形狀記憶合金論文

形狀記憶合金摘要：扼要地表達了形狀記憶合金及其機理,介紹了形狀記憶合金在工程中應用的現狀以及開展前景。關鍵詞：形狀記憶合金、形狀記憶合金效應、應用引言：有一種特殊的金屬材料,經適當的熱處理后即具有回復形狀的能力,這種材料被稱為形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloy,簡稱為SMA),這種能力亦稱為形狀記憶效應(ShapeMemoryEffect,簡稱為SME)。通常,SMA低溫時因外加應力產生塑性變形,溫度升高后,克服塑性變形回復到所記憶的形狀。研究說明,很多合金材料都具有SME,但只有在形狀變化過程中產生較大回復應變和較大形狀回復力的,才具有利用價值。到目前為止,應用得最多的是Ni2Ti合金和銅基合金(CuZnAl和CuAlNi)。形狀記憶合金〔ShapeMemoryAlloys,SMA〕是一種在加熱升溫后能完全消除其在較低的溫度下發(fā)生的變形，恢復其變形前原始形狀的合金材料。除上述形狀記憶效應外，這種合金的另一個獨特性質是在高溫〔奧氏體狀態(tài)〕下發(fā)生的“偽彈性〞〔又稱“超彈性〞，英文pseudoelasticity〕行為，表現為這種合金能承載比一般金屬大幾倍甚至幾十倍的可恢復應變。形狀記憶合金的這些獨特性質源于其內部發(fā)生的一種獨特的固態(tài)相變——熱彈性馬氏體相變。一、形狀記憶合金的開展史最早關于形狀記憶效應的報道是由Chang及Read等人在1952年作出的。他們觀察到Au-Cd合金中相變的可逆性。后來在Cu-Zn合金中也發(fā)現了同樣的現象，但當時并未引起人們的廣泛注意。直到1962年，Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中觀察到具有宏觀形狀變化的記憶效應，才引起了材料科學界與工業(yè)界的重視。到70年代初，CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也發(fā)現了與馬氏體相變有關的形狀記憶效應。幾十年來，有關形狀記憶合金的研究已逐漸成為國際相變會議和材料會議的重要議題，并為此召開了屢次專題討論會，不斷豐富和完善了馬氏體相變理論。在理論研究不斷深入的同時，形狀記憶合金的應用研究也取得了長足進步，其應用范圍涉及機械、電子、化工、宇航、能源和醫(yī)療等許多領域。二、形狀記憶效應機理a)單程SMEb)雙程SMEbtpsfa為SMEcdcjc為偽彈性圖1形狀記憶效應示意圖圖2形狀記憶合金應力—應變—溫度關系示意圖圖1直觀地示意出合金的形狀記憶效應。在T1溫度下,將原來SMA直棒彎曲變形后,加熱至T2,彎曲棒便逐漸自動變直回冷至T1,棒仍保持直的形狀。合金的這種在某種條件下經任意方式的塑性變形,然后加熱至該種合金固有的某一溫度以上,又完全恢復其原來形狀的現象,稱為形狀記憶效應(SME)。圖1a中所示為單程SME;如果由T2冷至T1時,SMA棒復又自動彎曲,從而隨T2≒T1熱循環(huán),棒的形狀亦發(fā)生直≒彎循環(huán)現，象,這種現象稱為雙程SME,如圖2b所示?？梢?合金的SME是在應力(σ)———應變(ε)———溫度(T)三維空間中的一種特殊機械行為。這種空間行為見圖2。由于SME的微觀機制與母相P及馬氏體M之間發(fā)生的P≒M正逆相變密切相關,所以,圖2中的相變溫度及應變量等均為重要的SMA設計參數。其中Ms、Mf為P→M正相變開始與終了溫度;As、Af為M→P逆相變開始與終了溫度。Md溫度為在外力作用下,能夠誘發(fā)P→M相變的最高溫度,高于此溫度變形,SMA的變形行為與普通合金相同,因而,SME的變形溫度Td≤Md。對于Ni—Ti、Cu基等多數SMA,當滿足Af<Td<Md時,其應力———應變行為如圖2中cdijc所示,即在σ作用下,盡管合金呈現宏觀屈服現象,并發(fā)生較大的范性變形(cdi段),但是,一旦卸載后,如同普通合金的彈性變形一樣,其范性變形減小至0,即合金形狀隨加載變化,隨卸載恢復。因為σ—ε呈非線性,SMA的這種機械行為稱為偽彈性。SMA的偽彈性與SME取決于變形溫度Td。如果Af<Td<Md,呈現偽彈性;As<Td<Af為偽彈性與SME共有區(qū);Td<As呈現SME。然而,近年來研制的一些SMA不管任何溫度變形,都不呈現偽彈性。應予指出,與鋼在馬氏體狀態(tài)相反,SMA在馬氏體狀態(tài)很軟,故變形非常容易。三、形狀記憶效應的分類最先在合金相變過程中觀察到形狀記憶效應的是Chang和Read,他們通過對AuCd的相變可逆性研究發(fā)現相變過程中發(fā)生了電阻率的變化。1958年,在銅(CuZn)中也發(fā)現了類似的現象。直到1962年,當Buehlerh和其同事們在等原子的Ni2Ti合金中發(fā)現了SME后,對SMA冶金學和應用的研究才蔚然興起。隨后的十年中,市場上出現了大量的利用SMA制造的產品。經過廣泛研究,到目前為止,具有SME的合金可歸納為以下幾類:a)Ni2Ti系,包括等原子Ni-Ti,Ti-Ni-X(X=Fe,Al,Co);b)銅系,包括Cu-Zn系,如Cu-Zn,Cu-Zn-X(X=Si,Al,Sn);Cu-Al系,如Cu-Al2,Cu2Al2Ni;c)其他有色金屬系,如Co-Ni,Ti-Nb,Au-Cu-Zn,Au-Cd,Ag-Cd,In-Ti等;d)鐵基合金,如Fe-Pt,Fe-Ni-Co,Fe-Mn-Si,Fe-Ni-Co-Ti,Fe-Mn-C及不銹鋼等。雖然目前已經發(fā)現的形狀記憶合金有30余種。但正式作為商品生產的只有Ni系和Cu基兩大類。一般來說,Ni2Ti合金反復使用的穩(wěn)定性、耐蝕性、對生物體的適應性(界面相互作用)、以及超彈性和制備加工性等都比Cu基合金優(yōu)越,但本錢較高。Cu基合金盡管在這些方面略微遜色,但價格廉價,在反復使用頻率不太高、條件不太苛刻情況下,應用前景非常廣泛。四、形狀記憶效應的應用迄今為止,形狀記憶合金在空間技術、醫(yī)療器械、機械器具、電子設備、能源開發(fā)、汽車工業(yè)及日常生活各方面都得到了廣泛的應用,總的來說,按使用特性的不同,可歸納為下面幾類:(1)自由回復。SMA在馬氏體相時產生塑性形變,溫度升高自由回復到記憶的形狀。自由回復的典型例子是人造衛(wèi)星的天線和血栓過濾器。美國航空航天局(NASA)將Ti2Ni合金板或棒卷成竹筍狀或旋渦狀發(fā)條,收縮后安裝在衛(wèi)星內。發(fā)射衛(wèi)星并進入軌道后,利用加熱器或太陽能加熱天線,使之向宇宙空間撐開。血栓過濾器把Ni2Ti合金記憶成網狀,低溫下拉直,通過導管插入靜脈腔,經體溫加熱后,形狀變?yōu)榫W狀,可以阻止凝血塊流動。有人設想,利用形狀記憶合金制作宇宙空間站的可展機構,即以小體積發(fā)射,于空間展開成所需的形狀,這是很有吸引力的機構。(2)強制回復。強制回復最成功的例子是SMA管接頭。事先把內徑加工成比被接管外徑小4%,當進行連接操作時,首先把管接頭浸泡在液態(tài)空氣中,在低溫保溫狀態(tài)下擴徑后,把被接管從兩端插入,升高溫度,內徑回復到擴徑前的狀態(tài),把被接管牢牢箍緊。利用SMA制作的腦動脈瘤夾可夾住動脈瘤根部,防止血液流入,使動脈瘤缺血壞死。本田等人用厚度為015mm的Ti2Ni板制作的Ag2TiNi復合夾滿足小而輕、裝卸簡便等要求,效果良好。此外,類似的用途還有電源連接器、自緊固螺釘、自緊固夾板、固定銷、密封墊圈、接骨板和脊柱側彎嬌形哈倫頓棒等。(3)動力裝置。有些應用領域,要求形狀記憶元件在屢次循環(huán)往復運動中對外產生力的作用。溫度繼電器和溫度保持器、自動枯燥箱、電子灶、熱機、衛(wèi)星儀器艙窗門自動啟閉、自動火警警報器、熱敏閥門、液氨泄漏探測器、煤氣平安閥、通風管道緊急啟動閘門、自動收進煙頭的煙灰盒及人工心臟等都屬于這種應用類型。1997年美國航空航天局(NASA)的科學家利用長3cm,直徑0115mm(01006″)的Ni-TiSMA驅動火星探測器上的太陽能電池擋板,加熱SMA,使其收縮,通過傳動裝置,翻開太陽能電池上的玻璃擋板,電池充電。充電結束后,偏置彈簧重新使擋板復位。擋板的有效開合可起到防塵的目的。(4)精密控制。因為SMA的相變發(fā)生在一定溫度范圍而不是某一固定溫度點,我們往往只利用一局部形狀回復,使機械裝置定位于指定的位姿。微型機器人、昆蟲型生物機械、機器人手抓及微型調節(jié)器、筆尖記錄器及醫(yī)用內窺鏡都屬于這一類。形狀記憶合金用作機器智能人的執(zhí)行器,集傳感、控制、換能、制動于一身,具有仿真性好、控制靈活、動作柔順、無振動噪聲、易于結構微型集成化等優(yōu)點。日本的日立公司已研制出具有13個自由度的能揀取雞蛋的機器人。俄羅斯St1Petersburg機器人及控制技術學院在Cu-Al-Ni基合金材料的研究根底上,研制出了擬人機械手(115m長),其手爪能移動200kg的物體。該研究小組還給出了手爪的精確控制系統(tǒng)。醫(yī)學上用到的具有多自由度能彎曲轉入腸道內診斷疾病,進行手術的機器人也屬于這一類型(圖3)?，F有的大腸鏡的直徑為10～20mm,這種內窺鏡的直徑為13mm,因此它特別適用于作大腸鏡。診斷過程中,醫(yī)生一邊看纖維鏡中的圖象,一邊移動操縱桿給出前端的第1,2節(jié)彎曲角指令和內窺鏡前進、后退指令,通過計算機進行柔性控制,使內窺鏡能夠平滑地沿著通路前進或后退,大大減小了患者的痛苦,也增加了診斷的準確性。隨著目前超大規(guī)模集成電路技術的飛速開展,可進一步制成微米級甚至更小的超微仿生物。(5)超彈性應用。SMA的偽彈性在醫(yī)學上和日常生活中得到了廣泛的應用,市場上的很多產品都應用了SMA的偽彈性(超彈性)性質。主要有牙齒嬌形絲、人工關節(jié)用自固定桿、接骨用超彈性Ni2Ti絲、玩具及塑料眼鏡鏡框等。Ni2Ti絲用于嬌形上,即使應變量高達10%也不會產生塑性變形,而且應力誘發(fā)馬氏體相變的過程中,應變增大較多時矯正力卻增加很少。故能保持適宜的矯正力,既可保證療效,也可減輕患者的不適感。五、前景展望在形狀記憶合金的實用化進程中,急需積累并分析關于材料特性、功能可靠性、生物相容性和細胞毒性等方面的根底數據資料。可以預言,隨著對SMA研究的進一步深化,傳統(tǒng)的機電一體化系統(tǒng)完全有可能開展成為材料電子一體化系統(tǒng)。參考文獻：1、崔海寧.形狀記憶合金在建筑領域中的應用[J].山西建筑,20062、高志剛.形狀記憶合金的應用[J].現代制造技術與裝備,20073、吳根華.形狀記憶合金及其應用[J].安慶師范學院學報(自然科學版),20044、周海鋒.形狀記憶合金及其應用[J].機電設備,20025、王永前，趙連城.高