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形状记忆合金性能及其应用

摘要：形状记忆合金具有形状记忆效应、超弹性效应、高阻尼特性、电阻突变效应以及弹性模量随温度变化等一般金属不具备的力学特性 ，使其在仪器仪表、自动控制、机器人、机械制造、汽车、航天航空、生物医学等工程领域都能发挥重要的作用，对其本构性能和在工程应用中的性能的研究十分必要。形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。
关键字：形状记忆合金 形状记忆合金效应 分类 应用

1 形状记忆合金简介
1.1 形状记忆材料是指具有形状记忆效应(shape memory effect，简称SME)的材料。形状记忆效应是指将材料在一定条件下进行一定限度以内的变形后，再对材料施加适当的外界条件，材料的变形随之消失而回复到变形前的形状的现象。通常称有SME的金属材料为形状记忆合金(shape memory alloys，简称SMA)。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti 合金和铜基合金(CuZnAl 和CuAlNi) 。
1.2 至今为止发现的记忆合金体系：
Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。
1.3 形状记忆合金的历史只有70多年，开发迄今不过20余年，但由于其在各领域的特效应用，正广为世人所瞩目，被誉为"神奇的功能材料"，其实用价值相当广泛，其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。

2 形状记忆合金效应分类
2.1 单程记忆效应
形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。
2.2 双程记忆效应
某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。
2.3 全程记忆效应
加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。

3 形状记忆合金材料的应用
3.1 形状记忆合金在智能系统方面的应用
3.1.1 SMA在结构振动控制方面的应用研究
结构振动控制手段可分为被动控制、主动控制和智能控制。被动控制是利用形状记忆合金材料的超弹性效应和高阻尼特性将其制做为耗能阻尼器。形状记忆合金特有的超弹性变形特性使其变形能力比普通金属材料约大30倍，比阻尼（材料振幅衰减比的平方）可达40%，在小震情况下，形状记忆合金的弹性特性与普通金属相似，在大震时形状记忆合金表现出超弹性大变形能力，有效地消耗地震能量，并可利用其记忆效应使变形恢复。
3.1.2 SMA在精确定位控制方面的应用
阎绍泽，徐峰等提出将SMA传感器与光导纤维制成一体，当温度出现异常时，SMA变形使光导纤维的光导系统出现光能损失，终端得到的散光光强和时间曲线就会出现明显变化, 判断异常温度的位置和时间，这种传感系统可用作工厂、大楼的火灾报警装置。
3．1.3 SMA在故障自监测、自诊断、自修复和自增强方面的应用
将产生一定预变形的SMA埋入结构中，通过触发SMA所产生的回复力可降低结构的应力水平，改善其应力分布，提高结构的承载能力，同时也可以防止损伤的发生或损伤的扩展。在承受弯矩或扭矩的构件中加入SMA丝，通过对SMA丝的加热与冷却可做成强度自应结构。在孔板的孔周围埋入SMA丝对其诱发应变，可在孔边产生压应力，能降低孔边的应力集中因子并改善应力分布。在一些大型建筑结构中加入SMA构成智能复合材料系统,通过用复合材料制成的形状记忆合金电缆的加热收缩来防止裂纹的扩展。
3.2 形状记忆合金在工程中的应用
3.2.1 机械手
形状记忆元件具有感温和驱动的双重功能,因此可以用形状记忆元件制作机器人、机械手,通过温度变化使其动作。
3.2.2 紧固件
形状记忆合金首先用来制作单程元件,最先得到应用的是管接头。1975年, Harrison等就将具有单程形状记忆效应的TiNiFe合金做成管接头,成功地应用于工业生产。据报道,在美国的F214喷气式战斗机的油压管上使用了30多万个形状记忆合金管接头,没有出现过一例漏油事件,可靠性很高。此外,在核潜艇、大口径海底输油管上也都得到应用。在需要拆卸维修的地方,使用具有双程形状记忆效应的合金。拆卸时,只需把管接头冷却到低温即可。在材料的应用上,由于TiNi合金成本高、相变温度低、操作不方便,限制了其应用范围。而铁基合金的相变点高、相变温度滞后大、价格低廉,最适合制作一次动作的管接头,近年来受到国内外研究者的特别关注。近年来,我国开发成功的管接头已在石油、化工、市政建设等领域获得应用, Fe2Mn2Si系合金的应用最为广泛,目前它主要用于管道的连接。这种记忆合金连接克服了在进行传统焊接和法兰连接时由焊接应力引起的应力腐蚀和由异种金属接触引起的接触腐蚀,而且具有占用的空间小、施工操作简单、速度快和可承受的压力高等优点。
3．2.3 环保发动机
在全球性地倡导节约能源和防止环境污染的今天,利用形状记忆合金的特性,制作热驱动引擎,既可利用工业废排温水、温泉、地热等低能热转换成机械能,又毫无公害。
3.2.4 电子器件中的应用
在电子行业,利用形状记忆元件具有感温和驱动的双重功能,可制作各种结构简单的电子器件,如各种温度自动调节器、火灾报警器、空调用风向自动调节器、能自动切断淋浴喷头过热水流的装置、过电流保护器等。
3.3 医学方面的应用
作为一种新型智能材料,形状记忆合金在医学领域的应用也十分广泛。如牙科中只和生物体表面接触的牙齿矫形正畸丝,整形外科中长时间与生物体组织接触的用以矫正变形骨骼用的矫正棒、移植到生物体内部的人造关节、骨髓针等部件,和生物体组织不直接接触的医疗器具的零部件等。形状记忆合金主要应用于生物体内,不仅要有机械性能上的可靠性,还必须有化学、生物学、生化学的可靠性。形状记忆合金移植到生物体内后,是否会造成生物体组织的恶化,是否有不利的元素被分解、溶出,是否会产生腐蚀,是否和生物体相容,是否有毒性,是否会引发癌症,是否有抗血栓性和抗原性等,目前正在探索之中。
3.4 SMA在航天航空及军事方面的应用
关于SMA应用最典型的例子是航天飞机的伞型天线,为方便发射,把母相状态TiNi记忆合金制成的天线压扁,附在船体上,飞船升空后受阳光的辐射而升温,于是天线便记忆起原来的形状,重新支起；在火炮上的应用，能最大限度地提高炮管内膛的耐烧蚀能力，增大炮管的使用寿命；在枪弹上的应用，可增大枪弹的杀伤力。还有在战斗机、潜艇火箭、航天航空等方面的应用；在微型飞行器的应用，如在翼面中埋入智能驱动元件，根据飞行器的飞行状况及飞行控制的需要，通过驱动元件激励使得翼面发生扭转或弯曲等来改变翼面的形状，以获得自适应气动稳定性, 从而获得最佳的气动特性。此外，利用SMA的阻尼特性，在军事上用作吸震波的装甲材料、防弹材料等。
3.5 SMA在建筑工程上的应用
由于SMA具有可恢复变形大、在受限回复时能产生很大的驱动力、电阻对应变敏感、高阻尼性能、抗疲劳性能好，并且可以实现多种变形形式，易于同混凝土、钢等材料相结合等特点而日益受到重视，国内外众多学者对SMA在土木工程中的应用进行了理论和实验研究。特别是对于民用设施的保护方面，如建筑、桥梁的抗震减害等。彭文屹,曾少鹏,张少青,等提出将SMA制成丝状或薄膜状粘贴于混凝土结构中易开裂的部位,一旦裂纹产生,该处的SMA的应变将增大,使其内部阻值变化,通过阻值的变化可以确定裂纹的宽度,由SMA的埋置位置,可以确定出现裂纹的构件,从而实现对裂纹的自诊断、自监测。王社良、马怀忠、沈亚等提出将SMA材料预加载至弹性极限附近,然后随同其他建筑材料一起植入地基内.这样,当地震发生时,SMA就可以吸收和耗散大量的地震能量,减小或抑制建筑物的地震响应。有些应用领域，要求形状记忆元件在多次循环复运动中对外产生力的作用，温度继电器和温度保持器、自动干燥箱、电子灶、热机、卫星仪器舱窗门自动启闭器、自动火警警报器、热敏阀门、液氨泄漏探测器、煤气安全阀、通风管道紧急启动闸门、自动收进烟头的烟灰盒及人工心脏等都属于这种应用类型。

4 前景展望
在形状记忆合金的实用化进程中,急需积累并分析关于材料特性、功能可靠性、生物相容性和细胞毒性等方面的基础数据资料。可以预言,随着对SMA 研究的进一步深化,传统的机电一体化系统完全有可能发展成为材料电子一体化系统。

5. 结语
形状记忆合金的开发研究已有50多年，从最初的合金已扩展到陶瓷和高分子材料，并且各种先进的生产工艺技术已被应用到形状记忆材料的研究，开发和应用中。记忆合金目前已发展到几十种，在航空、军事、工业、农业、医疗等领域有着用途，而且发展趋势十分可观。随着科学技术水平的不断提高，形状记忆合金材料的应用将会更加广泛。

参考文献
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