浅谈形状记忆合金的应用及发展

（贵州理工学院工程训练中心，贵州 贵阳 550003）

1 形状记忆合金的发展历史

形状记忆合金（Shape Memory Alloys）是一种具有优异性能的形状记忆材料（Shape Memory Materials），当受到外力或磁性变化的影响时，能保持其先前的状态，这种转变现象称为形状记忆效应。这些材料的应用非常简单，其中通过施加外力，材料很容易变形，当通过外部或内部加热到一定温度时，它将收缩或恢复到其原始形状。1932年，瑞典物理学家首次在金镉（Au-Cd）合金中发现了这种形状记忆效应。到1938年，Greninger和Mooradian首次在铜锌（Cu-Zn）合金和铜锡（Cu-Sn）合金中观察到了该种形状记忆效应。直到1969年，SMA首次商业应用成功，Raychem公司将NiTi合金作为管接头成功应用于美国F14战机上的油压系统中，并实现油压系统的良好密封性。

2 形状记忆效应介绍

形状记忆合金的形状记忆效应从本质上讲与合金内部发生马氏体相变有关。在较高温度下形状记忆合金以奥氏体结构形式存在，而在较低温度下以马氏体结构形式存在。当SMA被加热时，它开始从马氏体相转变为奥氏体相。As被定义为奥氏体转变开始的温度，Af被定义为奥氏体转变终了的温度。当SMA被加热到As温度以上时，马氏体相会逐渐转变回奥氏体相，同时恢复至原高温时形状，这种转变也可以在高负载条件下进行。而在冷却过程中，从奥氏体开始恢复到马氏体的起始温度被定义为Ms，并将马氏体转变终了的温度定义为Mf。我们把马氏体相变不再受应力诱导发生的温度定义为Md。在此温度以上，SMA在外力作用下发生形变，卸载后马上恢复到原来的形状。形状记忆合金有三种不同类型的记忆效应（如图1所示），其特点如下：①单程记忆效应。当在降低温时使合金发生形变，然后通过升高温度使其恢复到变形前时的状态，即在加热过程中存在形状记忆效应；②双程记忆效应。当合金在加热过程中恢复到高温时的状态，而降低温度时又恢复到低温时的形状时的现象。由于双程记忆效应需要经过适当的“训练”过程才可获得并且在高温状态下的应变量会大幅降低，所以它在商业上的应用比较少。热-力循环处理是实现双程形状记忆效应的一种“训练”方法，它通过在奥氏体和特定马氏体变体之间往复循环从而达到“训练”的目的；③全程记忆效应。指合金在加热过程中恢复到高温时的状态，当降低温度到低温状态时形状变为高温状态时相反的形状。

图1 不同类型的形状记忆效应

形状记忆效应是一种非扩散型固相马氏体转变。除此之外，还存在形状记忆相关的其他相转变过程如R相转变，这种转变一般出现在从奥氏体向马氏转变时发生的一种中间相转变。马氏体逆相变中存在热滞后现象，滞后是衡量加热和冷却之间的温度差异的指标（即ΔT=Af-Ms）。这种热滞后属性非常重要，并且在目标技术应用过程中需要仔细考虑SMA材料的热滞后性，例如对于快速驱动应用需要较小的热滞后，而在管道连接中需要更大的热滞后性以保证在较大的温度范围内保持预定义的形状。一些SMA在相转变前后的物理性能和机械性能（导热系数、热膨胀系数、电阻率和杨氏模量等）也各不相同。奥氏体相结构相对较硬并具有更高的杨氏模量；而马氏体结构更柔软，更具延展性，即通过施加外力可以很容易地变形。

3 形状记忆合金材料介绍

NiTi形状记忆合金由于其具有优异的生物相容性和优异的机械性能，已经被广泛得应用于生物医学领域例如合金内支架、微创医疗器械、矫形外科、脑外科和口腔医学等。但由于SMA的明显局限或缺点，例如较高的制造成本，有限的可恢复变形和使用温度，所以其它类型的形状记忆材料正在被探索。

3.1 高温形状记忆合金

由于对高温形状记忆合金的使用温度要求越来越高，许多科研工作者在NiTi合金中通过添加第三元合金的方式来提高形状记忆合金的使用温度。实际上，高温形状记忆合金被定义为可以在100℃以上使用的形状记忆合金，但由于大多数高温形状记忆合金在室温时表现出较差的延展性和抗疲劳性能，很难进行加工和“训练”，所以制造它们的成本非常昂贵。

3.2 铁磁形状记忆合金

铁磁形状记忆合金相较于传统的温控型形状记忆合金，具有更大输出应变和更高的响应频率，这是因为服役过程中能量通过磁场传播并且不会受到合金材料导热性能和散热条件的影响，它的形状记忆效应则是通过外加磁场激励孪晶马氏体变体间的择优再取向从而产生合金宏观形状变形。铁磁形状记忆合金不仅可以提供与传统记忆合金相同的特定功率，而且可以以更高的频率进行传输。但是，一般来说铁磁形状记忆合金在应用过程中也会碰到与传统记忆合金类似的设计问题。此外，铁磁形状记忆合金硬度非常大并且很脆，只能在低温下进行加工和操作。因此，铁磁形状记忆合金很难塑造和成形，并且目前不适合用于高温和高强度的环境中。所以仍需要加大对现有的铁磁形状记忆合金的深入研究，以便进一步改善材料的使用性能。

3.3 形状记忆薄膜材料

由于形状记忆合金材料在机械系统尤其是在微驱动器方面的应用，使得形状记忆合金薄膜被广泛研究。形状记忆薄膜材料一般直接作为独立薄膜成为微驱动器。在快速发展的微机电系统领域，NiTi薄膜已经成为微观层面上的首选执行器，由于其优异的形状记忆性能和在较高的频率下仍能保持较大的输出功。预计基于溅射NiTi薄膜的微型NiTi驱动器件将占据商业市场的一大部分，特别是医疗微器件和植入式应用。然而，形状记忆薄膜材料在一些环境温度高于100℃领域的应用受到了限制，例如汽车引擎、火灾报警器和航空涡轮机中，所以近年来加大了对相变温度高于100℃的高温形状记忆薄膜材料的研究。

4 形状记忆合金的发展趋势

（1）开发新的或改进已有的形状记忆材料，例如在形状记忆合金体系中加入合适的第三合金化元素，改善其马氏体相变，达到在微观层面上对其相变过程进行精细控制。

（2）可以将具有优异功能特性的形状记忆合金与其他具有良好结构性能的材料进行复合，以达到特殊领域应用的要求。

（3）应该加大对其商业化的应用，改善制备方法进行大规格生产，以满足商业化应用的需求。