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镍钛形状记忆合金材料的应用及发展

本科毕业论文

题目：

镍钛形状记忆合金材料的应用及发展

学院：

化学与化工学院

班级：

09化学六班

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指导教师：

田静职称：

讲师

完成日期：

2013年06月01日

镍钛形状记忆合金材料的应用及发展

摘要:

随着科技的发展，形状记忆合金（简称SMA）作为一种新型的功能材料广泛应用于各个领域。

形状记忆合金现在已经成为功能材料领域中的研究热点之一，它是二十年代发展起来的一种新型功能材料。

本文主要介绍了形状记忆合金中的一种合金即Ni-Ti形状记忆合金的一些特性，综述了Ni-Ti形状记忆合金的发展历史，研究现状，及其在航天航空、能源、医疗器械、建筑、汽车等各个领域的应用特点，最后分析了Ni-Ti形状记忆合金的发展趋势。

关键字:

镍钛合金;　形状记忆合金;　形状记忆效应;应用；发展

1引言………………………………………………………………………………1

2形状记忆合金的简介……………………………………………………………1

2.1形状记忆合金的分类………………………………………………………1

2.1.1镍-钛基形状记忆合金…………………………………………………2

2.1.2铜基形状记忆合金……………………………………………………2

2.1.3铁基形状记忆合金……………………………………………………2

2.2形状记忆合金的特性………………………………………………………2

2.2.1形状记忆效应…………………………………………………………2

2.2.2超弹性效应……………………………………………………………2

2.2.3阻尼特性………………………………………………………………2

2.2.4电阻特性………………………………………………………………3

3形状记忆合金的发展历史………………………………………………………3

4Ni-Ti形状记忆合金的重要性…………………………………………………4

5Ni-Ti形状记忆合金的研究现状………………………………………………4

6Ni-Ti形状记忆合金的应用……………………………………………………5

6.1在航天航空方面的应用……………………………………………………5

6.2在能源方面的应用…………………………………………………………6

6.3在医疗器械方面的应用……………………………………………………6

6.4在建筑方面的应用…………………………………………………………6

6.5在汽车方面的应用…………………………………………………………7

7Ni-Ti形状记忆合金的发展趋势………………………………………………7

参考文献……………………………………………………………………………7

Abstract……………………………………………………………………………9

致谢…………………………………………………………………………………10

1引言

形状记忆材料是具有形状记忆效应的一种特殊功能材料，这种集感知和驱动于一体的新型功能材料可以成为智能材料结构。

除了一些合金材料外，还有一些非金属材料如高聚物和陶瓷也具有形状记忆效应，也属于形状记忆材料。

在这些材料中，应用范围较广、较为重要的形状记忆材料是形状记忆合金（ShapeMemoryAlloy简称SMA）。

这种合金能够记忆原有的形状，而且记忆效果相当好，有些合金甚至反复改变几百万次后仍然能够在一定条件下完全恢复为原来的形状。

形状记忆合金通常是由两种以上的金属元素构成的，具有一定的初始形状，在低温下经过处理发生形变并固定成另一种形状后，再通过加热、光照或通电等处理使合金升高温度，一直升到某一临界温度以上，然后就可以恢复成初始的形状，而这种效应就称为形状记忆效应（ShapeMemoryEffect,简称为SME）。

形状记忆效应最早是由Chang和Read在研究金镉的相变可逆性时发现的。

随后在铜基合金和镍钛合金中也发现了形状记忆效应。

形状记忆合金是一种有记忆能力的金属材料,具有形状记忆效应。

对于普通的金属材料，受到外力作用时，当应力超过屈服强度而产生塑性形变，应力去除后，塑性形变就会永久保留了下来，不能恢复为原来的形状。

而对于具有形状记忆效应的金属合金，当合金受到外力作用产生塑性形变，在加载过程中应变随应力增加，卸载时会产生残余应变，将合金在一定温度下加热，残余应变降为零，合金就会全部恢复为原状。

一些研究表明,很多金属合金材料都具有形状记忆效应,但是只有那些在形状变化过程中能够产生较大回复应变和较大形状回复力的记忆合金,才具有利用的价值。

到目前为止,世界上应用得最多的是镍钛基合金和铜基合金。

现在市场上已经出现了大量的利用形状记忆合金的特殊性能而制造的产品。

形状记忆合金在空间技术、医疗器械、机械器具、电子设备、能源开发、汽车工业以及日常生活各方面都得到了广泛的应用。

形状记忆合金是能将自身的塑性变形在某一特定温度下自动恢复为原始形状的合金。

形状记忆合金除了具有独特的形状记忆功能外，还具有耐磨损、抗腐蚀、高阻尼和超弹性等优异特点。

2形状记忆合金的简介

2.1形状记忆合金的分类

到目前为止，已经被开发出来的形状记忆合金主要有镍钛基、铜基和铁基这三种金属合金。

在这三大类形状记忆合金中，根据不同的要求和工作环境，分别在基体中加入和调整一些合金元素的量，使得每一个大类的合金中都有一系列合金被开发出来，将这些形状记忆合金应用在各行各业，来满足各种不同的特殊需求[1]。

2.1.1镍-钛基形状记忆合金

镍钛形状记忆合金是开发的最早的一种记忆合金，它的形状记忆效应最稳定，相对比较成熟。

这种记忆合金已经在航天工业、能源、医疗、建筑、汽车工业、电子工业及人类生活的各个领域获得应用。

但是由于它的原材料镍、钛价格昂贵，并且加工成本高等这些因素，其应用受到了限制[2]。

2.1.2铜基形状记忆合金

铜基形状记忆合金由于价格便宜、原材料来源广泛、易于加工和制造等原因而得到了迅速的发展。

这种合金可以应用于机械、能源、宇航、电气、医学、日用工程等方面用于制作各种在温度变化时造成形状记忆效应的敏感元件。

铜基形状记忆合金是这三类合金中种类最多的的一类，但有实际应用价值的目前只有Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni两种[3]。

2.1.3铁基形状记忆合金

铁基形状记忆合金虽然发展较晚，但是由于它的成本较镍钛基和铜基合金低得多、强度较高、记忆性能适中、塑性好、易于加工、使用方便等优点，使得铁基记忆合金在石油、机械、化工等应用方面有明显的竞争优势。

而且这种记忆合金被认为是一种具有广泛应用前景的特殊功能材料，受到了广泛的关注[3]。

2.2形状记忆合金的特性

2.2.1形状记忆效应

具有一定初始形状的形状记忆合金，在某一低温状态下经过塑性形变并固定成另一形状后，通过加热合金使温度升高到一定值，然后合金又恢复到了原来的形状，这种效应称为形状记忆效应（ShapeMemoryEffect简称SME）。

形状记忆效应按形状恢复情况可以分为单程形状记忆效应、双程形状记忆效应和全程记忆效应[4]。

2.2.2超弹性效应

当形状记忆合金受到外力作用时就会发生塑性形变，去除外力后记忆合金就会恢复原来的形状，这种效应就称为超弹性效应。

形状记忆合金在发生超弹性形变时，会诱发马氏体相变，当去除外力后，又会发生马氏逆相变[4]。

2.2.3阻尼特性

形状记忆合金由于热弹性马氏体相变，生成了大量的结构相同、取向不同的马氏体变体，并且变体之间的界面能和马氏体内部的孪晶界面能都非常低，比较容易迁移，从而能够有效地减弱震动、冲击等外来的机械能，所以形状记忆合金的阻尼特性特别好，可以用来做防震材料和消声材料[5]。

2.2.4电阻特性

经过研究表明，对于初始组织为马氏体的镍钛合金，在拉伸过程中电阻与应变之间呈线性关系；对于初始组织为奥氏体或奥氏体、马氏体两者混合的镍钛合金，当发生应力诱发马氏体相变后，曲线的斜率会降低，相变前后电阻-应变关系保持线性关系[5]。

3形状记忆合金的发展历史

1951年，美国依利诺斯大学的Riido研究小组在进行的一次试验中偶然发现金-镉合金有记忆形状的特性，但在当时这种现象被认为是这一合金的特殊现象，并且只有在做成单晶时才会产生这种现象，同时还因为这种单晶的造价昂贵等问题的存在，从而未引起应有的重视[6]。

1963年,美国海军军械研究室的成员们在一项实验中需要一些镍钛合金丝,但是他们领回来的合金丝都是弯弯曲曲的。

为了使用的时候比较方便，于是他们就将这些弯弯曲曲的合金细丝一根一根的拉直后使用。

在后来的实验中出现了一种奇怪的现象，当加热这些合金使他们的温度升高到一定值的时候，这些已经被拉直的合金丝突然又魔术般地快速恢复到原来弯弯曲曲的形状，而且恢复后的形状和原来的形状几乎没有变化。

再反复多次进行试验，每次得出的结果都是一样的，被拉直的合金丝只要达到一定的温度，就会立即恢复为原来的形状。

就好像在从前被“冻”得失去知觉的时候被人们改变了形状，而当加热合金丝使温度升高到一定值的时候，它们突然“苏醒”过来了，又“记忆”起了自己原来的形状，于是便不顾一切地恢复了自己本来的样子。

镍-钛合金在40℃以上和40℃以下的晶体结构是不同的，但温度在40℃上下变化时，合金就会收缩膨胀，使得它的形态发生变化。

在这里，40℃就是镍-钛记忆合金的“变态温度”（各种合金都有自己的变态温度）[7]。

在这次试验中发现镍-钛合金也具有明显的形状记忆效应，并且因为这种合金具有很好的耐腐蚀性、重量比较轻、强度较高等优点，从而引起了人们的极大关注。

近年来，有关形状记忆合金的研究已逐渐成为国际相变会议和材料会议的重要议题，并且为此召开了多次专题讨论会，不断的丰富和完善了马氏体相变理论。

在理论研究不断深入的同时，形状记忆合金的应用研究也取得了很大的进步，其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。

在美国、日本、英国、苏联、联邦德国、瑞士、比利时等许多国家都投入了大量的人力、物力，积极开展了这种合金的研制和应用方面的研究工作，并已在许多方面取得了显著效果[8]。

4Ni-Ti形状记忆合金的重要性

镍钛形状记忆合金是最具工业实用价值的形状记忆材料,它具有良好的形状记忆效应和超弹性行为,有较高的力学性能,优良的耐磨耐腐蚀性能和良好的阻尼特性,同时还具有较好的生物相容性。

镍钛记忆合金的抗拉强度在1000MPa以上，延伸率在20％以上，疲劳寿命达107次，阻尼特性比普通的弹簧高10倍，其耐腐蚀性优于目前最好的医用不锈钢，因此可以满足各类工程和医学的应用需求，它是一种非常优秀的功能材料[9]。

镍钛记忆合金的应用领域极其广泛，包括电子、机械、宇航、运输、建筑、化学、医疗、能源、家电以及日常生活用品等方面,几乎涉及了产业界的所有领域,应用潜力是非常大的。

我国从1978年开始对形状记忆合金进行理论研究,与形状记忆合金有关的马氏体相变理论、形状记忆与超弹性的微观机制等研究发展迅速,并且在某些方面取得的成果居世界领先水平。

但是由于镍钛记忆合金的价格比较高及其加工过程复杂等原因,镍钛记忆合金的工程应用及其产业化进程较为缓慢,与美国、日本等国家相比还存在一定的差距。

我国的镍钛记忆合金的应用及产业化进程大致可分为3个阶段:

1978年-1986年,研究主要集中在大学以及科研机构中,研究的主要内容为形状记忆效应与超弹性的基本规律及生物相容性基础研究；1987年-1997年,研究主要集中在大学以及科研机构中,主要为镍钛记忆合金构件的设计、制造以及应用研究；1998年至现在,除大学及科研机构外,一些企业也进入了记忆合金的应用领域,并且研究开发出许多具有市场前景的镍钛记忆合金[9]。

随着时代的不断发展，越来越多的镍钛记忆合金的产品出现在人们的生活中，它的应用领域也在不断地扩大。

5Ni-Ti形状记忆合金的研究现状

从镍钛形状记忆合金的发现到现在已经有几十年的历史了，美国、日本等一些发达国家对镍钛记忆合金的研究和应用开发已经较为成熟，同时也较早地实现了镍钛记忆合金的产业化。

我国对镍钛记忆合金的研究起步较晚，但起点较高。

在材料冶金学方面，特别是我国的实用形状记忆合金的炼制水平已经得到国际学术界的公认，在其应用开发上也有一些独到的成果。

但是由于研究条件的限制，在镍钛记忆合金的基础理论和材料科学方面的研究，我国与国际水平还有一定的差距，尤其是在镍钛记忆合金产业化和工程应用方面与国外差距较大。

近十年来，我国在镍钛记忆合金基础理论研究方面有了很大的发展，在镍钛记忆合金的应用和开发方面更是取得了巨大的进步。

现在，我国的镍钛记忆合金产业化进程正方兴未艾，国内涌现了一大批以镍钛记忆合金原料及产品为主要生产、经营项目的高科技公司。

可以预见，未来几年我国镍钛记忆合金的研究和应用将会有新的突破。

6Ni-Ti形状记忆合金的应用

6.1在航天航空方面的应用

镍钛形状记忆合金在航空航天方面最早应用是在管接头、紧固件、连接部件、电器连接和机电执行元件上。

在机械零件的连接、管道的连接、飞机的空中加油的接口处，用镍钛形状记忆合金加工成内径比将要连接的管的外径小4％的套管，然后在液氮的温度下将套管扩径约8％，装配时要将这种套管从液氮中取出，把将要连接的管的管子从两端插入。

当温度升高至常温时，再利用电加热来改变温度，接口处镍钛记忆合金变形，套管收缩便形成紧固密封，使接口处紧密滴水（油）不漏，这样远远要比焊接的效果好，特别适合用于航空、航天、核工业以及船舰和海底输油管道的管接头的连接等。

在一些不容易施工的部位，用镍钛记忆合金制成销钉，装入孔内然后加热，其尾端会自动分开卷曲实现紧固。

利用镍钛记忆合金的感温驱动功能，可以用来制作机器人、机械手，他们的优点是体型微小，结构紧凑[10]。

美国F-14型战斗机上的液压系统中,平均每架战斗机要用800个镍钛形状记忆合金管接头。

这种利用镍钛合金制成的管接头在液氮中进行扩径，在室温下贮存而不发生形状恢复，安装时，只需将管接头套在被连接管上，稍稍加热管接头就会实现形状恢复从而达到紧固密封的目的[11]。

自1970年以来，美国海军飞机上使用了几十万个这样的管接头，而且没有出现过一次失效的记录。

在我国，镍钛形状记忆合金在航空航天方面上的应用也颇为广泛。

我国的飞机上应用镍钛形状记忆合金的有伊尔B208、伊尔62B2022型机，使用钛镍钴三元形状记忆合金开尾铆钉铆接中央翼和货舱门的加强框[12]。

镍钛形状记忆合金除了做管接头和紧固件之外，还可以用做宇宙飞船天线。

镍钛形状记忆合金可以在其母相状下态加工成张形天线，制成的张形天线在冷却状态下能弯折成很小形状，当它被太阳加热时便恢复成张形天线。

6.2在能源方面的应用

镍钛形状记忆合金在能源方面的应用也较为广泛。

经过研究证明，我们可以利用镍钛形状记忆合金的特性实现能量之间的转化，可以把热能转变成机械能。

镍钛形状记忆合金的相变滞后只有几十度，只需要两个温差有几十度的高温热源和低温热源就能够产生马氏体与母相之间的转换，然而变形后的马氏体却能产生高达700MPa的回复力。

根据镍钛形状记忆合金的这种转换能量的特性，我们可以对低质热能进行回收并且加以利用，例如工业上排出的废水、废气以及原子反应堆或地热源排出的水等等都是可以利用的对象。

利用这样的原理所制造的热发动机的输出功率已经达到了一千瓦[13]。

C.M.Wayman等人的研究表明,镍钛形状记忆合金将热能转换成机械能的效率高达20％—25％,这在现如今世界能源匮乏的情况下具有非常重大的现实意义。

近年来,日本已经准备把镍钛形状记忆合金发生形变时可以产生的巨大能量应用于混凝土等的破碎方面,研究结果表明,利用镍钛形状记忆合金发生形变可以产生高达98kN的力[14]。

6.3在医疗器械方面的应用

形状记忆合金因为具有良好的力学性能和生物相容性，如今已经在医用领域得到了广泛的应用。

尤其是镍钛形状记忆合金，因为其具有良好的抗腐蚀性、抗磨性、生物相容性、超弹性效应和形状记忆效应，得到了医学界的医学专家的极大关注，并且现在已经成功的应用于口腔牙齿的矫正、外科的矫正和整形以及心血管的微创介入治疗[15]。

血栓滤器又称血管结块过滤器，它也是一种镍钛记忆合金的新产品。

当被拉直的滤器植入静脉后，温度升高到体温时，就会逐渐恢复成网状结构，从而阻止了95％的凝血块流向心脏和肺部。

到目前为止，镍钛形状记忆合金的产品已经进入医疗临床试用的还有手术缝合线、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、髓内针、人工关节、避孕环、人造心脏、人造肾脏用微型泵等[16]。

6.4在建筑方面的应用

镍钛形状记忆合金在建筑方面的应用也具有非常重要的现实意义。

由于镍钛形状记忆合金具有超弹性特性和高阻尼特性,并且镍钛形状记忆合金的结构可以显著增加系统的阻尼特性,减小结构的动力反应,可以利用它来制作各种形式的阻尼耗能装置。

同时还可以利用镍钛形状记忆合金的特性来设计隔震器，它的工作原理是当镍钛形状记忆合金装置变形后，它会产生较大的变形位移耗能，这样会减少下部结构地震能量向上部结构的传输，从而起到保护上部结构的作用，提高了结构的抗震性能[17]。

利用镍钛记忆合金还可以测定地基变形、进行静态爆破。

测定地基变形是采用由镍钛记忆合金测定器、加热电源和温度控制装置组成的测定地基变形系统来进行测定的[18]。

具体测定方法是在导管内插入镍钛形状记忆合金丝，然后放入将要测定的位置，加热使镍钛记忆合金记忆变形的情况，待冷却后抽出地面，再加热便可将地下发生的变形情况再次重现在地面上进行测定[19]。

6.5在汽车方面的应用

最初将镍钛记忆合金应用于汽车上，主要生产的产品有汽车的雾灯，为了对雾灯起到保护作用，就在雾灯前面的较低处设置了一个能开关的挡板，可以借助镍钛记忆合金来控制开关。

将镍钛形状记忆合金元件与灯串联起来，通过用电流来加热驱动[20]。

镍钛记忆合金在汽车方面使用得最多的是汽车的制动器，这种制动器现在大概已经超过了百种，主要是用于控制引擎、传送、悬吊等，用来提高汽车的安全性、可靠性以及舒适性。

例如美国Raychem公司与德国宝士公司将镍钛记忆合金制成弹簧，然后把这种弹簧引入汽车自动排挡系统中，利用镍钛合金的记忆行为来调整传动油压，还可以增加汽车减震器的效能。

镍钛记忆合金在汽车方面还可以用于发动机防热风扇离合器、排气自动调节喷管、柴油机散热器孔自动开关和喷气发动机抽过滤器的形状记忆弹簧等等[20]。

7Ni-Ti形状记忆合金的发展趋势

镍钛形状记忆合金因为具有温度传感器和驱动器这样双重的效果,所以利用它来制造机械器件可以达到省时省力、节能、节省空间、降低成本等的目的,同时它的用途也是极其广泛的。

在美国，以飞机、舰艇等军事装备为主，在航空和航天技术上最早得到了应用,并且已经将镍钛记忆合金推广用于高科技产品和民用产品上。

在苏联、联邦德国和法国这种镍钛记忆合金的应用已经遍及机械、冶金、医疗器械等各个领域。

在日本，镍钛记忆合金的应用则主要是家用电器方面,广泛应用于日用工业产品的生产[21]。

在我们国家，镍、钛矿产资源条件优厚，并且镍钛合金价格便宜、用量节省，所以在今后的一段时间里，我国将着重发展镍钛形状记忆合金材料，为我国的国防现代化建设和国民经济建设服务。

在今后，为了满足不同领域的需求，还要充分发掘、改进和完善现有的镍钛形状记忆合金的性能，研究镍钛记忆合金薄膜的应用，开发镍钛记忆合金智能复合材料[22]。

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ApplicationandDevelopmentoftheNi-TiShapeMemoryAlloyMaterials

Abstract:

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,shapememoryalloy（SMA）asanewtypeoffunctionalmaterialsarew