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智能材料论文

燕山大学

智能材料形状记忆合金论文

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摘要：

本论文主要讨论形状记忆合金相关内容,扼要地叙述了形状记忆合金的发现以及发展历史和分类, 介绍了形状记忆合金在工程中应用的现状以及发展前景。

关键词：

智能材料、形状记忆合金

正文：

形状记忆合金（Shape Memory Alloy ,SMA） 是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。

形状记忆合金具

有的能够记住其原始形状的功能称形状记忆效应（Shape Memory Effect ,SME）。

研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。

到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti 合金和铜基合金（CuZnAl 和CuAlNi）。

形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。

一、形状记忆合金的发展史 

1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到"记忆"效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。

1938年。

当时美国的在Cu-Zn合金小发现了马氏体的热弹件转变。

随后，前苏联对这种行为进行了研究。

1951年美国的Chang相Read在Au47·5Cd（％原子）合金中发现了行状记忆效应。

这是最早观察到金属形状记忆效应的报道。

数年后，Burkhart 在In-Ti 合金中观察到同样的现象。

然而在当时，这些现象的发现只被看作是个别材料的特殊现象而未能引起人们足够的兴趣和重视。

直至1962年，美国海军机械研究所r发现了Ni-Ti合金中的的形状记忆效应，才开创了“形状记忆”的实用阶断。

1969年，美国一家 公司首次将Ni-Ti合金制成管接头应用于美国F14 战斗机上；1970年，美国将Ti-Ni记忆合金丝制成宇宙飞船用天线。

这些应用大大激励了国际上对形状记忆合金的研究与开发。

20世纪7 年代，相继开发出了Ni-Ti 基、Cu-Al2-Ni 基和Cu-Zn-Al 基形状记忆合金；80 年代开发出了Fe-Mn-Si 基、不锈钢基等铁基形状记忆合金，由于其成本低廉、加工简便而引起材料工作者的极大兴趣。

从20世纪90 年代至今，高温形状记忆合金、宽滞后记忆合金以及记忆合金薄膜等已成为研究热点。

从SMA 的发现至今已有四十余年历史，美国、日本等国家对SMA 的研究和应用开发已较为成熟，同时也较早地实现了SMA 的产业化。

我国从上世纪70 年代末才开始对SMA 的研究工作，起步较晚，但起点较高。

在材料冶金学方面，特别是实用形状记忆合金的炼制水平已得到国际学术界的公认，在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SMA 的基础理论和材料科学方面的研究我国与国际先进水平尚有一定差距，尤其是在SMA 产业化和工程应用方面与国外差距较大。

二、记忆合金主要分类  

（1）单程记忆效应：

形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。

（2）双程记忆效应：

某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。

（3）全程记忆效应：

加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。

SMA的形状记忆效应源于热弹性马氏体相变，这种马氏体一旦形成，就会随着温度下降而继续生长，如果温度上升它又会减少，以完全相反的过程消失。

两项自由能之差作为相变驱动力。

两项自由能相等的温度T0称为平衡温度。

只有当温度低于平衡温度T0时才会产生马氏体相变，反之，只有当温度高于平衡温度T0时才会发生逆相变。

    在SMA中，马氏体相变不仅由温度引起，也可以由应力引起，这种由应力引起的马氏体相变叫做应力诱发马氏体相变，且相变温度同应力呈线性关系。

 至今为止发现的记忆合金体系 Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。

三、形状记忆效应的应用 

迄今为止,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、汽车工业及日常生活各方面都得到了广泛的应用,总的来说,按使用特性的不同,可归纳为下面几类:

（1） 自由回复。

 SMA 在马氏体相时产生塑性形变,温度升高自由回复到记忆的形状。

自由回复的典型例子是人造卫星的天线和血栓过滤器。

美国航空航天局（NASA） 将Ti2Ni 合金板或棒卷成竹笋状或旋涡状发条,收缩后安装在卫星内。

发射卫星并进入轨道后,利用加热器或太阳能加热天线,使之向宇宙空间撑开。

血栓过滤器把Ni2Ti 合金记忆成网状,低温下拉直,通过导管插入静脉腔,经体温加热后,形状变为网状,可以阻止凝血块流动。

有人设想,利用形状记忆合金制作宇宙空间站的可展机构,即以小体积发射,于空间展开成所需的形状,这是很有吸引力的机构。

（2） 强制回复。

强制回复最成功的例子是SMA 管接头。

事先把内径加工成比被接管外径小4 % ,当进行连接操作时,首先把管接头浸泡在液态空气中,在低温保温状态下扩径后,把被接管从两端插入,升高温度,内径回复到扩径前的状态,把被接管牢牢箍紧。

利用SMA 制作的脑动脉瘤夹可夹住动脉瘤根部,防止血液流入,使动脉瘤缺血坏死。

本田等人用厚度为015mm 的Ti2Ni 板制作的Ag2TiNi 复合夹满足小而轻、装卸简便等要求,效果良好。

此外,类似的用途还有电源连接器、自紧固螺钉、自紧固夹板、固定销、密封垫圈、接骨板和脊柱侧弯娇形哈伦顿棒等。

（3） 动力装置。

有些应用领域,要求形状记忆元件在多次循环往复运动中对外产生力的作用。

温度继电器和温度保持器、自动干燥箱、电子灶、热机、卫星仪器舱窗门自动启闭、自动火警警报器、热敏阀门、液氨泄漏探测器、煤气安全阀、通风管道紧急启动闸门、自动收进烟头的烟灰盒及人工心脏等都属于这种应用类型。

1997 年美国航空航天局（NASA） 的科学家利用长3cm ,直径0115mm（01006″） 的Ni-Ti SMA 驱动火星探测器上的太阳能电池挡板,加热SMA ,使其收缩,通过传动装置,打开太阳能电池上的玻璃挡板,电池充电。

充电结束后,偏置弹簧重新使挡板复位。

挡板的有效开合可起到防尘目的。

（4） 精密控制。

因为SMA 的相变发生在一定温度范围而不是某一固定温度点,我们往往只利用一部分形状回复,使机械装置定位于指定的位姿。

微型机器人、昆虫型生物机械、机器人手抓及微型调节器、笔尖记录器及医用内窥镜都属于这一类。

形状记忆合金用作机器智能人的执行器,集传感、控制、换能、制动于一身,具有仿真性好、控制灵活、动作柔顺、无振动噪声、易于结构微型集成化等优点。

日本的日立公司已研制出具有13个自由度的能拣取鸡蛋的机器人。

俄罗斯St1Petersburg 机器人及控制技术学院在Cu-Al-Ni 基合金材料的研究基础上,研制出了拟人机械手（115m 长） ,其手爪能移动200kg的物体。

该研究小组还给出了手爪的精确控制系统。

医学上用到的具有多自由度能弯曲转入肠道内诊断疾病,进行手术的机器人也属于这一类型。

现有的大肠镜的直径为10～20mm ,这种内窥镜的直径为13mm ,因此它特别适用于作大肠镜。

诊断过程中,医生一边看纤维镜中的图象,一边移动操纵杆给出前端的第1 ,2 节弯曲角指令和内窥镜前进、后退指令,通过计算机进行柔性控制,使内窥镜能够平滑地沿着通路前进或后退,大大减小了患者的痛苦,也增加了诊断的准确性。

随着目前超大规模集成电路技术的飞速发展,可进一步制成微米级甚至更小的超微仿生物。

（5） 超弹性应用。

SMA 的伪弹性在医学上和日常生活中得到了广泛的应用,市场上的很多产品都应用了SMA 的伪弹性（超弹性） 性质。

主要有牙齿娇形丝、人工关节用自固定杆、接骨用超弹性Ni2Ti 丝、玩具及塑料眼镜镜框等。

Ni2Ti 丝用于娇形上,即使应变量高达10 %也不会产生塑性变形,而且应力诱发马氏体相变的过程中,应变增大较多时矫正力却增加很少。

故能保持适宜的矫正力,既可保证疗效,也可减轻患者的不适感。

四、存在的问题和研究方向 

在SMA 的研究和应用中,目前存在许多有待解决的问题,例如:

（1） 由于SMA 的各种功能均依赖于马氏体相变,需要不断对其加热、冷却及加载、卸载,且材料变化具有迟滞性,因此SMA 只适用于低频（10Hz 以下）窄带振动中,这就大大限制了材料的应用。

（2） SMA 自身存在损伤和裂纹等缺陷,如何克服这些缺陷,改善材料性能是当前迫切需要解决的问题。

（3） 现有的SMA 机构模型在实际工程应用中都还存在一些缺陷,如何克服这些缺点,从而精确地模拟出SMA 的材料行为也是一个需要研究的重要课题; 

（4） 在医学应用方面,需继续研究SMA 的生物相容性和细胞毒性。

（5） SMA 作为一种新型功能材料,其加工和制备工艺较难控制,目前还没有形成一条SMA 自动生产线,此外材料成本也相当昂贵。

（6） 为了提高应用水平,SMA 元器件还需要进一步微型化,提高反应速度和控制精度,在这方面仍有许多工作要做。

SMA 研究今后的发展方向和趋势可归纳为以下几方面:

（1） 充分发掘、改进和完善现有SMA 的性能; 

（2） 研究开发新的具有形状记忆效应的合金材料; 

（3） SMA 薄膜的研究与应用; 

（4） SMA 智能复合材料的研究与开发; 

（5） 高温SMA 的开发。

五、前景展望 

在形状记忆合金的实用化进程中,急需积累并分析关于材料特性、功能可靠性、生物相容性和细胞毒性等方面的基础数据资料。

可以预言,随着对SMA 研究的进一步深化,传统的机电一体化系统完全有可能发展成为材料电子一体化系统。

六、结语 

记忆合金目前已发展到几十种，在航空、军事、工业、农业、医疗等领域有着用途，而且发展趋势十分可观。

这些研究表明我们已经做出了一个迈步，但我们需要将这一步迈的更大。

加以时日，它将大展宏图、造福于人类。

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