形狀記憶合金及其應用

摘要:形狀記憶合金是進幾十年發展起來的一種智能材料，由于其準確形狀記憶能力，它在很多領域得到了廣泛的應用。本文將簡要介紹形狀記憶合金的原理，控制理論和應用方向。

關鍵詞:形狀記憶合金； 形狀記憶效應； Ni-Ti合金

記憶合金是最早是1952年Chang和Read等人提出來的。他們在實驗中發現Au-Cd合金想變具有可逆性，之后在Cu-Zn合金中也發現了同樣的現象，當時影響不大，直到1962年Buehler等人在TiNi合金中觀察到了具有宏觀形狀變化的記憶效應，記憶合金才被人們所廣泛重視。之后，CuZn、CnAlNi、CuZnAl等合金中也發現了形狀記憶效應。

目前發現的記憶合金主要有三種：單程記憶合金、雙程記憶合金、全程記憶合金。其中單純記憶合金的記憶效應只存在于加熱過程中，即在較低溫度下變形后可以在加熱過程中恢復原有形狀，如月球車的拋物面雷達就是這種材料。雙程記憶合金是在加熱時恢復高溫時的形狀，在冷卻時恢復低溫時的形狀。全程記憶合金在加熱時恢復高溫時的形狀，在冷卻時得到形狀相同取向相反的低溫相形狀。

今天，在醫療和航空航天方面，記憶合金材料有著十分廣泛的應用，未來也將會發揮更大的作用。下面就將詳細介紹一下記憶合金材料。

1 形狀記憶合金的原理

金屬收到外力作用時會發生形變，金屬的形變分為彈性形變和塑性形變。彈性變形是當外力較小時，原子間距僅有微小的變化，在外力去除后能恢復原有形狀。塑性形變是但外力超過某一臨界值時，晶體劇烈變形，無法恢復。塑性形變有兩種，一種是晶體位錯滑移導致剪斷，另一種是孿晶變形或應力誘發馬氏體相變。形狀記憶合金就屬于馬氏體相變［1］。

如下圖8所示，在Af點以上母相區對材料施加應力時，母相會發生相變變形轉變為變形馬氏體相，變形馬氏體相在這個溫度區間是不穩定的，當應力去除后會發生逆轉變變回母相，恢復原來形狀。

當在Ms點以上Af點以下對馬氏體相施加應力時，馬氏體相發生相變轉變為變形馬氏體相，這種變形在應力去除后依舊存在，是穩定的。當Af點以上溫度加熱時，由于變形馬氏體相在這個溫度區間不穩定，又會恢復原來形狀。即產生了形狀記憶效應。2 幾種常見的Ni-Ti基形狀記憶合金

2.1 三元Ni-Ti基形狀記憶合金。 二元Ni-Ti形狀記憶合金機械性能優良、耐腐蝕性好、形狀記憶效應優良、彈性好，在不同的領域得到了廣泛的應用，但它存在一些不足之處，如相變溫度較低，對成分非常不敏感，這對其的應用是一個很大的限制。于是人們希望通過添加第三種元素來改善其性能，這便是三元Ni-Ti形狀記憶合金。

在二元Ni-Ti形狀記憶合金中添加鋁、銅、釩、鉻等可以提高其韌性、切削加工性等，在Ni-Ti-Cu系合金中添加磷、硼、硅等稀土元素可以顯著提高形狀記憶合金的恢復特性。

Ni-Ti-Cu形狀記憶合金是發展較早的一種形狀記憶合金，它相比其他三元Ni-Ti形狀記憶合金有更多的優越性能和應用前景。由于Cu的加入，Ni-Ti形狀記憶合金Ms點對成分的敏感性受到抑制，且相變的熱滯后明顯變窄［2］。作為機敏復合驅動材料，形狀記憶合金需要具備特殊的回復力特性。將Cu加入到Ni-Ti合金中可以改變Ni-Ti合金的回復力特征。對于Ni-Ti合金，當預應變增加時，回復力隨溫度升高的速率也隨之增大，而Ni-Ti-Cu合金卻正好相反，即當預應變增加時，回復力隨溫度升高的速率減小。冷變形對它們的相變溫度區間的影響也相反。

Ni-Ti-Hf形狀記憶合金是一種高溫型三元Ni-Ti基形狀記憶合金。由于一般的Ni-Ti形狀記憶合金的Ms溫度一般都低于80℃，因此這種材料能在100℃下使用，對于航空領域等工作溫度超過100℃的場合，一般的Ni-Ti記憶合金無法發揮作用。當用Hf替換部分的Ti時，合金的Ms點會提高，于是可以滿足高溫的場合。其他的高溫型三元Ni-Ti基形狀記憶合金還有：Ni-Ti-Zr形狀記憶合金、Ni-Ti-Pd形狀記憶合金等。

2.2 多孔Ni-Ti形狀記憶合金。 多孔Ni-Ti形狀記憶合金與生物的骨骼等硬組織在結構和力學特性上十分相似，因此其與生物組織有很好的組織相容性，在生物醫學方面有著十分重要的作用。

多孔Ni-Ti形狀記憶合金是一種金屬間化合物，一般含有Ni3Ti等顆粒狀脆性相彌散分布，這些相不具備形狀記憶功能，因此對合金的功能有著極大的影響。傳統的Ni-Ti形狀記憶合金組織致密，剛度和強度都遠遠超過了人體的骨骼，因此會產生應力遮蔽效應，導致骨質疏松甚至斷裂。而多孔Ni-Ti形狀記憶合金則可以通過改變材料的孔隙率和孔隙形狀與分布來改善其生物學性能，解決傳統Ni-Ti形狀記憶合金在生物組織匹配方面存在的問題［3］。但是目前制備出的多孔Ni-Ti形狀記憶合金在超彈性和力學性能上還不如傳統的致密Ni-Ti形狀記憶合金。并且由于其微結構使多孔Ni-Ti形狀記憶合金有更大的表面積，其Ni的釋放量比傳統的Ni-Ti形狀記憶合金大得多，而Ni對人體是有損害的，這是未來的多孔Ni-Ti形狀記憶合金需要克服的缺點。

3 形狀記憶合金性能研究

上面已經提到，形狀記憶合金有高溫相（母相）和低溫相馬氏體相，當形狀記憶合金在低溫時受力發生變形時，它將保持變形后的形狀直達被加熱后由馬氏體相轉變為母相，在母相區形狀記憶合金的變形將會恢復。三種最重要的形狀記憶合金是Ni-Ti基形狀記憶合金，Cu基形狀記憶合金和Fe基形狀記憶合金，其中Ni-Ti基形狀記憶合金是研究最多，應用最廣泛的一種形狀記憶合金。

形狀記憶合金在應用中受到的最大制約就是母相的轉變溫度過低，在二元Ni-Ti形狀記憶合金中，最高點母相轉變溫度Af為70℃，當第三種相加入后，母相轉變溫度將低于50℃，而很多的形狀記憶合金應用場合的工作溫度都要高于50℃，這極大的阻礙了形狀記憶合金的商業應用。

近些年來，人們進行大量的研究，希望通過添加合適的第三種元素來提高形狀記憶合金的母相轉變溫度。金、鈀、鉑已經被作為第三種元素加入到形狀記憶合金中并確實提高了其母相轉變溫度，但是這些元素價格太昂貴，而且對這些元素的需求量較大，因此不能滿足大部分應用場合。后來人們研究用鋯和鉿來代替Ni-Ti合金中部分的Ti的方法來提高母相轉變溫度。研究表明Ni-Ti基形狀記憶合金的母相轉變溫度隨Hf(鉿)的加入量而上升。變化曲線見FIGURE1所示。

Hf之所以能影響Ni-Ti基形狀記憶合金的母相轉變溫度，一方面是由于Hf的原子半徑大于Ti原子的半徑，用Hf替換Ti原子導致Ni-Ti-Hf合金晶格畸變，另一方面Hf原子的電子層結構與Ti原子不同。正是這些差異影響了母相轉變溫度。

4 形狀記憶合金控制原理及應用

4.1 形狀記憶合金控制原理。 文獻［5］提供了一個簡單的基于快速改變形狀記憶合金的線性溫度的控制策略。這個策略簡單、穩定，基于這個策略，形狀記憶合金線性控制可以變得十分準確。

形狀記憶合金的線性控制是與它的溫度直接相關的，而溫度是受到電路大小和環境冷卻條件影響的，可以用公式描述為：S（t)=f(C(t))，I(t))，其中(S(t))是形狀記憶合金的運動量，C(t)是冷卻條件，I(t)是輸入電路大小，如果不采用主動的冷卻方式，那么形狀記憶合金的運動量只能通過改變輸入電流大小來控制。考慮一種簡單的反饋條件方式，在任意時刻t，I(t)=I(t-1)+ΔI(t)=I(t-1)+K(t)e(t)，其中K(t)是反饋調節量，e(t)是誤差反饋量，e(t)=S*(t)-S(t)，其中S*(t)是期望的運動量，S(t)是實際運動量。當e(t)>0時，輸入電流應當增大一些，K(t)不能太小，不然電流可能會不足以快速加熱形狀記憶合金，為了調節的快速，直接讓電流達到材料允許的最大值。當e(t)<0時，輸入電路應當減小一些，讓形狀記憶合金溫度降低，運動量減小，同樣的，為了調節的迅速，直接讓電流為0［6］。

4.2 在航空方面的應用。 在航空方面形狀記憶合金一般用于機翼上，使機翼具有變形能力。這可以在很大程度上提高飛機的性能。由于飛機的機翼的設計都是只在某個特定的飛行條件下才具有最高效率，在其他飛行條件下效率會有所減低。如果采用形狀記憶合金，那么就可以實現連續的自適應翼面控制，以達到各種飛行條件下的最高效率。

文獻［7］中提到可以采用無鉸鏈翼結構實現機翼表明單元控制，這種結構是通過形狀記憶合金來驅動若干個可以彎曲的單元構成。通過組合驅動可以獲得均一、鳥翅狀及浴盆狀形狀，使機翼變形后的升力大幅提升。

4.3 在醫學方面的應用。 形狀記憶合金的穩定形狀記憶和超彈性特別適合作為人體骨骼植入材料，尤其是多孔Ni-Ti形狀記憶合金的多孔結構為新生骨組織的生長和體液的運輸提供了十分良好的條件。

此外，利用形狀記憶合金制作的腦動脈瘤夾可以夾住動脈瘤的根部，防止由于血液的流入導致動脈瘤壞死［8］。利用形狀記憶合金螺旋彈簧已經制作出了整體外徑只有2mm的醫用能動內窺鏡。

參考文獻

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［3］ 張新平，張宇鵬.多孔NiTi形狀記憶合金研究進展【J】.材料研究學報，2007，21(6)：561-568

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［5］ G. Song， V. Chaudhry， and V. Batur， “Precision tracking control of shap memory alloy actuators using neural networks and sliding-mode based robust controller”，Smart Materials and Structures， 2003，Vol.12， pp.223-231

［6］ Fujun Peng， Xinxiang Jiang， Yanru Hu， Alfred Hg， “Application of Shape Memory Alloy Actuators in Active Shape Control of Inflatable Space Structures”， Aerospace Conference， 2005，pp.1-10

［7］ 于東，張博明，梁軍，戴福洪，形狀記憶合金在航空工業中的應用研究進展【J】.金屬功能材料，2007，14(6)：27-32

［8］ 潘鈺嫻，樊琳，形狀記憶合金的研究與醫學應用【J】.蘇州大學學報，2002，22(2)：65-68