科學(xué)家們預(yù)言：二十一世紀(jì)將是材料-電子一體化的世紀(jì)。研制由功能材料構(gòu)成的高密集度、高可靠性、多功能 、自動(dòng)化機(jī)電伺服系統(tǒng)， 是近代科技發(fā)展的一大需求。作為新型功能材料家庭中的重要成員， 形狀記憶合金在工程機(jī)械領(lǐng)域及日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，優(yōu)勢(shì)也越來(lái)越明顯。

    形狀記憶合金（Shape Memory Alloy , 簡(jiǎn)稱為SMA）是一種特殊的金屬材料， 經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗蠹淳哂谢貜?fù)形狀的能力 , 這種能力被稱為形狀記憶效應(yīng)（Shape memory Effect , 簡(jiǎn)稱為SME）。研究表明 ,很多合金材料都具有SME, 但只有在形狀變化過(guò)程中產(chǎn)生較大回復(fù)應(yīng)變和較大形狀回復(fù)力的， 才具有利用價(jià)值。通常，這類(lèi)材料與普通金屬材料相比具有偽彈性，良好的抗震性及適應(yīng)性等優(yōu)異特性。

    形狀記憶效應(yīng)（SME）

    對(duì)于普通金屬合金而言，當(dāng)材料受到低于其屈服強(qiáng)度應(yīng)力作用時(shí)，材料只會(huì)發(fā)生彈性變形，即當(dāng)外力撤掉后材料依然能夠恢復(fù)到原來(lái)的形狀。但是當(dāng)材料受到高于屈服點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)，材料會(huì)發(fā)生塑性變形，即在撤掉外力的作用下，材料依然不會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的形狀而發(fā)生永久變形。而形狀記憶合金產(chǎn)生塑性變形后， 加熱到某一溫度之上， 能夠回復(fù)到變形前的形狀， 即具有形狀記憶效應(yīng)（SME）。

    （a）單程記憶效應(yīng)（b）雙程記憶效應(yīng)（c）全程記憶效應(yīng)

    形狀記憶效應(yīng)通常分為單程記憶效應(yīng)，雙程記憶效應(yīng)及全程記憶效應(yīng)。具有形狀記憶效應(yīng)（SME）的金屬通常是由兩種以上金屬元素組成的合金。目前，已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出的形狀記憶合金有鐵鎳基形狀記憶合金，銅基形狀記憶合金，鐵基形狀記憶合金。

    形狀記憶原理

    單程記憶效應(yīng)二維宏觀圖

    單程記憶效應(yīng)二維微觀圖

    SME通過(guò)SMA材料母相和子相之間的相互轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)。通常， 高溫相為母相， 合金中的晶體結(jié)構(gòu)主要是奧氏體。低溫相為子相， 晶體結(jié)構(gòu)主要是馬氏體。奧氏體晶體結(jié)構(gòu)通常是體心立方結(jié)構(gòu)，馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)是斜立方體， 它與奧氏體的區(qū)別類(lèi)似于正方形和平行四邊形。

    我們這里以單程記憶效應(yīng)為例結(jié)合晶體學(xué)理論知識(shí)闡述形狀記憶效應(yīng)的原理。我們將三維晶體結(jié)構(gòu)模型抽象成二維模型，如上圖所示。母相奧氏體在冷卻過(guò)程中發(fā)生馬氏體相變，馬氏體相變是一種移位型相變過(guò)程中， 沒(méi)有原子的大范圍移動(dòng)。通過(guò)局部原子重排， 晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成更為穩(wěn)定的狀態(tài)， 固體化學(xué)成分不變，而形成孿晶馬氏體。孿晶馬氏體在外載荷作用下晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生滑移而形成另一種晶體結(jié)構(gòu)，這種晶體結(jié)構(gòu)不再具有孿晶馬氏體的特征，只是它的一種結(jié)構(gòu)變體，晶格類(lèi)型依然是斜立方體。在隨后的對(duì)變形后的馬氏體加熱過(guò)程中，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，奧氏體僅以立方晶格形式存在， 不表現(xiàn)孿晶性質(zhì)， 因此只支持一種宏觀外形即“ 記憶”的形狀。這就是SME的晶體學(xué)原理。

    形狀記憶效應(yīng)的特性

    1、非線性

    形狀記憶效應(yīng)的非線性主要是指形狀記憶合金在拉伸作用下，合金的加熱與冷卻曲線并不重合，從而形成遲滯。如果加熱與冷卻曲線不存在重合部分，則成為主遲滯，如上圖3-1-3.如果加熱與冷卻曲線存在部分重合，則稱為次遲滯，如曲線3-2-1，3-4-1。經(jīng)歷多次部分熱循環(huán)后 , 遲滯會(huì)發(fā)生移動(dòng)。

    2、熱力學(xué)特性

    形狀記憶合金在拉伸過(guò)程中表現(xiàn)出的應(yīng)力應(yīng)變曲線與普通金屬合金有較大的差異，在不同溫度狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變曲線也會(huì)發(fā)生顯著差異，這主要是因?yàn)樵诶爝^(guò)程中晶格變換及存在的相變過(guò)程。

    形狀記憶合金發(fā)展史

    1932年，瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到“記憶”效應(yīng)；

    1938年，哈佛大學(xué)研究人員在銅鋅合金中發(fā)現(xiàn)熱彈性效應(yīng)，但未被重視；

    1963年，美國(guó)海軍機(jī)械研究所宣布在NiTi合金絲中發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)；

    1969年，鎳-鈦合金的“形狀記憶效應(yīng)”首次在工業(yè)上應(yīng)用；

    1969年7月20日，美國(guó)將鎳-鈦形狀記憶合金材料制成天線帶上月球；

    我國(guó)與上世界80年代開(kāi)始研制，雖然起步較晚，但截止到現(xiàn)在已經(jīng)形成鎳鈦基，銅基及鐵基形狀記憶合金系列。

    形狀記憶合金的專利

    預(yù)計(jì)2019年形狀記憶合金及記憶材料相關(guān)的領(lǐng)域US專利數(shù)將達(dá) 25000+，專利主要集中于生物醫(yī)療領(lǐng)域，占比高達(dá)61%。

    形狀記憶合金應(yīng)用

    目前，形狀記憶合金主要應(yīng)用在航空航天及其他工業(yè)，生物醫(yī)學(xué)及日常生活領(lǐng)域。

    航空航天

    利用形狀記憶合金制作而成的宇宙天線，在低溫下壓縮成一個(gè)小鐵球，它的體積僅為原來(lái)的千分之一，這樣很容易被送上月球等其他星球，在強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射下，天線溫度升高而恢復(fù)到原來(lái)的形狀，從而能夠正常工作向地球發(fā)送回寶貴的宇宙信息。

    其他工業(yè)

    利用形狀記憶合金制作而成的形狀記憶合金彈簧應(yīng)用于熱敏元件而提高元件的敏感度。此外在管接頭和緊固件上 ,低溫時(shí)管內(nèi)端擴(kuò)大4%，然后裝配鏈接在一起，再經(jīng)高溫加熱管道恢復(fù)到原來(lái)的形狀而實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接。

    生物醫(yī)學(xué)

    Ni -Ti 合金是醫(yī)用生物材料的佼佼者， 在臨床醫(yī)學(xué)和醫(yī)療器械等方面廣泛應(yīng)用。如介入醫(yī)療 ,將各類(lèi)人體腔內(nèi)支架、經(jīng)過(guò)預(yù)壓縮變形后 ,能夠經(jīng)過(guò)很小的腔隙安放到人體血管、消化道、呼吸道等各種狹窄部位 ,支架擴(kuò)展后，在人體腔內(nèi)支撐起狹小的腔道 .具有療效可靠 、使用方便 、可大大縮短治療時(shí)間和減少費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。另外，手術(shù)縫合線、牙齒矯形絲 、腦動(dòng)脈瘤夾、髓內(nèi)針 、人工關(guān)節(jié)、避孕環(huán)、人造心臟、人造腎臟用微型泵等都已進(jìn)入醫(yī)療臨床試用 .

    日常生活

    在日常生活領(lǐng)域形狀記憶合金制作而成空調(diào)百葉板，浴室水管水溫的控制閥門(mén)，暖氣片的控溫閥門(mén)以及消防器的閥門(mén)都可以使用形狀記憶合金制作，另外還有我們平時(shí)戴的眼鏡，吃飯時(shí)的飯勺等等也都可以使用形狀記憶合金。

    不久的將來(lái) , 汽車(chē)的外殼也可以用記憶合金制作 .如果碰癟了，只要用電吹風(fēng)加加溫就可恢復(fù)原狀 .用形狀記憶合金研制的發(fā)動(dòng)機(jī)不需燃料，也不耗費(fèi)電力，僅僅需要相關(guān)幾十度的水 .且其工作全過(guò)程既不排放廢液又不消耗能源， 今后完全有可能研制出實(shí)用的形狀記憶合金熱機(jī) , 屆時(shí)世界的能源結(jié)構(gòu)將因此而改變 .由形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器人， 可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的微型化和智能化。