形狀記憶合金及其應用

董天宇

（成都市第七中學高新校區，四川 成都 610000）

目前記憶合金由于其特殊的形狀記憶特性受到了科學家和廣大人民群眾的關注。20世紀在一次美國海軍兵器研究所例會上，偶然地發現了鎳鈦合金的形狀記憶效應，通過科學家的深入研究發現了數十種具備這種效應的合金材料，從此以后記憶合金應用于航天航空，生物醫學，土木工程等各個領域。它還被譽為“活的材料”，由于其巨大的發展潛力，因此本文對形狀記憶合金做一定的探討。

1 形狀記憶合金的原理和特性

形狀記憶效應是指在低溫狀態下對合金施加外力導致其發生塑性變形，通過加熱到達一定溫度后（As），合金會恢復到原來高溫狀態下的形狀，我們把這種效應稱之為形狀記憶效應。形狀記憶效應是由于合金在高低溫轉變時發生了兩次相變，先由奧氏體（母相）轉變為馬氏體相，再由馬氏體相逆變為奧氏體。

形狀記憶合金進行熱加工和冷加工均可，其熱加工成型性好且本身也容易焊接。它還具有抗腐蝕性，抗疲勞性，高比強度，耐磨性等諸多優良特點。

形狀記憶合金的特性主要分為四類

（1）單程記憶效應：奧氏體到達馬氏體轉變溫度Ms時發生相變轉化為馬氏體，馬氏體到達奧氏體轉變溫度As時發生相變轉化為奧氏體，在馬氏體轉化為奧氏體的逆變過程中會恢復到奧氏體相的原有形狀，這種效應只能記憶高溫相的形狀。

（2）雙程記憶效應：雙程記憶效應是由于在馬氏體相情況下，施加外力使合金發生形變產生了位錯和一些不可逆的塑性形變，在加熱時，馬氏體相中可逆部分逆變為奧氏體相，恢復到高溫相的形狀，冷卻時，在位錯的影響下，形成一定的馬氏體，恢復到低溫相的形狀，這種效應被稱為雙程記憶效應，既可記憶高溫相的形狀，又可記憶低溫相的形狀。

（3）全程記憶效應：全程記憶效應在加熱時與單程記憶類似，但在冷卻時時，其恢復的形狀與原有形狀相同，但取向相反。

（4）超彈性效應：對于形狀記憶合金，溫度和應力都能引起合金內部發生相變，在較低溫度下，對合金施加載荷后，合金發生形變，卸載后合金由馬氏體逆變為奧氏體，恢復原始形狀。

2 形狀記憶合金的分類及其性能比較

形狀記憶合金常常按照基體的種類來分類，主要分為鎳鈦基，銅基和鐵基形狀記憶合金。

（1）鎳鈦基 鎳鈦合金的主要優點在于疲勞壽命長，具有生物相容性并且機械性能優越，因此這種材料長作為執行機構的記憶材料，也在生物醫學方面有很大的應用前景。其中Ni-Ti、Ni-Ti-Cu、Ni-Ti-Fe最為常見。

（2）銅基 銅基相比于鎳鈦基來說，具有許多優勢，首先是價格便宜，其次銅基的制作工藝更加簡易，熱加工性良好，它的導熱導電性相對鎳鈦基來說更高，在通信工程，機械制造，建筑行業有一定優勢。其中典型的有Cu-Zn-Al、Cu-Al-Ni、Cu-Al-Mn。

（3）鐵基。鐵基形狀記憶合金不同于以上兩者，其記憶效應是通過應力誘發導致的馬氏體正逆變換。鐵基價格低廉，強度高，加工塑性好，但形狀記憶效應相對較差。對新型鐵基記憶合金材料的開發如Fe-Ni-Co-Al-Ta-B，使鐵基記憶合金擁有更廣泛的應用前景。

3 形狀記憶合金的應用

形狀記憶合金特性多種多樣，因此其應用也較為廣泛，以下選取一些典型應用進行詳細說明。

（1）鎳鈦基形狀記憶合金制作航天天線。制作天線主要應用它的形狀記憶效應的特性，在常溫下將天線變形裝入運載器中，進入太空環境后，利用太陽輻射或其它熱能，將天線加熱恢復到最初在地面設定的形狀。

（2）管接頭。形狀記憶合金管接頭主要用于石油管道等其他方面，普通焊接操作困難，且密封性較差，而形狀記憶合金不僅可以利用形狀記憶效應連接管道，操作簡易，密封性良好，其本身耐腐蝕性，耐磨性優良，更能勝任這類工作。

（3）火災報警器。在特定溫度下將記憶合金元件設置為一對應形狀，當發生火災時，合金恢復到原狀帶動其他元件工作并進行火災報警及定位。這種方法有點在于不需要其他驅動能源供給普通溫度傳感器工作，穩定性更好。

（4）微型機械手制造。形狀記憶合金可以將溫度的變化轉換為力，在機械手中的作用與人體手臂中肌肉的作用相似，通過控制電流的通斷來控制溫度變化從而控制合金的伸縮，這種機械手結構更簡潔，緊湊，仿真性好，但工作中可能受外界環境溫度影響較大。

（5）記憶合金發動機。這種裝置對于回收利用低質能源（如冷卻水）有較大意義，實驗中利用記憶合金鏈條的不同部位同時置于溫水和冷水中，從而產生伸縮力，伸縮力帶動其他做功部位進行做功。達到這種低質能源的利用。

（6）牙齒矯正絲。在生物醫學領域用到的記憶合金大多為鎳鈦合金，因為這種合金有無毒低毒性耐蝕性和良好的生物相容性。用為牙齒矯正絲時一般采用超彈性材料，超彈性材料彈性范圍很大，又因為其力與材料的彎曲程度并不成線性關系，在彎曲程度有變化的情況下，矯正力也不會發生太大變化，而普通材料，不僅對于醫者要求的操作難度較高，而且對于患者的舒適感相比超彈性材料也較差。

（7）消振器。對于一般消振材料當消振效果好時，其強度往往較低，這兩者往往無法兼得，而形狀記憶合金不僅消振效果好，強度也很高，相比其他材料有著明顯優勢。

4 形狀記憶合金的發展趨勢及發展阻礙

近年來記憶合金的研究與應用發展迅速，如鎳鈦基合金在醫學骨科中的應用，對薄膜形狀記憶合金的研究以及記憶合金在變厚度機翼上的應用等。但是形狀記憶合金的發展道路也并不是一帆風順下列出幾個發展之中的阻礙：①生物醫學中常采用鎳鈦合金，雖然其具有良好的生物相容性和無毒低毒性，但始終無法保證對人體的絕對安全，在治療安全方面需要進一步研究。②在馬氏體的反復正逆轉變中會不可避免導致材料損傷，如何降低相變過程中的損傷提高材料的疲勞壽命是一件值得研究的課題。

5 結語

未來人民生活的進步必然與科技的發展緊密相關，而形狀記憶合金作為一種新型的有巨大發展前景的功能材料必然會在未來的科學世界中大放異彩。但回到現實，記憶合金的發展仍然任重道遠。記憶合金的功能和應用領域還有待我們去發現和挖掘。相信在未來的生活中，記憶合金會使社會得到更大的發展，讓人們得到更多的便利。