形状记忆合金及其复合材料的应用*

徐立丹，赵继涛，史明方，张翔宇，王振清

（1.内蒙古科技大学 土木工程学院，内蒙古 包头014010；2.攀枝花学院 土木与建筑工程学院，四川 攀枝花617000；3.哈尔滨工程大学 航天与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨150001）

1 形状记忆合金

智能材料和自愈材料等新一代材料在当今时代得到越来越多的应用。形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA），属于智能或智能材料的范畴。形状记忆合金或智能合金最早是由Ölander[1]在1932年发现的，“形状记忆”一词最早是由Vernon[2]在1941年用来描述的他的聚合物牙科材料。1963年，Buehler[3]揭示了镍钛（NiTi）合金中的形状记忆效应（Shape memory effect，SME），由此，形状记忆材料（Shape memory material，SMMs）的重要性才被认识。它也被称为镍钛诺。基于SMA独特的记忆效应，SMA在工程和技术中的应用逐渐增加。

2 形状记忆合金的特性

SMA作为一种感知驱动的创新智能材料，因其独特的形状记忆效应（SME）、超弹性（SE）、良好的抗疲劳、耐腐蚀能力和生物相容性，被广泛应用于电子仪器、汽车工业、医疗设备和工程控制等领域。SME是指一种具有一定初始形状的合金，在低温下进行塑性变形，固定成另一种形状，然后在一定的临界温度以上加热，再恢复到原来的形状。SE表现为在载荷作用下，SMA的变形恢复能力要强于绝大部分金属材料，具有比一般金属大得多的变形恢复能力，也就是说，在卸载过程中，SMA产生的大应变会逐渐恢复，基本不存在塑性应变[4-6]。

3 形状记忆合金的应用

现今，SMA的种类越来越多，其中Fe基、Cu基和NiTi基合金应用领域最为广泛。除了具备SME和SE之外，还具备优异的生物相容性、耐蚀性、电阻特性、高回复力、高阻尼特性、耐磨性和机械性能等，被广泛应用于生物医疗、桥梁建筑、机械电子、航空航天和日常生活等诸多领域[6-7]。

3.1 在航空航天领域中的应用

F-14战斗机液压系统的管接头是最早由NiTi合金制作的部件，美国海军飞机上使用此类管接头超过35万个，至今未发现失效管接头。F15E“攻击鹰”是一种被构想用来完成各种任务的战斗机。SMA被用来旋转进气道罩，以改变空气流动截面。除了推进系统外，SMAs还可用于适应提升体和变形机翼结构。SMA元件在气动结构中的集成已成为众多研究的热点[7]。此外，形状记忆合金材料还应用于星箭自动解锁机构、均载连接件、卫星仪器窗门自动启闭器和航天飞机伞形天线等结构。近些年来，NiTi合金传感/驱动元件被用于飞机机翼、进气道结构和机翼结构的控制。可以预见，这类具有自适应能力的结构在航空航天领域的应用是十分广阔的。

SMA驱动器可以用于构建更安全、更轻、复杂度更低的系统，并与未来的电动飞机概念相兼容。通过调整形状记忆合金（SMA）执行器的温度，设计出能够实现预定目标形状的智能可变形航空结构[8]。

3.2 在机械电子领域中的应用

许多连接件和紧固件都采用NiTi合金制备，如：紧固铆钉/销钉、连接套筒等，紧固销钉连接件也能够在全封闭构件中使用。感温驱动元件也可以采用能够自动控制的NiTi合金，如：NiTi热变形率（TVR）弹簧用于调节自清洁烤箱开门，家用安全装置控制热水、自动变速器的换档、工业安全阀，还有自动百叶窗、火灾报警器、淋浴混水阀、电热水壶手柄控制器、气体管道防火阀、汽车中节温器、空调风向调节机构、雾灯保护罩风扇离合器等[9-10]。

3.3 在工程建筑领域中的应用

利用SMA制成的重新定心装置对结构进行抗震保护，是超越基于性能设计的一种新的范式转变。SMA材料的阻尼能力和高可恢复应变（8%-10%）的特性[11-12]使其可用于土木结构的动态荷载防护系统。鉴于NiTi合金优异的高阻尼特性和伪弹性，NiTi合金被用来制作隔振减震装置和阻尼耗能装置，用来降低高层建筑或桥梁受台风或地震载荷的影响。利用形状记忆合金的伪弹性性能和动阻尼特性，形状记忆合金被用于被动控制结构受地震影响，起到抗震的作用。应运于结构振动的主动阻尼控制等。SMA在大应变循环下具有较高的抗疲劳性能。SMA密度低。SMA可用于钢筋混凝土结构，特别是在关键位置，如塑性铰区域，在地震中该区域会有更多的破坏。

Fe基合金是土木工程应用中比较广泛的材料。Fe基合金表现出与NiTi合金相同的马氏体相变是热弹性相变，导致晶格畸变，但没有原子扩散，除了脱孪过程外，两种合金的晶体结构发生了变化。近年来，SMA合金的应用主要用于结构的修复。近表面安装的SMA在提高梁的抗弯强度方面已被证明是成功的。这是一种提高极限荷载下抗弯强度的被动加固方法[13]。

3.4 在生物医疗领域中的应用

NiTi形状记忆合金是记忆合金中综合性能最好的一种。NiTi记忆合金不具有毒性而且具有良好的组织相容性和生物退变性，这为NiTi记忆合金应用于生物医疗领域奠定了基础。此外，NiTi记忆合金强度高、比重低、磁性低，还具有耐磨损、耐腐蚀、耐疲劳等特性[14]，因此被广泛应用于医疗器械中，如矫齿丝、骑缝钉、髌骨爪、骨卡环、脊柱矫形棒、人工关节、心脏起搏器、血栓滤器、介入支架等[15]。

3.5 在日常生活领域中的应用

日常生活中NiTi合金依然常见，如手机天线、耳机头套、形状记忆合金勺、眼镜框架、钓鱼丝线等。即使眼镜框发生大变形，NiTi合金也能够保持镜片牢固，且更舒适耐磨。

4 形状记忆合金复合材料及其应用

4.1 形状记忆合金复合材料

形状记忆合金增强复合材料SMARC是通过化学和物理的复合工艺（如浇注、碾压、胶合等）将基体材料与一定塑性变形的SMA元件复合制备而成[16]。SMA元件可以制备成丝、颗粒、薄板、薄膜等形状。

4.2 形状记忆合金复合材料的应用

目前，越来越多的学者注意到将智能材料应用在复合材料结构中可以有效提高复合材料结构的性能。其中，智能材料SMA在土木工程、机器人、航空航天、医疗和工业等众多领域中应用已经取得了一定的成果。

在航空航天领域中，SMA增强聚合物复合材料在与航空航天、汽车和能源收集相关的系统的主动形状和振动控制方面具有巨大的潜力。将SMA丝增强成复合材料的主要动机是通过热机械以及电/磁刺激来主动改变复合材料的刚度或弹性。SMA增强复合材料能够适应其形状，利用形状记忆效应和SMA的SE特性，提高复合材料的比强度、减振和自愈能力[17]。可弯曲变形的SMA智能复合材料是变体机翼的热门材料。

在土木工程领域的应用中，SMA作为一种新型智能材料被引入到混凝土结构中，使混凝土结构具有了自修复功能。形状记忆合金混凝土结构的加入可以有效改善混凝土结构的动力性能，同时使混凝土结构增加了控制甚至修复裂缝的能力。当混凝土结构在载荷作用下出现裂缝时，利用SMA的电阻特性，可以采用通电方式激励SMA使其产生形状记忆效应。变形恢复受限时SMA就会产生恢复应力，即受限的SMA会对裂缝施加的压应力抑制裂缝的扩展，使裂缝变小甚至闭合，从而实现对裂缝的自修复[18]。与此相似，将SMA丝材与沥青混合料复合也能够显著提高车辙试样的变形恢复率。

SMAs以条和条的形式，可以作为预应力元素在新的钢筋混凝土（RC）成员或用于加强现有的钢筋混凝土结构，预应力SMA本身可以作为预应力钢筋用于钢筋混凝土梁的抗弯加固和钢筋混凝土柱的主动约束。

5 结束语

虽然SMA的种类越来越多，却未有针对性的规划，应对不同领域的应用开发最适合的合金，在减少成本的基础上提高利用率。

由于SMA的造价过高，工程领域不能够广泛应用，铁基合金虽在工程领域应用甚多，却仍然存在局限性。

由于SMA特性很多，并不会都利用充分，开发新型SMA针对不同的应用领域，可以针对性提升某一特性，适应各种相变温度与应用环境，减少材料特性浪费。降低生产成本，提升使用性能，形成产业化生产，提升SMA的利用率，尤其在土木工程领域，SMA能够增强结构的抗震性能，并能够修复结构裂缝，很大程度上减少结构事后成本。