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揭秘秦始皇陵出土青銅劍為何千年不腐，被壓彎后還能自動恢復原形

2019-04-30 14:51:00 作者：本網(wǎng)整理來源：網(wǎng)絡資料綜合整理分享至：

青銅是我國比較早掌握的一種材質(zhì)，所以古代很長一段時間，青銅器都占據(jù)著主導地位，很多作戰(zhàn)裝備也都是青銅材質(zhì)，所以在考古的時候，也出土了不少青銅期間。在我國的考古史中，有兩把比較有名氣的青銅劍，來自勾踐和夫差，但是中國歷史這么多年，除了這兩把劍比較令人驚訝之外，在秦始皇陵當中也曾有把青銅劍讓專家驚嘆。

從上世紀七十年代，我國發(fā)現(xiàn)了兵馬俑開始，對秦始皇陵的每一次探索都有很多意外驚喜，在1994年的時候，這里出土了一批青銅劍，雖然在地下已經(jīng)埋藏了上千年，但卻在出土的時候依然像新的一樣有光澤，周身沒有看到一點腐蝕的痕跡，而且用起來也還是相當鋒利。專家在這些青銅劍上發(fā)現(xiàn)了一層鉻鹽化合物，這對劍身起到了很好的保護作用，所以才會使它們出土的時候沒有受到任何損傷。要知道這項技術外國再造還是在上世紀就是年代才實現(xiàn)的，所以這個結果一出來，在全世界都引起了轟動。

當然在出土這些青銅劍的時候，還有一把比較意外。當時在一號兵馬俑當中地一個過洞里發(fā)現(xiàn)了一把青銅劍，只是專家在準備將其拿出來的時候，卻皺起了眉頭，因為這把劍上面被重物壓著，已經(jīng)產(chǎn)生了很大的彎度，顯然是在入葬的時候被壓到，但是在專家將上面的東西移走之后，這把青銅劍卻慢慢反彈回來，雖然說上面還有一些痕跡，但基本上已經(jīng)恢復到了原來的模樣，這樣的怪事讓在場的專家也非常詫異，那個時候的冶煉技術已經(jīng)這么高超了？

當然這一現(xiàn)象在現(xiàn)在我們是可以解釋的，就是特殊形狀記憶效應，就像我們用于較真牙齒的金屬牙套一樣，它自己有金屬記憶功能，只要偏離原來的形狀，它可以實現(xiàn)自動修正。關鍵是這個技術最早是被哈佛大學的科學家發(fā)現(xiàn)的，直到上世紀六十年代才開始出現(xiàn)在航天等重大領域中，而發(fā)現(xiàn)也頂多是在三十年代，秦朝居然就能有這樣的工藝技術，這不得不為老祖宗鼓掌了。

當然專家也對這把青銅劍的成分進行了研究，這里面是一種銅鐵合金，其中還包含了錳、矽這樣的元素，確實可以成為記憶合金，加上表面的防氧化處理，這些青銅劍才能帶來這么多震撼。

延伸閱讀

大揭秘：形狀記憶合金為什么會有“記憶”！

人有記憶，不稀奇，但是金屬竟然也有記憶，這就神奇了！形狀記憶如何擁有“記憶”？請看本文。

每個人理所當然的會記住各種有用的事情。長相、名字、住址，名人面孔、家庭成員生日，也許你還會說一兩種外語。然而，人們驚奇的發(fā)現(xiàn)無生命物體也能有一種記憶性。金屬湯匙中的原子幾乎一直保持在同一個地方：一旦形成勺子，永遠是勺子。你可以用鉗子把勺子掰彎，它就變成面部全非的金屬片。但是如果勺子用記憶合金做的，那勺子形狀記憶不會消失。如果再次加熱，它會神奇地變成原來形狀！形狀記憶神奇材料最廣為人知的應該是“堅不可摧的”眼鏡支架和胸罩內(nèi)的金屬架，但是其實它們有著各種各樣的神奇用途，尤其在醫(yī)學和航天領域。

彈性與塑性

如果知道一點材料學知識并知道當拉伸或擠壓材料，材料的應力應變情況，這將對理解形狀記憶概念有所幫助。

像湯匙這樣的固體，除非施加應力，否則它一直保持著勺子形狀。這毫不意外！因為本質(zhì)上意味著“固體”。用一個足夠大的力，一個物體總是會改變形狀或變形；它具體變成什么樣取決于材料。某些材料是脆性的，而且根本不會改變形狀。如果勺子是玻璃或者木頭制成的，彎曲的次數(shù)過多就會斷裂成碎片。

如果它是由厚橡膠制成的，在拉伸或擠壓時會有微小變形，然而當移走施加應力的瞬間，它就會恢復到原來形狀。這種行為定義為彈性：物體在外力作用下發(fā)生形變，外力撤銷時則恢復到原來形狀，我們說它是彈性的，并且完全可逆的拉伸過程是彈性變形。我們經(jīng)常談論“彈性”，仿佛它是材料本身的屬性，但實際上彈性單指那些擁有彈性的人工的、橡膠材料。甚至金屬也有彈性，只要你不用力拉伸，特別是它們做成彈簧。

如果勺子是塑料的？意味著可以將至彎曲永久變形。當停止用力，勺子保持著新形狀而不會回到原來的形狀。這種行為定義為塑性，同時也可以解釋塑料的命名。塑料是由大分子（聚合物）制成的化學品，通常在制造過程中（或者之后）成形，因為分子鏈非常容易滑移。通常，塑料在工廠中由熔融態(tài)，模具成型，然后冷卻使之硬化（凝固）。但是就像“彈性”一樣，塑性指的是它的行為，而不是它的組成。在某種意義上來說，許多軟金屬是塑性的，因為可以來回彎曲而不會回到原來形狀。這種不可逆的變形稱為塑性形變。

什么是形狀記憶？

材料科學就是選擇最好的材料來做某項特定的工作。例如，設計一個噴氣式發(fā)動機，可以選擇非常輕而且能夠耐高溫的堅固材料——鋁、鈦或者合金。但是如果你想要做一個低溫下表現(xiàn)某種方式，但是加熱時表現(xiàn)卻不同的飛機零件呢？這種情況下，你可以使用形狀記憶合金，它可以隨著溫度變化自動重塑。

普通的金屬沒有形狀記憶。如果坐在鋁制眼鏡架上并且永久的彎曲它們，它們很難回到原來的樣子。你必須照著自己記憶中眼鏡框的樣子辛苦地去調(diào)整，就算是這樣，也很難保證眼鏡框回到以前的樣子。而且如果來回彎曲次數(shù)太多，鏡框達到疲勞強度可能會永遠的斷裂。

形狀記憶金屬與普通金屬表現(xiàn)不同。它們是強而輕、具有特殊性能的合金（通常混合兩種或更多的金屬）。它們可以“編程”記住原來的形狀，所以如果彎曲或擠壓它們，可以通過加熱使它們重新恢復到原來形狀。這被稱為形狀記憶效應（既然加熱能使它改變，也可以稱之為熱形狀記憶效應）。某些形狀記憶金屬在熱的時候記住一種形狀，但在冷卻時候記住另一種形狀，所以冷卻時它們變成一種形狀，但加熱時它們“忘記”原來形狀，頸縮成一個不同的形狀。這被稱為雙向形狀記憶效應。現(xiàn)在，假如可以做一種形狀記憶體，即使彎曲和扭曲很多次即使沒有加熱，但仍然可以恢復成原來形狀？這是形狀記憶的一個方面叫作偽彈性或超彈性，它適用于那些超級柔軟，幾乎堅不可摧的眼睛框，制造商說它至少比鋼柔韌十倍！

雖然鎳鈦合金（又稱為鎳-鈦，Ni-Ti）可能是最廣為人知的形狀記憶合金，但是實際還有許多其他形狀記憶合金，包括銅鋅鋁合金，銅鋁鎳合金，鐵錳硅合金；還有相當多其他種類的。你也能發(fā)現(xiàn)以品牌命名的形狀記憶合金例如FLEXINOL?和Muscle Wires?，這是由該公司特有的鎳鈦合金。

形狀記憶如何發(fā)揮作用？

最容易理解形狀記憶的方式是記住發(fā)生在材料內(nèi)部（即原子和分子的納米尺度）的變化也許和外部看起來發(fā)生的完全不同。

拉伸橡皮圈，在它內(nèi)部交聯(lián)和糾纏的橡膠大分子鏈打開和分離。撤銷拉力，分子鏈重新聚集到一起，這就是彈性的工作機理。形狀記憶是不同的。彎曲形狀記憶合金物體使其內(nèi)部晶體結構變形。不進行處理，它就會保持永久的彎曲形狀。然而對其加熱，晶體內(nèi)部結構變成完全不同的形狀，推動物體回到原來的形狀。超彈性是相似的，但是你變形后使物體恢復到原來形狀不需要溫度。如果彎曲了一對形狀記憶眼鏡框，所施加的應力使鈦合金變成完全不同的晶體結構；放開手后晶體結構恢復，眼鏡框回到原來的形狀。

形狀記憶和超彈性發(fā)生的是固體材料內(nèi)部結構在兩種不同的晶體形式之間的轉換，換句話說，它的分子以完全可逆方式重新排列。這就是固態(tài)相變，它聽起來比實際情況復雜。其實我們都習慣了相變：你把冰塊放到飲料里然后它融化了，你觀察到的就是相變。隨著冰塊融化，其分子從緊密堆積結構轉變成更松散和更流動的結構，所以水從固相（冰）轉變成液相（平常的液體水）。發(fā)生在固態(tài)相變中的大致相似的事情是材料在轉變前和后都是固體，因為在整個過程中所有分子之間保持的非常近。

形狀記憶合金在奧氏體和馬氏體兩種結晶態(tài)之間轉變。在低溫時，它們呈現(xiàn)相對柔軟、塑性和容易成形的馬氏體；在（相對）高溫時，它們變成更硬和更難以變形的奧氏體。假設你有一個形狀記憶電線，你可以相對容易地把它變成新的形狀。它的內(nèi)部是馬氏體，這就是它容易變形的原因。無論你怎么彎曲電線，它都保持新的形狀；就像任何普通的電線，它看起來像在進行普通的塑性形變。見證奇跡的時刻！對電線微微加熱（高于相變溫度），其內(nèi)部變成奧氏體，在熱能作用下內(nèi)部原子重新排列然后電線恢復到原來形狀。冷卻下來，電線重新恢復成馬氏體，仍然恢復成原來形狀。如果整個過程中材料的溫度高于相變溫度，你可以使其變形，但是當你釋放你施加的應力，它立刻恢復到原來的形狀。

形狀記憶令人驚奇也可能使人困惑的是奧氏體和馬氏體之間的轉換不是“對稱”的。你可以取一條“編程”的形狀記憶電線（有明顯易記的形狀），然后可以用不同的方式去彎曲它。但是當你加熱你剛剛隨意彎曲的電線，它總是回到一條單一、明顯的形狀。我們可以這樣理解這一點，材料在馬氏體狀態(tài)下可以愉快地變成任何晶體形式。但是當它在奧氏體時，它只有一種晶體形式。這也是最穩(wěn)定的狀態(tài)，也即最低能量狀態(tài)。

當施加應力（壓力）而不是加熱時，超彈性和形狀記憶表現(xiàn)相似。通常，組成合金的是奧氏體的韌性形式。假設對形狀記憶眼鏡施加應力（就是彎曲它們），奧氏體轉換成馬氏體后非常容易變形。放開鏡框后馬氏體變回了奧氏體，所以眼鏡回到最原始的形狀。

形狀記憶合金用途？

Arne Olander在上世紀30年代發(fā)現(xiàn)金-鎘合金中存在形狀記憶效應，但是在上世紀60年代美國海軍軍械實驗室開發(fā)出鈦鎳合金之后，形狀記憶合金（也叫作SMAs，金屬肌肉，記憶金屬，智能金屬）開始真正推廣使用。幾十年后，形狀記憶金屬已經(jīng)是所有醫(yī)學和健康相關設備領域最平常的選擇，包括從牙科植入物到外科工具，從胸罩內(nèi)線到眼鏡框（以Flexon品牌出售）。與塑料、金屬或傳統(tǒng)合金不同，形狀記憶合金兼具堅固和柔韌的優(yōu)點，易于消毒并耐腐蝕。由于輕質(zhì)、堅韌并能在高溫下工作的特性，形狀記憶合金也廣泛應用于航空航天部件，例如火箭和空間探測器。

形狀記憶合金在機器人領域應用快速增長。有時人們需要設計特殊用途的機器人到傳統(tǒng)機器人無法到達的地方：可能需要在十分堅實的火箭上炸出孔洞，或者需要在門口悄悄的監(jiān)視罪犯。考慮到這些，工程師們開始設計由形狀記憶合金制成的自動展開機器人。它們開始時折疊在一起，當他們需要被激活時，電流通過機器人形狀記憶的部件，加熱它們至回到“預編程”的穩(wěn)定不變機器人形狀。

形狀記憶聚合物

形狀記憶合金聽起來高大上，但是它們也有缺點：形狀記憶合金比普通不銹鋼更易達到疲勞強度（多次重復變形后斷裂），而且比傳統(tǒng)的鋼或鋁合金的制造成本更高。上世紀90年代，材料學家開始開發(fā)與形狀記憶合金相似且具有形狀記憶效應的形狀記憶聚合物（SMPs）。正如普通塑料改變了世界，形狀記憶聚合物很可能在未來幾年拓寬它的應用領域，因為SMPs比金屬基合金更輕、更便宜和更柔韌。和SMPs最密切相關的是SCPs（形狀改變聚合物），當它們受熱（或以其他方式被能量刺激），其逐漸改變形狀；然而當冷卻的時候，其恢復形狀。雖然自愈合材料（一種損傷后自我治愈的材料）也可以在多種不同的方式下工作，它們與SMPs非常相似。例如，可以設想一下，一個塑料機身可以吸收射入的子彈的動能后轉換成內(nèi)能，并用內(nèi)能激活形狀記憶效應使聚合物恢復到原來形狀，迅速愈合和密封。

一文讀懂形狀記憶合金

1 概論

具有形狀記憶效應（Shape Memory Effect，SME）的合金稱為形狀記憶合金（Shape Memory Alloys，SMA）。經(jīng)過80多年的發(fā)展，SMA已發(fā)展成為普通SMA、高溫SMA、磁性SMA和復合SMA等4大類100多種。

形狀記憶合金中的相和晶體結構

形狀記憶合金與形狀記憶聚合物的性能比較

SMA的種類

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，應用最廣。

普通SMA的成分范圍和馬氏體相變開始溫度點（Ms）

高溫SMA。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。因此分別在Ni-Ti、Cu-Al-Ti、Ni-Al等合金的基礎上加入其它元素形成高溫SMA。但大多數(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℃環(huán)境。

高溫SMA及其特性

高溫SMA的種類、馬氏體類型、合金化元素及其作用

磁性SMA又稱鐵磁SMA（FSMA），其驅(qū)動靠磁場傳輸而不是靠相對緩慢的傳熱機理，故可用于制作高頻（達1kHZ）驅(qū)動器。磁性SMA利用磁場對合金中的馬氏體變體施加靜磁力，促使有利取向的馬氏體變體長大，吞并不利取向的變體，從而產(chǎn)生宏觀變形。磁場強度減小或撤去時，孿晶界又回到初始位置。磁性SME只存在具有熱彈性馬氏體相變的磁性合金中，典型磁致SMA有NiMnGa、NiFeGa、Fe基和Co基合金等。

MSMA適合填補形狀記憶合金和磁致伸縮材料之間的技術空缺，適用于低應力大位移的馬達和閥門場合。MSMA硬而脆，難成行，僅適用于低溫場合，不適合于高溫度大應力場合。

SMA集感知和驅(qū)動于一體，通過改變環(huán)境溫度來實現(xiàn)對外作功，故可制作智能驅(qū)動器和減振器，也可實現(xiàn)對材料損傷的主動監(jiān)控。將SMA材料與其他材料結合將獲得綜合性能優(yōu)異的復合SMA。

SMA與其他材料的性能比較

2 性能

MA具有SME、SE、高阻尼、高驅(qū)動應力應變、高能量密度、較高能效、較低動作頻率以及相變誘發(fā)塑性等特性。

SMA的特性

2.1 形狀記憶效應

形狀記憶效應是指特定合金在高溫下處理成一定的形狀，然后冷卻至低溫馬氏體相變狀態(tài)Mf后，將進行一定限度的塑性變形后，然后再加熱到高溫母相狀態(tài)（Af）時，又恢復到低溫變形前形狀的效應。

Fe在910℃以下為體心立方晶格結構的a-Fe；910℃以上為面心立方晶格結構的γ-Fe；碳元素溶解到a-Fe中形成的固溶體為鐵素體（F）；碳元素溶解到γ-Fe中形成的固溶體為奧氏體（A）；如果奧氏體以較大的冷卻速率過冷，奧氏體中的碳原子無法擴散，奧氏體直接轉變成含碳過飽和的固溶體，稱為馬氏體（M），馬氏體的強度和硬度高、塑性低及脆性大。馬氏體相變開始和相變結束的溫度分別表示為Ms和Mf，馬氏體逆相變（轉變?yōu)閵W氏體）的開始和結束的溫度分別表示為As和Af。

奧氏體、鐵素體、馬氏體的晶胞示意圖

等溫轉變示意圖（A—奧氏體，P—珠光體，B—貝氏體，M—馬氏體）

馬氏體轉變過程示意圖

形狀記憶合金的3種形狀記憶效應

單程記憶效應指SMA在低于馬氏體轉變開始溫度Ms下應力加載變形，應力去除后，隨之加熱至母相逆轉變開始溫度As以上，恢復變形前形狀，隨后在冷熱循環(huán)中，合金的形狀不改變。

雙程記憶效應指SMA在低于Ms下應力加載變形，應力去除后，加熱至As以上，回復至初始形狀，隨后在加熱和冷卻循環(huán)中，合金升溫變?yōu)楦邷谹時的形狀，冷卻變成低溫M時的形狀。

全程記憶效應指SMA在低于Ms下應力加載變形，應力去除后，加熱至As以上，恢復初始形狀，但冷卻后，合金的形狀與初始形狀相反。該效應出現(xiàn)在固溶時效態(tài)富鎳Ti-Ni形狀記憶合金中。

形狀記憶合金之所以具有變形恢復能力，是因為變形過程中材料內(nèi)部發(fā)生的熱彈性馬氏體相變。

形狀記憶合金中具有兩種相：高溫相奧氏體相，低溫相馬氏體相。根據(jù)不同的熱力學載荷條件，形狀記憶合金呈現(xiàn)出兩種性能：形狀記憶效應、偽彈性。

SMA形狀記憶效應示意圖

2.2 超彈性

超彈性（Superelasticity, SE）指SMA在加載變形后產(chǎn)生的應變大于材料的彈性極限應變量，當應力去除后試樣恢復原狀的現(xiàn)象。常溫下，處于A狀態(tài)下的合金在外界應力作用下誘發(fā)M 相變，此時多個M 變體向最有利于變形的方向上趨于單一變體，合金的形狀發(fā)生變化。這種M只有在外界應力存在的條件下存在，當應力去除后M會立即逆向轉變成母相，試樣的形狀也隨之恢復。

根據(jù)合金成分和熱處理工藝不同，SE分線性SE和非線性SE。不通過加熱即恢復到原來形狀的相變，其應力應變曲線是非線性的，稱為相變偽彈性，應變完全恢復時稱為超彈性。

SMA 的SME和SE本質(zhì)屬同一種相變現(xiàn)象，只是誘發(fā)其逆向相變的原因不同。SME 的M 逆轉變是在應力去除后，通過加熱升溫使M 發(fā)生逆向轉變成母相狀態(tài)，SE 則是在應力去除后，M自動發(fā)生逆向轉變成母相狀態(tài)。

超彈性與形狀記憶效應示意圖

2.3 高阻尼性能

高阻尼性能是由于晶體內(nèi)部的M相變，M變體之間的界面具有粘彈性，且在應力作用下，M 相中形成的各種界面（孿晶面、相界面、變體界面）之間發(fā)生相對滑動產(chǎn)生滯彈性遷移，使應變落后于應力，可以將震動能轉化為內(nèi)能，達到減震阻尼的效果。

金屬材料的阻尼按能量耗散的機理可分為熱彈性阻尼、磁性阻尼、位錯阻尼、界面阻尼等。

SMA通過將機械能轉換為內(nèi)能主要有3 種機制即：內(nèi)耗機制、M孿晶再取向機制，應力誘發(fā)M機制。

內(nèi)耗機制指SMA在M相變的過程中會產(chǎn)生的M變體，其不同變體間的界面會產(chǎn)生相對運動，并且能壘較低，應次單力循環(huán)吸收能量少，但其震動頻率范圍大。

M孿晶再取向機制指的是在M相變過程中，M變體之間的各個界面首先發(fā)生孿晶的再取向方式，在應力方向上，有利取向的變體長大，不利取向變體消失，最終所有的M孿晶變體再取向，形成一個最有利于變形的單一M變體。

應力誘發(fā)M機制用SMA 超彈性應力-應變旗幟形狀曲線圖可以明顯看出，誘發(fā)M相轉變的應力遠高于M 逆相變的應力。曲線面積即能量損耗轉變成內(nèi)能的功，達到阻尼效果。

3 工藝

3.1 形狀記憶合金的制備

形狀記憶合金的制備通常是先制備合金錠，然后進行熱軋、模鍛、擠壓，最后進行冷加工。形狀記憶處理（一定的熱處理）是實現(xiàn)合金形狀記憶功能方面至關重要的環(huán)節(jié)。

TiNi形狀記憶合金單程記憶效應的處理方法分為中溫、低溫、時效3種工藝。低溫處理：將合金在800 ℃以上退火處理，在室溫下根據(jù)應用需要加工成型，然后在250~350℃保溫0.5 h，即成型。這種合金韌性好，易于加工成形狀復雜、尺寸較小的工藝產(chǎn)品，但其穩(wěn)定性較差，不耐磨；中溫處理：將合金置于低溫環(huán)境中（Ms以下）加工成形，然后放入高溫（Ms以上）環(huán)境下保溫一段時間，使之成型；時效處理：將合金在1000 ℃進行固溶處理，隨之淬火，再放入400 ℃保溫1 h 時效處理。當合金富Ni 時，具備析出第二相粒子并且強化合金的條件，適合時效處理，這種方法既能有效避免合金熔煉過程中Ti2Ni 型粒子的出現(xiàn)，又可提高合金的SME和SE。

TiNi形狀記憶合金具有雙程記憶效應是因為合金中存在方向性的應力場或晶體缺陷，相變時馬氏體容易在缺陷處形核，同時發(fā)生擇優(yōu)生長。通過記憶訓練（強制變形）獲得雙程記憶能力：（1）先通過單程記憶效應，記憶高溫相的形狀；（2）隨后在低于Ms溫度，根據(jù)所需形狀進行一定限度的可恢復變形；（3）加熱到As以上溫度，試樣恢復到高溫態(tài)形狀后，又降低到Ms以下，再變形試件，使之成為低溫所需形狀；（4）反復處理后，就可獲得雙向記憶效應。

3.2 形狀記憶合金薄膜的制備

Ti-Ni SMA薄膜的制備方法包括磁控濺射沉積法、熔體快淬法、閃蒸法、離子束濺射、脈沖激光沉積、電子束沉積、快速凝固甩膜法、脈沖激光沉積法、蒸發(fā)沉積法、等離子快速蒸鍍法和離子束輔助沉積法等。

磁控濺射沉積法指在真空室中，輝光放電產(chǎn)生的正離子在電場作用下，加速后轟擊靶表面，使被轟擊出的粒子在基片上沉積成膜的方法。該方法具有操作簡單、沉積速度較快、與硅基微器件的制備工藝具有良好的兼容性、鍍膜密度高、薄膜成分與靶材成分基本一致等優(yōu)點，是目前制備Ti-Ni SMA 薄膜的主要方法。

熔體快淬法指在真空狀態(tài)下，給予熔融狀態(tài)的金屬或合金一定壓力，并注射到高速旋轉的水冷銅輥上，使其在極大的過泠度下得以凝固，從而獲得具有超細結構的非平衡組織薄膜的方法。該方法具有價格低廉且合金薄膜化學成分較均勻的優(yōu)點，能夠得到納米級或非晶態(tài)的薄膜晶粒。工藝流程：母合金冶煉→澆鑄成錠→鑄錠在膜噴嘴試管中再熔化→熔化噴射→高速旋轉的冷卻輥→固化→薄膜和輥分離→收集膜子→晶化退火→破碎制粉→SPS燒結。目前，雖然熔體快淬法制備Ti-Ni 基SMA薄膜的研究有很大進展，但仍然存在不少問題，如熔體溫度、壓力、輥速、合金成分、熱處理工藝等對薄膜組織性能的影響規(guī)律有待深入研究，以便優(yōu)化薄膜的成分、工藝、組織和性能。

4 應用

SMA 能在一個較窄的溫度范圍內(nèi)獲得4%~8%的可逆回復應變，如果加熱時阻止其應變回復，則SMA可產(chǎn)生較大的反抗應力。亦即在一定條件下通過改變溫度，SMA可以對外輸出力或位移。由于SMA具有感知和驅(qū)動雙重功能，以及能產(chǎn)生較大的可逆形狀響應應力和應變，已在汽車、航空航天、機器人和生物醫(yī)學等領域得到廣泛應用。

SMA的應用

4.1 汽車

在現(xiàn)代交通工具中，由于對更具有安全、舒適性能的交通工具的需求使得傳感器和驅(qū)動器的市場需求猛增。在汽車應用上SMA 多作為線制動器（如：后視鏡折疊、溫度控制副翼、鎖控）和熱制動器（如：發(fā)動機溫度控制、碳化合物發(fā)動機潤滑、動力離合器）。

可微型化的SMA 驅(qū)動器有利于減小汽車組件的尺寸、重量和費用，意義重大。如電驅(qū)動的遮光后視鏡縮放儀，SMA 靈活的汽車滾動副翼（輪）代替?zhèn)鹘y(tǒng)電磁氣動效應器，一個自動行人保護系統(tǒng)（彈起式閥蓋）用以減小行人受到撞擊作用的傷害，一個花費有效的側鏡制動器，一個使用了FSMA 制動器的對目標距離和目標角度光傳感的微掃描系統(tǒng)。

汽車應用的挑戰(zhàn)之一是 SMA 與汽車電池的相容性。

SMA在汽車上的應用

4.2 航空航天

形狀記憶合金已應用到航空和太空裝置。SMA 在航空航天領域得以成功應用的還有致動器、結構連接器、震動阻尼器、密封材料、釋放或展開機構、可充氣結構、操縱器和探路器等。如用在軍用飛機的液壓系統(tǒng)中的低溫配合連接件，歐洲和美國正在研制用于直升飛機的智能水平旋翼中的形狀記憶合金材料。由于直升飛機高震動和高噪聲使用受到限制，其噪聲和震動的來源主要是葉片渦流干擾，以及葉片型線的微小偏差。這就需要一種平衡葉片螺距的裝置，使各葉片能精確地在同一平面旋轉。目前已開發(fā)出一種葉片的軌跡控制器，它是用一個小的雙管形狀記憶合金驅(qū)動器控制葉片邊緣軌跡上的小翼片的位置，使其震動降到最低。還可用于制造探索宇宙奧秘的月球天線，人們利用形狀記憶合金在高溫環(huán)境下制做好天線，再在低溫下把它壓縮成一個小鐵球，使它的體積縮小到原來的千分之一，這樣很容易運上月球，太陽的強烈的輻射使它恢復原來的形狀，按照需求向地球發(fā)回寶貴的宇宙信息。另外，在衛(wèi)星中使用一種可打開容器的形狀記憶釋放裝置，該容器用于保護靈敏的鍺探測器免受裝配和發(fā)射期間的污染。

形狀記憶合金在航空航天領域重的應用

4.3 機器人

SMA 在機器人方面也有許多成功的應用，如微致動器、人造肌肉等。但也面臨不少挑戰(zhàn)：硬件平臺的性能和微型化，集成系統(tǒng)的智能化（即小、快、可靠、自動化）。需要解決的技術問題包括固定困難、低電阻、微型電子鏈接（對微型機器人）、小應變輸出、控制問題和超低效率等。

SMA 驅(qū)動器響應速度受其形狀和尺寸的影響明顯。電阻加熱一般用于小型SMA 驅(qū)動器（最大直徑是400 微米），間接加熱應用于厚驅(qū)動器，為增大驅(qū)動頻率，將電容器和厚驅(qū)動器復合在一起可獲得快速加熱反應。可以采用冷卻措施以促進冷卻過程，但這樣會造成設備笨重；此外，增加機器人的自由度必須增加驅(qū)動器的數(shù)量，這將會導致控制問題復雜。

形狀記憶合金在機器人領域已有和潛在應用

4.4 生物醫(yī)藥

盡管 NiTi 合金比不銹鋼貴很多，但SMA 在生物醫(yī)學應用上展現(xiàn)出極好的性能，如其具有高耐腐蝕性，很好的生物相容性，無磁性，還有一些其它獨特的物理特性等，因此其在許多領域的醫(yī)療設備和裝置上得到了應用，包括骨科、神經(jīng)科、心臟科和介質(zhì)放射科、牙科等。產(chǎn)品包括血管內(nèi)支架、導管、醫(yī)療鑷子、骨錨、可變剛度植入物、動脈瘤治療、人造心肌、鏡框和引線等。