形狀記憶合金的研究現狀及應用

■謝海峰 裴 松 鄭 旋

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy,SMA)是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經塑性形變并固定成另一種形狀后,通過加熱到某一臨界溫度以上又可恢復成初始形狀的一類合金。形狀記憶合金具有的能夠記住其原始形狀的功能稱為形狀記憶效應(Shape Memory Effect,SME)。形狀記憶合金作為一種特殊的新型功能材料,是集感知與驅動于一體的智能材料,因其功能獨特,可以制作小巧玲瓏、高度自動化、性能可靠的元器件而備受矚目,并獲得了廣泛應用。

一、形狀記憶合金的發展歷史與現狀

在金屬中發現形狀記憶效應最早可追溯到20世紀30年代。1938年,美國的Greningerh和Moora2dian在Cu2Zn合金中發現了馬氏體的熱彈性轉變。隨后,前蘇聯的Kurdiumov對這種現象進行了研究。1951年,Chang和Read在Au24715at%Cd合金中用光學顯微鏡觀察到馬氏體界面隨溫度的變化而發生遷動。這是最早觀察到金屬形狀記憶效應的報道。數年后,Burkhart在In2Ti合金中觀察到同樣的現象。

二、形狀記憶合金研究

目前已投入實用的形狀記憶合金主要有鎳一鈦系、銅系和鐵系或不銹鋼系三大類。

1.鎳一鈦系形狀記憶合金。鎳一鈦系合金是形狀記憶合金材料中性能最優越而且用途最廣的一種。鎳一鈦系合金的延展性、形狀記憶強度、應變、耐蝕性、電阻及穩定性均較好,但其成本較高。這類合金的形狀記憶行為有單向和雙向兩種,其呈現記憶行為的溫度范圍可借助合金的改良而加大或縮小。

2.銅系形狀記憶合金。銅系形狀記憶合金比鎳一鈦記憶合金更便宜且容易加工成型,因此頗具發展潛力。但銅系形狀記憶合金的強度不如鎳一鈦記憶合金,反復受熱的形狀記憶能力也衰減較快。

三、形狀記憶合金應用

1.醫療應用。自1978年以來,我國對TiNi形狀記憶合金及其制品進行了廣泛的耐蝕性實驗、生物毒性試驗,結果表明TiNi合金具有良好的生物相容性,而且在各種生理溶液或介質中具有良好的耐腐蝕性,用其制成的各種制品植入人體后,未發現有排異性反應或出現炎癥。

2.工程應用。現在形狀記憶合金在工程領域已經得到廣泛的應用。應用范圍從精密復雜的機器到簡單的連接件、緊固件,從節約能源的形狀記憶合金發動機到電流保護器管處處可見,反映了形狀記憶合金的奇異性能及小巧、靈活的特點。

四、我國形狀記憶合金產業化現狀

我國的記憶合金產業，經過近30年的市場培育，已由20世紀90年代的小作坊式的生產進入迅猛發展的產業化階段。我國從事記憶合金應用研究的單位較多，其中具有較好研究基礎的有北京有色金屬研究總院、哈爾濱工業大學、中科院沈陽金屬所、西北有色金屬研究院、北京航空航天大學、上海交通大學等。這些科研機構對推進我國記憶合金產業的發展起到了至關重要的作用。我國記憶合金市場需求逐年遞增，產業規模逐年增大，以TiNi合金為例，1999年我國年銷售量僅有1t多，2002年全年銷售量達9t，2007年達40t，且預計近幾年每年將以不低于25%～30%的速度增長。

五、存在的問題與發展趨勢

在SMA的研究和應用中,目前尚存在許多有待解決的問題,幾個典型的問題如下：（1）由于SMA的各種功能均依賴于馬氏體相變,需要不斷對其加熱、冷卻及加載、卸載,且材料變化具有遲滯性。（2）SMA自身存在損傷和裂紋等缺陷,如何克服這些缺陷,改善材料性能是當前迫切需要解決的問題。（3）現有的SMA機構模型在實際工程應用中都還存在一些缺陷,如何克服這些缺點,從而精確地模擬出SMA的材料行為也是一個需要研究的重要課題。（4）在醫學應用方面,還需繼續研究SMA的生物相容性和細胞毒性。（5）SMA作為一種新型功能材料,其加工和制備工藝較難控制,目前還沒有形成一條SMA自動生產線,此外材料成本也相當昂貴。（6）為了提高應用水平,SMA元器件還需要進一步微型化,提高反應速度和控制精度,在這方面仍有許多工作要做。

記憶合金元件的小型化、智能化、大型化是元件設計的不同方向。一方面受國內的條件制約，另一方面也面臨著國外企業的激烈競爭，我國的記憶合金產業還在以下幾個方面亟待加強。

第一，進一步提升技術水平，縮小與國際先進水平的差距。

第二，強化記憶合金標準化和知識產權和商業秘密保護工作。

第三，加強行業自律，建立合理價格體系。SMA研究今后的發展方向和趨勢可歸納為以下幾方面:

（1）充分發掘、改進和完善現有SMA的性能；（2）研究開發新的具有形狀記憶效應的合金材料；（3）SMA薄膜的研究與應用；（4）SMA智能復合材料的研究與開發；（5）高溫SMA的開發。

六、結論

隨著形狀記憶合金這一功能材料的不斷發展，其應用范圍還將進一步擴大，涉及運輸，建筑，滑雪，家電以及日常生活用品等產業界的大部分領域。隨著記憶合金工程應用需求的增長，將促進新型記憶合金的開發研究，使記憶合金逐漸向多品種，專業化方向的發展。特別是隨著記憶合金品種的日益增多，新興的適合工程推廣應用的寬滯后記憶合金，廉價的便于加工制造的實用化新型鐵基形狀記憶合金的出現,及不斷創新的制造方法在形狀記憶合金生產中的運用,必將有力地推動記憶合金工程應用的深入發展。

[1]楊杰，吳月華.形狀記憶合金及其應用[M].合肥:中國科學技術大學出版社,1993.