形状记忆合金及其应用研究进展

2017-07-27 10:16:38 作者：本网发布来源：知网分享至：

形状记忆合金（ Shape Memory Alloys ，简称SMA ）是具有形状记忆效应（ Shape Memory Effect ，简称 SME ）、超弹性（ Superelasticity ，简称 SE ）和髙阻尼性的功能材料。该合金可感知温度变化并能将热能转换成机械能，对外输出力、位移或储存并释放能量。经过多年的开发与应用研究， SMA 及其应用得到了长足发展。本文旨在论述 SMA 及其应用研究进展，并探讨其今后的发展方向。

1 SMA 的发展

自 Olander 于 1932 年在 Au-Cd 合金中首次发现 SME 以来，经过 80 多年的研发， SMA 已发展成为普通 SMA 、高温 SMA 、磁性 SMA 和复合 SMA等 4 大类 100 多种（见表 1 ）。

1.1 普通 SMA

普通 SMA 主要包括 Ni-Ti 基、 Cu 基、 Fe 基、 Ag基、 Au 基、 Co 基 SMA 等，其中， Ni-Ti 基 SMA 性能最好，应用最广。

Ti-Ni 基 SMA 因其优异的性能在不同领域得到了广泛应用，但其存在相变温度较低、对成分敏感等不足，这一方面使其在高温领域的应用受到限制，另一方面在工业生产中准确控制相变温度较难，成本较高。因此，通过添加其他元素进一步改善性能并降低成本是研究方向之一，目前已取得了很大进展。

在 Ti-Ni SMA 中添加 Cr 、 V 可大大改善其超弹性，添加 Cu 、 V 、 Al 、 Cr 、 Zr 和微量 Ca 可大大改善其韧性、加工性和切削性，在 Ti-Ni-Cu 系合金中添加 B 、Si 、 P 、 S 、 RE ，可获得高恢复率 SMA。日本住友电气工业公司在 Ti-Ni 合金中添加 Cu 、 Al 、 Zr 、 V 、 Co 、Fe 后，经表面处理后拉丝，即可制得色彩漂亮的形状记忆合金丝，以满足对其装饰性的要求。 Ti-Ni-Nb和 Ti-Ni-Ta 是宽滞后型 SMA ，其热滞宽（ 130~150℃ ），在连接件、紧固件及密封件等工业领域应用广泛。

Ti-Ni 基形状记忆合金由于其良好的生物相容性在医疗器械领域也有所应用。研究表明，将 Ag 离子注入 TiNi 合金表面制备 Ti-Ni-Ag 改性层，可提高合金的耐腐蚀性能，这将会进一步促使 Ti-Ni 基合金在医疗上的使用。

1.2 高温 SMA

前述 Ti-Ni 基、 Cu 基和 Fe 基等 SMA 的相变温度较低，不适用于制作工作温度超过 150 ℃ 的元件。在许多情况下，如火箭发动机、卫星发射塔、防火装置、汽车发动机及电流过载保护的记忆元件的工作温度往往都超过 100 ℃ ，在核反应堆工程中，记忆热动元件的动作温度高达 600 ℃ 。所以从 20世纪 90 年代开始，人们又展开了对高温 SMA 的研究。如表 2 所示，形成了以 Ni-Ti 合金为基础发展起来的 Ni-Ti-Y （ Y=Hf ， Pd ， Pt ， Au ）合金，使用温度随 Y 含量增加而增高， Ms 最高可达 1 040 ℃ ；以Cu-Al-Ni 为基础发展起来的 Cu-Al-Ni-Mn-X （ X=Ti ，B ， V ）合金， Ms 约 200 ℃ ；在 Ni-Al 金属间化合物基础上发展起来的 Ni-Al-Z （ Z=Fe ， Mn ， B ）合金， Ms 在480 ℃ 以上，以及回复温度在 1 000 ℃ 以上的 Ru-Ta（ Nb ）形状记忆合金等。

应指出的是，大多数高温 SMA 塑性和抗疲劳性能差，制造成本较高。目前，只有 Ti-Ni-Pd ，Ti-Ni-Pt ， Ni-Ti-Hf ， Ni-Ti-Zr 和 Cu-Al-Ni-Mn 合金有望用于 100 ~300 ℃ 场合，其他合金的性能有待进一步改善。

1.3 磁性 SMA

磁性 SMA （ MSMA ）又称铁磁 SMA （ FSMA ），其驱动靠磁场传输而不是靠相对缓慢的传热机理，故可用于制作高频（达 1 kHz ）驱动器。 MSMA 的应变速率可与磁致伸缩和压电元件媲美，应变与 SMA相近， MSMA 亦可提供与 SMA 相同的比功率，但传输频率更高。

MSMA 的最大应变是巨磁致伸缩Tb-Dy-2Fe 合金的 32 倍，因此， MSMA 适合填补形状记忆合金和磁致伸缩材料之间的技术空缺，适用于低应力大位移的马达和阀门场合。

应指出的是， MSMA 硬而脆，难成形，仅适用于低温场合，不适合于高温度大应力场合。为了改善该材料的特性，今后需继续加强研究，以更好地理解 Ni-Mn-Ga, Fe-Pd 和 Ni-Mn-Al 等 MSMA 的本构行为。

1.4 复合 SMA

SMA 集感知和驱动于一体，通过改变环境温度来实现对外作功，故可制作智能驱动器和减振器，也可实现对材料损伤的主动监控。将 Ti-Ni 合金丝置于铝合金、镁合金和高分子等材料中使复合材料具有升温自增强、抑制裂纹扩展、减振降噪等智能属性，一直是智能材料的一个研究热点，但是由于复合材料的各复合组员间界面比表面积小，且结合强度较低，在外力作用下容易开脱。 Furuya 等将Ti-Ni 基 SMA 丝或颗粒复合在 Al 等金属或高分子材料中制成环境应答型智能复合材料，当环境温度变化时，不仅可明显改善力学性能或阻尼性能，而且 Ti-Ni 合金具有应变能力，能自行削弱基体应力集中，抑制基体裂纹扩展，或对外输出力或位移以作功。 Paine 等将 Ti-Ni SMA 丝编成网状贴于高分子材料表面，可明显提高冲击韧度。因为表面贴有Ti-Ni 丝的复合材料在受冲过程中因诱发 M 相变而消耗了大量冲击能，同时 Ti-Ni SMA 具有载荷传递性，可使冲击能量均匀分布到整个复合材料中，导致冲击后的塑变量很小。

Saadat等利用 Ti-Ni 合金的自适应原理制成了由 Ti-Ni 丝增强的机敏混凝土及智能减振结构，以提高沿海及内地建筑物的抗震防风能力。将Ti-Ni 基 SMA 与他材料相复合，采用多孔烧结办法制得的复合材料既可以达到轻量化的目的，又因增强相而具有一定强度，大大增加了 Ti-Ni 基 SMA 的应用领域。江鸿杰等人以纳米尺度 SiC 颗粒为增强相，并结合 NH4HCO3低温分解造孔技术，成功地制备出了 SiC/NiTi ，有效地解决了多孔 Ti-Ni 合金强度低的问题。

姜江、崔立山等人制备了一种复合比可控、屈服强度高、原位自生的超细片层 NbTi/TiNi 记忆合金复合材料， TiNi 微片分布均匀，与 NbTi 基体结合强度高。此法为 TiNi 记忆合金复合材料的制备提供了新思路。

2 SMA 的特性及应用效能

SMA 具有 SME 、 SE 、高阻尼、高驱动应力应变、高能量密度、较高能效、较低动作频率以及相变诱发塑性等特性，这些特性的应用效能如表 3 所示。其中，SME分单程、双程和全程3种类型。单程 SME ：

将合金在低于马氏体相变结束温度 M f 以下变形，再将其加热到马氏体逆相变结束温度 A f 以上时，马氏体逆转变为母相，变形可以完全恢复，在此后的冷却或加热过程中，形状始终保持不变，好像记住了高温母相的形状。双程 SME ：将合金在 M f 以下变形，当加热至马氏体逆相变结束温度 A f 以上时，会恢复其高温母相的形状，在冷却时又可恢复低温相的形状，即通过温度的升降变化，可以反复地恢复高低温相的形状。全程 SME ：将合金在 M f 以下变形，当加热至 A f 以上时，试样可以恢复高温母相的形状，在冷却时恢复低温相形状，若再继续冷却，合金呈现出与高温时完全相反的形状。应用较广泛的 Ti-Ni基、 Cu 基和 Fe 基 SMA 的性能见表 4 。

3 SMA 的应用

SMA 能在一个较窄的温度范围内获得 4%~8%的可逆回复应变，如果加热时阻止其应变回复，则SMA 可产生较大的反抗应力。亦即在一定条件下通过改变温度， SMA 可以对外输出力或位移。由于 SMA 具有感知和驱动双重功能，以及能产生较大的可逆形状响应应力和应变，已在汽车、航空航天、机器人和生物医学等领域得到广泛应用，如表 5所示。

4 结语

4.1 SMA 发展方向

（ 1 ）研制新型或改进型长寿命、大韧性、高稳定性 SMA 及其加工技术。

（ 2 ）研究 SMA 的功能特性与其他材料的结构特性的组合问题，进而研制性能更优的复合形状记忆材料。

（ 3 ）构建强大而有效的 SMA 行为计算模型。

（ 4 ）建立有材料科学家、工程设计师和营销人员参与的形状记忆材料领域信息平台或基地，共享SMA 数据及其应用设计信息知识，探索 SMA 应用新市场。

4.2 SMA 应用发展方向

（ 1 ）结合计算机辅助设计和有限元分析等现代计算机设计和分析工具，发展具有紧凑、高速、智能控制器的集成驱动器系统。

（ 2 ）在汽车与航空航天应用方面，研制自我修复和传感结构及组件如智能轮胎和安全气囊等；发展符合空气动力学和美学特征的形状记忆合金配件；研制角行程执行机构；开发高温致动器及噪声、振动阻尼器等。

（ 3 ）在机器人应用方面，研制微型、快速、高效、稳定、准确、旋转执行机构。

（ 4 ）在生物医学应用方面，研制人造肌肉、新型形状记忆植入物和无毒 SMA 等。

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