形狀記憶合金 （ Shape Memory Alloys ， 簡(jiǎn)稱SMA ）是具有形狀記憶效應(yīng)（ Shape Memory Effect ，簡(jiǎn)稱 SME ）、超彈性（ Superelasticity ，簡(jiǎn)稱 SE ）和髙阻尼性的功能材料。 該合金可感知溫度變化并能將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，對(duì)外輸出力、位移或儲(chǔ)存并釋放能量。 經(jīng)過多年的開發(fā)與應(yīng)用研究， SMA 及其應(yīng)用得到了長(zhǎng)足發(fā)展。 本文旨在論述 SMA 及其應(yīng)用研究進(jìn)展，并探討其今后的發(fā)展方向。

    1 SMA 的發(fā)展

    自 Olander 于 1932 年在 Au-Cd 合金中首次發(fā)現(xiàn) SME 以來， 經(jīng)過 80 多年的研發(fā)， SMA 已發(fā)展成為普通 SMA 、 高溫 SMA 、 磁性 SMA 和復(fù)合 SMA等 4 大類 100 多種（見表 1 ）。

    1.1 普通 SMA

    普通 SMA 主要包括 Ni-Ti 基、 Cu 基、 Fe 基、 Ag基、 Au 基、 Co 基 SMA 等，其中， Ni-Ti 基 SMA 性能最好，應(yīng)用最廣。

    Ti-Ni 基 SMA 因其優(yōu)異的性能在不同領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但其存在相變溫度較低、對(duì)成分敏感等不足，這一方面使其在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制，另一方面在工業(yè)生產(chǎn)中準(zhǔn)確控制相變溫度較難，成本較高。因此，通過添加其他元素進(jìn)一步改善性能并降低成本是研究方向之一，目前已取得了很大進(jìn)展。

    在 Ti-Ni SMA 中添加 Cr 、 V 可大大改善其超彈性，添加 Cu 、 V 、 Al 、 Cr 、 Zr 和微量 Ca 可大大改善其韌性、加工性和切削性，在 Ti-Ni-Cu 系合金中添加 B 、Si 、 P 、 S 、 RE ，可獲得高恢復(fù)率 SMA。 日本住友電氣工業(yè)公司在 Ti-Ni 合金中添加 Cu 、 Al 、 Zr 、 V 、 Co 、Fe 后，經(jīng)表面處理后拉絲，即可制得色彩漂亮的形狀記憶合金絲，以滿足對(duì)其裝飾性的要求。 Ti-Ni-Nb和 Ti-Ni-Ta 是寬滯后型 SMA ，其熱滯寬（ 130~150℃ ），在連接件、 緊固件及密封件等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

    Ti-Ni 基形狀記憶合金由于其良好的生物相容性在醫(yī)療器械領(lǐng)域也有所應(yīng)用。 研究表明 ，將 Ag 離子注入 TiNi 合金表面制備 Ti-Ni-Ag 改性層， 可提高合金的耐腐蝕性能， 這將會(huì)進(jìn)一步促使 Ti-Ni 基合金在醫(yī)療上的使用。

    1.2 高溫 SMA

    前述 Ti-Ni 基、 Cu 基和 Fe 基等 SMA 的相變溫度較低， 不適用于制作工作溫度超過 150 ℃ 的元件。 在許多情況下，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、衛(wèi)星發(fā)射塔、防火裝置、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及電流過載保護(hù)的記憶元件的工作溫度往往都超過 100 ℃ ， 在核反應(yīng)堆工程中，記憶熱動(dòng)元件的動(dòng)作溫度高達(dá) 600 ℃ 。 所以從 20世紀(jì) 90 年代開始，人們又展開了對(duì)高溫 SMA 的研究。 如表 2 所示，形成了以 Ni-Ti 合金為基礎(chǔ)發(fā)展起來的 Ni-Ti-Y （ Y=Hf ， Pd ， Pt ， Au ）合金，使用溫度隨 Y 含量增加而增高， Ms 最高可達(dá) 1 040 ℃ ；以Cu-Al-Ni 為基礎(chǔ)發(fā)展起來的 Cu-Al-Ni-Mn-X （ X=Ti ，B ， V ）合金， Ms 約 200 ℃ ；在 Ni-Al 金屬間化合物基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 Ni-Al-Z （ Z=Fe ， Mn ， B ）合金， Ms 在480 ℃ 以上，以及回復(fù)溫度在 1 000 ℃ 以上的 Ru-Ta（ Nb ）形狀記憶合金等。

    應(yīng)指出的是， 大多數(shù)高溫 SMA 塑性和抗疲勞性能差， 制造成本較高。 目前， 只有 Ti-Ni-Pd ，Ti-Ni-Pt ， Ni-Ti-Hf ， Ni-Ti-Zr 和 Cu-Al-Ni-Mn 合金有望用于 100 ~300 ℃ 場(chǎng)合，其他合金的性能有待進(jìn)一步改善。

    1.3 磁性 SMA  

    磁性 SMA （ MSMA ）又稱鐵磁 SMA （ FSMA ），其驅(qū)動(dòng)靠磁場(chǎng)傳輸而不是靠相對(duì)緩慢的傳熱機(jī)理，故可用于制作高頻（達(dá) 1 kHz ）驅(qū)動(dòng)器。 MSMA 的應(yīng)變速率可與磁致伸縮和壓電元件媲美， 應(yīng)變與 SMA相近， MSMA 亦可提供與 SMA 相同的比功率，但傳輸頻率更高。

    MSMA 的最大應(yīng)變是巨磁致伸縮Tb-Dy-2Fe 合金的 32 倍， 因此， MSMA 適合填補(bǔ)形狀記憶合金和磁致伸縮材料之間的技術(shù)空缺， 適用于低應(yīng)力大位移的馬達(dá)和閥門場(chǎng)合。

    應(yīng)指出的是， MSMA 硬而脆，難成形，僅適用于低溫場(chǎng)合，不適合于高溫度大應(yīng)力場(chǎng)合。 為了改善該材料的特性，今后需繼續(xù)加強(qiáng)研究，以更好地理解 Ni-Mn-Ga, Fe-Pd 和 Ni-Mn-Al 等 MSMA 的本構(gòu)行為。

    1.4 復(fù)合 SMA

    SMA 集感知和驅(qū)動(dòng)于一體，通過改變環(huán)境溫度來實(shí)現(xiàn)對(duì)外作功，故可制作智能驅(qū)動(dòng)器和減振器，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料損傷的主動(dòng)監(jiān)控。 將 Ti-Ni 合金絲置于鋁合金、 鎂合金和高分子等材料中使復(fù)合材料具有升溫自增強(qiáng)、 抑制裂紋擴(kuò)展、 減振降噪等智能屬性，一直是智能材料的一個(gè)研究熱點(diǎn)，但是由于復(fù)合材料的各復(fù)合組員間界面比表面積小，且結(jié)合強(qiáng)度較低，在外力作用下容易開脫。 Furuya 等將Ti-Ni 基 SMA 絲或顆粒復(fù)合在 Al 等金屬或高分子材料中制成環(huán)境應(yīng)答型智能復(fù)合材料，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)， 不僅可明顯改善力學(xué)性能或阻尼性能，而且 Ti-Ni 合金具有應(yīng)變能力， 能自行削弱基體應(yīng)力集中，抑制基體裂紋擴(kuò)展，或?qū)ν廨敵隽蛭灰埔宰鞴Α?Paine 等將 Ti-Ni SMA 絲編成網(wǎng)狀貼于高分子材料表面，可明顯提高沖擊韌度。 因?yàn)楸砻尜N有Ti-Ni 絲的復(fù)合材料在受沖過程中因誘發(fā) M 相變而消耗了大量沖擊能，同時(shí) Ti-Ni SMA 具有載荷傳遞性， 可使沖擊能量均勻分布到整個(gè)復(fù)合材料中，導(dǎo)致沖擊后的塑變量很小。

    Saadat等利用 Ti-Ni 合金的自適應(yīng)原理制成了由 Ti-Ni 絲增強(qiáng)的機(jī)敏混凝土及智能減振結(jié)構(gòu)，以提高沿海及內(nèi)地建筑物的抗震防風(fēng)能力。 將Ti-Ni 基 SMA 與他材料相復(fù)合，采用多孔燒結(jié)辦法制得的復(fù)合材料既可以達(dá)到輕量化的目的，又因增強(qiáng)相而具有一定強(qiáng)度，大大增加了 Ti-Ni 基 SMA 的應(yīng)用領(lǐng)域。 江鴻杰等人以納米尺度 SiC 顆粒為增強(qiáng)相，并結(jié)合 NH4HCO3低溫分解造孔技術(shù)，成功地制備出了 SiC/NiTi ， 有效地解決了多孔 Ti-Ni 合金強(qiáng)度低的問題。

    姜江、崔立山等人制備了一種復(fù)合比可控、屈服強(qiáng)度高、 原位自生的超細(xì)片層 NbTi/TiNi 記憶合金復(fù)合材料， TiNi 微片分布均勻，與 NbTi 基體結(jié)合強(qiáng)度高。 此法為 TiNi 記憶合金復(fù)合材料的制備提供了新思路。

    2 SMA 的特性及應(yīng)用效能

    SMA 具有 SME 、 SE 、高阻尼、高驅(qū)動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變、高能量密度、較高能效、較低動(dòng)作頻率以及相變誘發(fā)塑性等特性，這些特性的應(yīng)用效能如表 3 所示。 其中，SME分單程、雙程和全程3種類型。 單程 SME ：

    將合金在低于馬氏體相變結(jié)束溫度 M f 以下變形，再將其加熱到馬氏體逆相變結(jié)束溫度 A f 以上時(shí)，馬氏體逆轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶啵冃慰梢酝耆謴?fù)，在此后的冷卻或加熱過程中，形狀始終保持不變，好像記住了高溫母相的形狀。 雙程 SME ：將合金在 M f 以下變形，當(dāng)加熱至馬氏體逆相變結(jié)束溫度 A f 以上時(shí)，會(huì)恢復(fù)其高溫母相的形狀，在冷卻時(shí)又可恢復(fù)低溫相的形狀，即通過溫度的升降變化， 可以反復(fù)地恢復(fù)高低溫相的形狀。 全程 SME ：將合金在 M f 以下變形，當(dāng)加熱至 A f 以上時(shí)，試樣可以恢復(fù)高溫母相的形狀，在冷卻時(shí)恢復(fù)低溫相形狀，若再繼續(xù)冷卻，合金呈現(xiàn)出與高溫時(shí)完全相反的形狀。 應(yīng)用較廣泛的 Ti-Ni基、 Cu 基和 Fe 基 SMA 的性能見表 4 。

    3 SMA 的應(yīng)用

    SMA 能在一個(gè)較窄的溫度范圍內(nèi)獲得 4%~8%的可逆回復(fù)應(yīng)變， 如果加熱時(shí)阻止其應(yīng)變回復(fù)，則SMA 可產(chǎn)生較大的反抗應(yīng)力。 亦即在一定條件下通過改變溫度， SMA 可以對(duì)外輸出力或位移。 由于 SMA 具有感知和驅(qū)動(dòng)雙重功能 ， 以及能產(chǎn)生較大的可逆形狀響應(yīng)應(yīng)力和應(yīng)變，已在汽車、航空航天、機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如表 5所示。

    4  結(jié)語

    4.1 SMA 發(fā)展方向

    （ 1 ）研制新型或改進(jìn)型長(zhǎng)壽命、大韌性、高穩(wěn)定性 SMA 及其加工技術(shù)。

    （ 2 ） 研究 SMA 的功能特性與其他材料的結(jié)構(gòu)特性的組合問題，進(jìn)而研制性能更優(yōu)的復(fù)合形狀記憶材料。

    （ 3 ）構(gòu)建強(qiáng)大而有效的 SMA 行為計(jì)算模型。

    （ 4 ）建立有材料科學(xué)家、工程設(shè)計(jì)師和營(yíng)銷人員參與的形狀記憶材料領(lǐng)域信息平臺(tái)或基地，共享SMA 數(shù)據(jù)及其應(yīng)用設(shè)計(jì)信息知識(shí)，探索 SMA 應(yīng)用新市場(chǎng)。

    4.2 SMA 應(yīng)用發(fā)展方向

    （ 1 ）結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和有限元分析等現(xiàn)代計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和分析工具，發(fā)展具有緊湊、高速、智能控制器的集成驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)。

    （ 2 ）在汽車與航空航天應(yīng)用方面，研制自我修復(fù)和傳感結(jié)構(gòu)及組件如智能輪胎和安全氣囊等；發(fā)展符合空氣動(dòng)力學(xué)和美學(xué)特征的形狀記憶合金配件；研制角行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)；開發(fā)高溫致動(dòng)器及噪聲、振動(dòng)阻尼器等。

    （ 3 ）在機(jī)器人應(yīng)用方面，研制微型、快速、高效、穩(wěn)定、準(zhǔn)確、旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

    （ 4 ）在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面，研制人造肌肉、新型形狀記憶植入物和無毒 SMA 等。

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責(zé)任編輯：王元

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