淺論SMA記憶合金

蘇 賢 徐 婷 陳語林

（南京工程學院 建筑工程學院，江蘇 南京 211167）

SMA記憶合金是一種全新的功能性材料，自1932年被發現至今，很多人對其特性尚不了解，認為它是一種高昂的且應用范圍很窄的材料。其實不然，它的“智能性”可以被應用在醫療、建造、生活等各個方面。它的特殊性能能解決很多傳統材料無法解決的問題。例如在建造領域，一些對抗震要求很高的地區，有時是很難將傳統的抗震建筑材料運用其中，因為可能會存在環境破壞、運輸困難等問題，但這些都能利用SMA記憶合金有效解決。據資料顯示SMA記憶合金的極限應力可達1000MPa，恢復應變為8%左右[1]。因此利用SMA記憶合金的不同特性，加上其較高的極限應力，可在建筑結構中進行自我監測并能在地震發生時減少地震效應，有利于延長建筑的使用壽命，有效減少震害，對地震頻發地區尤其有利。

1 SMA記憶合金的分類

所謂記憶合金就是當記憶合金受到外力變形后，在加熱條件下可以恢復到原來的形狀，這種具有記憶特性的合金被人們稱為記憶合金。具體的類型有：Au-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、Ag-Cd、In-Ti、Au-Cu-Zn、NiAl、Fe-Pt、U-Nb和Fe-Mn-Si等，而SMA記憶合金按形狀記憶效應可分為以下三類。

1.1 不可逆形狀記憶效應

SMA記憶合金在受力變形后，在加熱條件下可使得其恢復高溫相形狀，但是冷卻后卻不能使其恢復低溫相形狀。這種僅在高溫狀態下使得合金形狀改變的現象稱為不可逆形狀記憶合金效應，又稱單程記憶效應。

1.2 可逆形狀記憶效應

顧名思義，即可以根據溫度高低自由可逆的變換到原來的形狀，又稱雙程記憶效應。

1.3 全程型記憶效應

SMA記憶合金受力變形后，對其加熱時可使其恢復高溫相形狀，但冷卻時卻變為形狀相同、取向相反的高溫相形狀[2]。

2 SMA記憶合金的價格趨勢

SMA記憶合金從1932年被發現至今，隨著我國對其不斷的深入研究，SMA記憶合金在我國各行各業的應用范圍已經進一步擴大。想要在各領域使用廉價的SMA記憶合金已經不再是癡人說夢。近年來，國內的記憶合金行業均價整體呈下降趨勢，據《智研咨詢》整理顯示：國內記憶合金均價從2011年的66.8萬元/噸，下降到2017年的58.2萬元/噸。據資料顯示我國SMA記憶合金行業的價格主要受材料成本、人工成本、制造費用的影響。拿2017年舉例，制造費用占記憶合金生產成本的27%，材料成本占62%，人工成本占11%。

不僅如此，從《智研咨詢》發布的《2019-2025年中國形狀記憶合金行業投資分析與投資決策咨詢報告》數據可知：2018年該行業價格將達到58.5萬元/噸，預計到2024年可達60.8萬元/噸，且從2018-2024年行業均價呈逐年上升趨勢，且極有可能依舊上升。相對于賣方市場來說，價格的上升導致利潤的提升，促使更多人加入這個行業中，對于買方市場而言，價格總體雖然呈上升趨勢，但上升幅度不大，在能夠承受的范圍之內，因此買方市場規模不會縮小。

3 SMA記憶合金抗震性的應用

SMA記憶合金有兩方面特性，分別是獨特的形狀記憶特性和相變超彈性性能特性,這兩種特性使得它擁有較大的恢復應力和恢復應變，并能夠廣泛的運用到結構當中。由于SMA記憶合金的高彈性模量以及對抗壓力、拉力、剪切荷載具有相同的阻尼系數，這使得它較其他的傳統阻尼材料更有優勢且更易于應用于結構中。方法如下：首先，將SMA記憶合金埋置于結構當中，當結構振動時，可利用其特性進行主動控制和監測；其次，因為記憶合金的高溫奧氏相和低溫馬氏相的剛度有所不同，可在振動時對結構進行頻率調整和改變。不僅如此，利用SMA記憶合金內部有很大內摩擦，因此可將其設計成智能隔震器并應用于土木工程的結構設計中。其原理是先對SMA記憶合金預加荷載，使其接近彈性極限附近，然后將其連同其他建筑材料埋于地基中，因此當地震發生時，SMA記憶合金就可以吸收和耗散地震時的能量，減少地震對結構的影響[3]。不僅如此還可以通過在傳統建筑的基礎上加入SMA記憶合金（如竹樓）來增加竹樓的抗震性（如圖1所示）。主要方法是通過確定竹子的有限離散點，并在該點處加增SMA記憶合金，那么當竹樓振動時，一方面利用SMA記憶合金高溫下的奧氏體與馬氏體彈性模量不同的特征（奧氏體高于馬氏體），通過對SMA記憶合金的加熱，使得竹樓的局部或整體剛度有所改變，進而改變竹樓的振動特性，降低竹樓的反應；另一方面也可以利用SMA記憶合金的塑性滯回變形耗能的特點來耗散振動時的能量，從而有效降低竹樓反應，減少破壞。

圖1 為竹子與合金的連接方式

4 SMA記憶合金的前景

SMA記憶合金作為一種還未廣泛運用的新型材料，它具有其他絕大多數材料所不具備的智能性和優越性。有著可以制作高度智能、性能優良的材料的絕佳優勢。在科技迅速發展的今天，各領域對新型智能材料的需求不斷增加，因此記憶合金的前景不可忽視，在將來它極有可能代替傳統材料應用于人們各方面的生產生活中。

同時隨著我國對記憶合金的不斷研究，其已經不是奢侈品類的新型材料，開始逐步的邁入人們的日常生活中。部分商品也逐漸開始利用記憶合金的“記憶性”來滿足人們的需求，如在眼鏡、汽車中的應用。

不僅如此，就建筑方面來說，記憶合金在建筑中的廣泛應用將使得該行業發展更為迅速，對于某些需要對建筑抗震性加強的地區，雖然傳統材料也能滿足抗震需求，但并不能解決所有問題。拿地震頻發的西雙版納地區而言，該處環境優美且多以竹樓為主要建筑，想要利用傳統鋼筋混凝土材料解決地震破壞的問題顯然很難行得通，那只能在傳統竹樓上進行改造。而SMA記憶合金的性能能有效解決這個問題，當然還需要依托技術以及其他材料的聯合使用。

此外，就上述的價格來說，2018年合金的每噸價格為50.8萬元，較之前已經有所減少，雖然預估后期價格會上升，但幅度不大。隨著技術的逐漸成熟，價格終究會降低，因此市場較為明朗。

當然這些所謂的市場還需要企業自己去創造，雖然利好消息較多，但存在的問題也很多，目前而言SMA記憶合金的技術也不算相當完善。各個企業需要吸取經驗，吸納新技能，對傳統的記憶合金進行改造，提高企業競爭力和自主創新能力，這才是擁有廣闊市場前景的制勝法寶。

5 結語

當地震發生時，SMA記憶合金的應用能有效降低結構的地震反應，一些對環境有特殊要求的地區，其相比于鋼筋混凝土等材料可以大大減少對環境的破壞。但目前而言，記憶合金應用于建筑的想法還未成熟，比如它的價格、技術的完善以及還需要大量的實驗來驗證此想法的正確性。當然這不是一朝一夕能夠解決的，需要各個企業聯合起來，共同實現這個目標。這個問題解決了，那么SMA記憶合金的市場也將被打開，市場前景不可估量，企業也會收獲利潤，以此相輔相成，這才是推動SMA記憶合金甚至行業發展的關鍵。