（12）：919-926.

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[7] 练小正.NiTi形状记忆合金丝增强镁锂合金复合材料研究[D].哈尔滨工程大学，2013.

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[9] 杨素媛，杨胜男，沈娟，等.形状记忆合金增强金属基复合材料的研究进展[J].金属功能材料，2016，23（04）：1-9.