形狀記憶合金及其復合材料的應用*

徐立丹，趙繼濤，史明方，張翔宇，王振清

（1.內蒙古科技大學 土木工程學院，內蒙古 包頭014010；2.攀枝花學院 土木與建筑工程學院，四川 攀枝花617000；3.哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱150001）

1 形狀記憶合金

智能材料和自愈材料等新一代材料在當今時代得到越來越多的應用。形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，SMA），屬于智能或智能材料的范疇。形狀記憶合金或智能合金最早是由?lander[1]在1932年發現的，“形狀記憶”一詞最早是由Vernon[2]在1941年用來描述的他的聚合物牙科材料。1963年，Buehler[3]揭示了鎳鈦（NiTi）合金中的形狀記憶效應（Shape memory effect，SME），由此，形狀記憶材料（Shape memory material，SMMs）的重要性才被認識。它也被稱為鎳鈦諾。基于SMA獨特的記憶效應，SMA在工程和技術中的應用逐漸增加。

2 形狀記憶合金的特性

SMA作為一種感知驅動的創新智能材料，因其獨特的形狀記憶效應（SME）、超彈性（SE）、良好的抗疲勞、耐腐蝕能力和生物相容性，被廣泛應用于電子儀器、汽車工業、醫療設備和工程控制等領域。SME是指一種具有一定初始形狀的合金，在低溫下進行塑性變形，固定成另一種形狀，然后在一定的臨界溫度以上加熱，再恢復到原來的形狀。SE表現為在載荷作用下，SMA的變形恢復能力要強于絕大部分金屬材料，具有比一般金屬大得多的變形恢復能力，也就是說，在卸載過程中，SMA產生的大應變會逐漸恢復，基本不存在塑性應變[4-6]。

3 形狀記憶合金的應用

現今，SMA的種類越來越多，其中Fe基、Cu基和NiTi基合金應用領域最為廣泛。除了具備SME和SE之外，還具備優異的生物相容性、耐蝕性、電阻特性、高回復力、高阻尼特性、耐磨性和機械性能等，被廣泛應用于生物醫療、橋梁建筑、機械電子、航空航天和日常生活等諸多領域[6-7]。

3.1 在航空航天領域中的應用

F-14戰斗機液壓系統的管接頭是最早由NiTi合金制作的部件，美國海軍飛機上使用此類管接頭超過35萬個，至今未發現失效管接頭。F15E“攻擊鷹”是一種被構想用來完成各種任務的戰斗機。SMA被用來旋轉進氣道罩，以改變空氣流動截面。除了推進系統外，SMAs還可用于適應提升體和變形機翼結構。SMA元件在氣動結構中的集成已成為眾多研究的熱點[7]。此外，形狀記憶合金材料還應用于星箭自動解鎖機構、均載連接件、衛星儀器窗門自動啟閉器和航天飛機傘形天線等結構。近些年來，NiTi合金傳感/驅動元件被用于飛機機翼、進氣道結構和機翼結構的控制。可以預見，這類具有自適應能力的結構在航空航天領域的應用是十分廣闊的。

SMA驅動器可以用于構建更安全、更輕、復雜度更低的系統，并與未來的電動飛機概念相兼容。通過調整形狀記憶合金（SMA）執行器的溫度，設計出能夠實現預定目標形狀的智能可變形航空結構[8]。

3.2 在機械電子領域中的應用

許多連接件和緊固件都采用NiTi合金制備，如：緊固鉚釘/銷釘、連接套筒等，緊固銷釘連接件也能夠在全封閉構件中使用。感溫驅動元件也可以采用能夠自動控制的NiTi合金，如：NiTi熱變形率（TVR）彈簧用于調節自清潔烤箱開門，家用安全裝置控制熱水、自動變速器的換檔、工業安全閥，還有自動百葉窗、火災報警器、淋浴混水閥、電熱水壺手柄控制器、氣體管道防火閥、汽車中節溫器、空調風向調節機構、霧燈保護罩風扇離合器等[9-10]。

3.3 在工程建筑領域中的應用

利用SMA制成的重新定心裝置對結構進行抗震保護，是超越基于性能設計的一種新的范式轉變。SMA材料的阻尼能力和高可恢復應變（8%-10%）的特性[11-12]使其可用于土木結構的動態荷載防護系統。鑒于NiTi合金優異的高阻尼特性和偽彈性，NiTi合金被用來制作隔振減震裝置和阻尼耗能裝置，用來降低高層建筑或橋梁受臺風或地震載荷的影響。利用形狀記憶合金的偽彈性性能和動阻尼特性，形狀記憶合金被用于被動控制結構受地震影響，起到抗震的作用。應運于結構振動的主動阻尼控制等。SMA在大應變循環下具有較高的抗疲勞性能。SMA密度低。SMA可用于鋼筋混凝土結構，特別是在關鍵位置，如塑性鉸區域，在地震中該區域會有更多的破壞。

Fe基合金是土木工程應用中比較廣泛的材料。Fe基合金表現出與NiTi合金相同的馬氏體相變是熱彈性相變，導致晶格畸變，但沒有原子擴散，除了脫孿過程外，兩種合金的晶體結構發生了變化。近年來，SMA合金的應用主要用于結構的修復。近表面安裝的SMA在提高梁的抗彎強度方面已被證明是成功的。這是一種提高極限荷載下抗彎強度的被動加固方法[13]。

3.4 在生物醫療領域中的應用

NiTi形狀記憶合金是記憶合金中綜合性能最好的一種。NiTi記憶合金不具有毒性而且具有良好的組織相容性和生物退變性，這為NiTi記憶合金應用于生物醫療領域奠定了基礎。此外，NiTi記憶合金強度高、比重低、磁性低，還具有耐磨損、耐腐蝕、耐疲勞等特性[14]，因此被廣泛應用于醫療器械中，如矯齒絲、騎縫釘、髕骨爪、骨卡環、脊柱矯形棒、人工關節、心臟起搏器、血栓濾器、介入支架等[15]。

3.5 在日常生活領域中的應用

日常生活中NiTi合金依然常見，如手機天線、耳機頭套、形狀記憶合金勺、眼鏡框架、釣魚絲線等。即使眼鏡框發生大變形，NiTi合金也能夠保持鏡片牢固，且更舒適耐磨。

4 形狀記憶合金復合材料及其應用

4.1 形狀記憶合金復合材料

形狀記憶合金增強復合材料SMARC是通過化學和物理的復合工藝（如澆注、碾壓、膠合等）將基體材料與一定塑性變形的SMA元件復合制備而成[16]。SMA元件可以制備成絲、顆粒、薄板、薄膜等形狀。

4.2 形狀記憶合金復合材料的應用

目前，越來越多的學者注意到將智能材料應用在復合材料結構中可以有效提高復合材料結構的性能。其中，智能材料SMA在土木工程、機器人、航空航天、醫療和工業等眾多領域中應用已經取得了一定的成果。

在航空航天領域中，SMA增強聚合物復合材料在與航空航天、汽車和能源收集相關的系統的主動形狀和振動控制方面具有巨大的潛力。將SMA絲增強成復合材料的主要動機是通過熱機械以及電/磁刺激來主動改變復合材料的剛度或彈性。SMA增強復合材料能夠適應其形狀，利用形狀記憶效應和SMA的SE特性，提高復合材料的比強度、減振和自愈能力[17]。可彎曲變形的SMA智能復合材料是變體機翼的熱門材料。

在土木工程領域的應用中，SMA作為一種新型智能材料被引入到混凝土結構中，使混凝土結構具有了自修復功能。形狀記憶合金混凝土結構的加入可以有效改善混凝土結構的動力性能，同時使混凝土結構增加了控制甚至修復裂縫的能力。當混凝土結構在載荷作用下出現裂縫時，利用SMA的電阻特性，可以采用通電方式激勵SMA使其產生形狀記憶效應。變形恢復受限時SMA就會產生恢復應力，即受限的SMA會對裂縫施加的壓應力抑制裂縫的擴展，使裂縫變小甚至閉合，從而實現對裂縫的自修復[18]。與此相似，將SMA絲材與瀝青混合料復合也能夠顯著提高車轍試樣的變形恢復率。

SMAs以條和條的形式，可以作為預應力元素在新的鋼筋混凝土（RC）成員或用于加強現有的鋼筋混凝土結構，預應力SMA本身可以作為預應力鋼筋用于鋼筋混凝土梁的抗彎加固和鋼筋混凝土柱的主動約束。

5 結束語

雖然SMA的種類越來越多，卻未有針對性的規劃，應對不同領域的應用開發最適合的合金，在減少成本的基礎上提高利用率。

由于SMA的造價過高，工程領域不能夠廣泛應用，鐵基合金雖在工程領域應用甚多，卻仍然存在局限性。

由于SMA特性很多，并不會都利用充分，開發新型SMA針對不同的應用領域，可以針對性提升某一特性，適應各種相變溫度與應用環境，減少材料特性浪費。降低生產成本，提升使用性能，形成產業化生產，提升SMA的利用率，尤其在土木工程領域，SMA能夠增強結構的抗震性能，并能夠修復結構裂縫，很大程度上減少結構事后成本。