形状记忆合金研究现状及应用

形状记忆合金发展及应用

摘要：形状记忆效应自20世纪30年代报道以来逐步得到人们的重视并加以应用，被人们誉为“神奇的功能材料”，本文主要介绍了形状记忆合金合金的发展及其在许多领域的应用以及未来的一些发展趋势。

关键字：形状记忆合金各领域应用发展趋势

引言：形状记忆合金（shape memory alloy，缩写为SMA）作为一种新型功能性材料，其最显著的特性是形状记忆效应，1932年由Olander在研究AuCd合金时首次发现，随后引起了人们的广泛重视，并由此开始了广泛研究和应用。随着人们逐渐发现形状记忆合金的一些重要特性，如超弹性效应、弹性模量温度变化特性和良好的阻尼性能等。正是这些显著的性能使得形状记忆合金被广泛地应用和研究，应用领域涉及电子、机械、运输、化学、医辽、能源、航天与土木工程等领域。

一、形状记忆效应的发现

1932年瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到了形状记忆效应。最早关于形状记忆合金效应的报道是有Chang及Read等人在1952年作出的。他们观察到Au-Cd 合金中相变的可逆性。后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象。但当时并未引起人们的广泛注意。直到1962年,Buehler及其合作者在等原子比的Ti-Ni合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应,才引起了材料科学界与工业界的重视

二、记忆效应的分类

（一）单程记忆效应

形状记忆合金在较低温度下变形,较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。

（二）双程记忆效应

某些合金加热是恢复高温相形状,冷却时又能恢复低温相形状,称为双程记忆效应。

（三）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。

三、形状记忆合金在各领域的应用

（一）航空航天工业方面

形状记忆合金可用于制造探索宇宙奥秘的月球天线。由于天线体积庞大，运载上月球很不方便，人们在一定温度环境下用形状记忆合金制成抛物面天线，再在低温下把它压缩成一个直径5厘米以下的小团，使它的体积缩小到只有原先的千分之一，放入登月小艇的舱内，在月面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状。这样就能用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线了。

（二）生物医疗方面

TiNi合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。在现有的实用记忆合金中只有与生物体接触后会形成稳定性很强的钝化膜的合金才可以植入生物体内,其中仅合金满足使用条件是目前医学上主要使用的记忆合金在医学上合金应用较广的有口腔牙齿矫形丝外科中用的各种矫形棒、骨连接器、血管夹、凝血滤器等现在在血管扩张元件中也应用了形状记忆合金。

（三）其他方面

1、眼镜框架

在眼镜框架的鼻梁和耳部装配合金可使人感到舒适并抗磨损,由于合金所具有的柔韧性已使它们广泛用于改变眼镜时尚界用超弹性合金丝做眼睛框架,即使镜片热膨胀,该形状记忆合金丝也能靠超弹性的恒定力夹牢镜片这些超弹性合金制造的眼镜框架的变形能力很大而普通的眼镜框则不行。

2、桥梁结构振动控制

记忆合金可用于桥梁被动控制及主动控制、拉索振动控制。对于目前桥梁结构振动控制，合理、有效、安全与经济的抗震途径是采用桥梁减震、隔震新技术，通过设置隔震器和阻尼器，达到增加结构延性、降低结构振动反应和消耗地震能量，把桥梁的变形限制在弹性范围内。对于桥梁结构的隔震体系，不仅要提供附

加水平柔度和能量耗散，同时必须能够支撑整个结构物。另外，被动控制方法的主要缺点是对地震的频域特性非常敏感，当地震超出减震、隔震装置的设计烈度时，减震与隔震效果就很差。而

SMA阻尼器作为一种高性能阻尼，与叠层橡胶支座共同工作，可形成桥梁结构的SMA阻尼器一叠层橡胶支座智能隔震体系SMA阻尼器能消耗地震能量，有效减小地震响应。由于高温下奥氏体SMA的弹性模量是低温马氏体SMA的3～4倍，因而可以利用该特性来改变粱、塔的局部或整体刚度，达到避开共振的目的，实现对桥塔或主梁的主动控制，降低结构的动荷载反应。同时应用SMA的弹性模量温度变化特性和形状记忆效应，将常温下为马氏体状态的SMA预变形，埋人梁或主塔中或者与其有限离散点连接。当结构振动时，由于高温下奥氏体状态的弹性模量是低温马氏体的3～4倍，通过加热改变结构局部或整体的刚度及其振动特性；同时，利用SMA高温下产生的回复力改变结构内部的应力状态，改变结构的自振频率，从而避开共振，降低结构的反应。直接利用SMA驱动器施加控制力于振动结构，消耗振动能量，达到降低结构反应的目的。由于SMA阻尼器具有形状记忆效应和高效阻尼性能，故可用来控制拉索的振动，实现对拉索的智能控制。利用SMA阻尼器作为减震副索也是值得探索的。

3、汽车方面

汽车的把手、格栅片及气坝都可以使用记忆合金来改善功用。新开发的汽车把手使用施加电压后形状可发生变化的形状记忆合金，在不使用马达的情况下实现了旋转机构。其机制是：一般情况下，把手处于折叠状态，在上下车时，通过按下车门按钮、打开车门来施加电压，由此使把手打开，从而实现轻松的抓扶；格栅片使用形状记忆合金，可利用形状记忆合金的变形来实现旋转的：热机时打开格栅片，可缩短热机时间；在行驶时关闭格栅片，可减小进入发动机室的空气流量，从而减小空气阻力；气坝在高速行驶时可调整车辆下部及车轮周围产生的空气乱流，从而起到提高燃效的效果。不过，在低速行驶时，下侧突出的气坝挡板容易碰到路面突起及冰雪等物体，时常会受到损伤。因此此次在旋转机构中使用了形状记忆合金、嵌入了根据行驶速度等提高挡板的机构。

4、管道结合和自动化控制

记忆合金已用于管道结合和自动化控制方面，用记忆合金制成套管可以代替焊接，方法是在低温时将管端内全扩大约 4％，装配时套接一起，一经加热，套管收缩恢复原形，形成紧密的接合。美国海军飞机的液压系统使用了