形状记忆合金综述

牛心如，王娜，黄宁昕，崔仲凯，王磊，赵辰

（南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167）

0 引言

最有效最直接减少地震灾害的方法就是对建筑物进行特殊设计，建造出能够承受高强度地震的建筑。若在建筑结构中应用智能材料，即能增强其抗震效果。记忆合金的极限应力可达到1 000 MPa，恢复应变为8%左右，在奥氏体项表现出超弹性性能。利用记忆合金的特性，可在建筑结构中进行自我诊断和自适应控制，同时，还可成为研究和应用裂缝损伤、变形、结构主动隔振的智能驱动器。

1 记忆合金分类

1.1 按其材料分类

目前形状记忆合金可分为50多种，其中被广泛应用的有三大类:镍钛基记忆合金（Ni-TiSMA）、铜基记忆合金(Cu SMA)、铁基记忆合金(Fe SMA)。而其中镍钛基记忆合金的应用最为广泛，在航空航天、医疗、自动化、电子机械的产品中最为常见;而 Cu SMA 主要有 Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Zn-Ga、Cu-Sn 等；Fe SMA 主要有Fe-Pt、Fe-Mn-Si、Fe-C-Mn-Si-Cr-Ni、Fe-Ni-Co-Ti(尚在研究中)等。但镍钛基记忆合金因加工技术复杂故其价格高昂,而铜基记忆合金较为低廉,价格仅为镍钛基记忆合金的十分之一，但其记忆性能、力学性能、耐腐蚀性能都较差，所以其发展与应用也受到一定的限制。与镍钛基记忆合金、铜基记忆合金相比，铁基记忆合金作为国内外最为热门的研究材料具有成本低廉、记忆性好、易成材、强度高等优点。此外还有 Au-Cd、Ag-Cd、In-Ti、Ni-Al、U-Nb等其他材料合金。

1.2 按其记忆效应分类

形状记忆合金有两大特性，记忆效应（SME），伪弹性（PE）（也称超弹性）。记忆合金在受力变形后可自行恢复，出现该现象的原因是热弹性马氏体相变（形状记忆合金分为两种相——奥氏体相马氏体相）所产生。其中奥氏体相的结构适宜存在温度较高的环境下，而马氏体相的结构适宜存在温度较低的环境下。在不同的热力荷载以及外力作用下具有以下三种记忆效应：

1.2.1 单程记忆效应

在高温下形状记忆合金可以被制成满足需要的任意形状，而在相对较低的温度下又可以任意变形，经过加热又可以恢复到原来的形状。这种仅在温度变高过程中形状发生改变的现象称为单向记忆效应。

1.2.2 双程记忆效应

一些形状记忆合金加热后可恢复高温状态下的形状，而降温后又可恢复低温状态下的形状。这种可以在温度升高、降低过程中形状发生改变的现象称为双程记忆效应。

1.2.3 全程记忆效应

一些形状记忆合金加热后可以恢复高温状态下的形状，降温后又可以恢复低温状态下的形状而其取向相反，该现象称为全程记忆效应。

一般情况下应用中的形状记忆合金不止存在某一种记忆效应。

2 形状记忆合金特性的应用

2.1 超弹性性能（伪弹性，机械形状记忆效应）

形状记忆合金的机械性能优良，相较于普通金属材料在弹性应变的性质方面近乎高出两个等级，具有良好的冲击韧性。通过对其超弹性记忆效应-高应变循环下滞回曲线的的相关研究，形状记忆合金完全可以作为阻尼耗能元件独立使用,并且其中的CT阻尼器的性质比一般的阻尼器更加优质,相较于常规的粘弹性阻尼器其性能会更加优良[1]。超弹性性能在结构控制上一般应用于被动控制结构，其结构装置为：首先将形状记忆合金拉至超弹性滞回环起点，再将其与调谐质量阻尼器（TMD）相互结合，作为一种动力装置联合使用。该动力装置的使用模式是将调谐质量阻尼器（TMD）的质量块与结构通过形状记忆合金拉索相连接，拉索放置方向与TMD系统的运动方向相互垂直,当TMD质量块受力而发生运动时，形状记忆合金拉索也会随之产生相应的运动变形，拉索也将会产生相应的加载或卸载应力,但由于预拉超弹性滞回环的起点一定高于卸载的最低点，因此形状记忆合金拉索提供给TMD的就可保证为一个双线型的阻尼力，很好地消耗地震等灾害带给结构的能量[2]。

2.2 形状记忆性能（温度形状记忆效应）

形状记忆合金可分为三种温度形状记忆效应，分别为单程、双程、全程。该性能应用于结构控制可用做温度调节的主动控制装置。该装置具体为：在混凝土构件或结构较容易产生裂缝的位置加入形状记忆合金丝（预拉但还有预应变），可以得到具有自诊断裂缝和主动控制性质的混凝土构件，将会很好地防止混凝土开裂破坏[3]。

3 记忆合金其在结构震动控制方面的应用

3.1 主动控制

主动控制是从外部加入能量的控制，利用记忆效应（SME），控制器、施力作动器和传感器共同相互作用来抵抗变形，工作时传感器收集信息，之后控制器接收信息并把信息转为指令给施力作动器执行指令。记忆合金在主动控制方面主要通过两个途径实现：①当外界环境的温度升高或降低时，SMA的弹性模量也相应发生改变，进而改变被控结构的固有频率，令结构减少了共振；②由于SMA在相变过程中将会产生恢复力，可以使振动的结构保持在一种平衡状态。

3.2 半主动控制

半主动控制是从外部加入少量能量的控制，由于控制装置自身的运动会产生一定的控制力，若将SMA阻尼器加入到控制装置中主动调整自身的参数，该控制装置将会自动调节控制力。

3.3 被动控制

被动控制是无从外部加入能量的控制，利用SMA的伪弹性效应（PE）和高阻尼特性制作成耗能阻尼器等，当控制装置随结构一起运动时，该装置就可被动地吸收、消耗控制装置被动产生控制力的能量。

3.4 混合控制

在结构上应用两种或两种以上的被动控制装置或应用主动结构和被动结构的方式叫做混合控制。混合控制装置的优点是可将每一种控制形式装置的长处应用得淋漓尽致，并可解决各自的弱点，达到对结构扬长避短的控制效果。

4 结语

在地震来临时，SMA能够很好地减少建筑结构的地震效应，大大提高建筑稳定性能。由于人们不能准确的预估将要面临的地震灾害作用的强度和特性，且传统建筑抗震结构不具备自我调节能力，故将SMA阻尼装置应用在结构中能够减轻地震对建筑物的危害，从而最大限度保证人类的生命安全和财产安全。