形状记忆合金的发展、制备与应用前景

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[摘 要] 形状记忆合金是一种新型功能材料，其特有的形状记忆效应使其在机械领域、建筑领域尤其是医学领域发挥着不可替代的作用。本文主要介绍了形状记忆合金的发现与发展、制备方法以及应用前景。

[关键词] 形状记忆合金 制备工艺 应用前景

中图分类号： TS1901 1 文献标识码：A 文章编号：

1形状记忆合金的发现与发展

纵观形状记忆合金的发展，与钢铁、铝合金等广泛使用的金属相比，形状记忆合金是一种具有感知和驱动能力的新型功能材料，其应用的最大价值在于“记忆”效应（Shape Memory Effect ，简称 SME）。“记忆”效应的发现最早要追溯到1932年，由瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到。合金的形状在某一温度下受外力被改变，当外力去除时，仍保持变形后的形状，但一旦加热到一定的跃变温度时，材料又可以自动回复到原来的形状，似乎对以前的形状保持记忆，这种特殊功能的合金称为形状记忆合金（Shape memory Alloy ，简称 SMA）。形状记忆效应是指形状记忆合金材料在完全母相状态下定型， 然后冷却到一定温度形成完全马氏体， 将马氏体在该温度下施加变形， 使它产生残余变形， 如果从变形温度加热， 伴随逆相变， 就可以使原来存在的残余变形消失， 并回复到母相所固有的形状，仿佛合金记住了母相状态所赋予的形状。当马氏体变形后经逆相变， 能恢复母相形状的称为单程形状记忆效应。有的材料经适当“ 训练” 后， 不但对母相形状具有记忆， 而且在再次冷却时能恢复马氏体变形后的形状， 称为双程形状记忆效应。

形状记忆效应被发现之后，人们从未停止过对记忆效应微观原理的探索，并逐步利用这一特性来应用于特殊的场合。形状记忆合金最早应用于工业生产是在1969年，人们采用了一种与众不同的管道接头装置。为了将两根需要对接的金属管连接，选用转变温度低于使用温度的某种形状记忆合金，在高于其转变温度的条件下，做成内径比对接管子外径略微小一点的短管（作接头用），然后在低于其转变温度下将其内径稍加扩到该接头的转变温度时，接头就自动收缩而扣紧被接管道，形成牢固紧密的连接。据外国资料介绍，美国的F-14战斗机使用了10万个以上的类似这样的接头来连接液压管道，从未发生过漏油、脱落或破损事故。应用最早也最广泛的形状记忆合金是镍钛形状记忆合金，但为了进一步提升合金其他方面的性能，诸如耐高温性能、抗疲劳性能等，人们向铁镍合金中不断尝试添加其他元素，从而进一步研究开发了钛镍铁、钦镍铜、钛镍铬等新的镍钛系形状记忆合金。除此以外，其他种类的形状记忆合金也相继问世，如铁系合金、铜锌系合金、铜镍系合金等。人们还通过改变形状记忆合金的组织结构来获得某一优良性能，如多孔镍钛形状记忆合金，其组织内数量巨大的晶界（包括孪晶晶界）和内部大量的微孔结构使得合金具备了优于一般合金材料的阻尼特性，从而能够应用于减震装置。

2形状记忆合金的制备方法

2.1自蔓延高温合成法

自蔓延高温合成法也称燃烧合成法，其实质是燃烧合成。具体流程是将按一定比例配置好的合金元素粉末均匀混合，并施加压力形成一定的形状后，在一定温度下置于保护气体中局部点燃，使反应自蔓延传播，待燃烧完毕后便可生成化合物。按照燃烧方式的不同，自蔓延可分为热爆模式和层燃模式。自蔓延燃烧合成法可制备非平衡态、非化学计量比和功能梯度材料，具有合成速度快、节能及产物纯度高、多孔、离散性大等优点。

2.2常规粉末烧结法

以镍钛合金为例，常规粉末烧结法是将镍、钛金属粉末混合均匀后，在某一较高的温度下长时间烧结，形成合金。反应过程中，钛原子的迁移扩散速率较镍原子的迁移扩散速率大，故钛原子更易于扩散至镍颗粒间并与其化合，钛原子处则由于没有扩散来的原子补偿，会形成微孔，这一现象被称为柯肯达尔效应。由于柯肯达尔效应的作用，长时间烧结的镍、钛金属粉末最终获得多孔的镍钛合金。常规粉末烧结法的工艺过程简单易行、反应可控、技术要求低。但同时反应方式的局限性也导致生产过程费时、材料孔隙率低、孔隙尺寸不大及合金组织均一性不高等缺点。

2.3热等静压法

热等静压法也是利用金属粉末烧结成型的原理，是目前制备形状记忆合金的教有效和较理想的手段。热等静压法是将特定气体作为压力媒介，在加热烧结过程中对粉体或坯料施加气体压力来制备合金的方法。由于气体本身的性质，无论被成型材料几何形状如何，气体产生的高压力均能保持其各个方向上受压力相同或相近。同时，高压气体也能像液体一样渗入粉体或坯料中的空洞，这样，在高温高压的共同作用下，合金内部的缺陷和孔洞易被消除，晶体组织结构改善，并伴随着材料致密度和强度大幅提高，综合性能优异。但热等静压法继承了烧结法烧结时间长的缺点，设备投入也较大。

3形状记忆合金的应用前景

3.1建筑工程材料

形状记忆合金在建筑工程上的应用的例子还很少，现在研究较多的是SMA智能混凝土。SMA智能混凝土通过在混凝土结构中植入形状记忆合金来改善混凝土诸多性能。由于形状记忆合金具有形状记忆效应、超弹性效应、高阻尼等特性，其加入到混凝土中可以增加结构阻尼，提高建筑物的抗震能力，并且能够自我感知、自我修复，达到建筑结构、控制一体化，使工程材料向智能化发展。

3.2减震材料

使用形状记忆合金能够开发出优良的减震器，其工作原理是在SMA 装置变形后，会产生较大的变形位移耗能，减少下部结构地震能量向上部结构的传输，从而达到保护上部结构的目的，提高结构的抗震性能。

3.3机械工程材料

将形状记忆合金加工成特定的形状，可充当机械工程中的连接紧固件，如管接头、紧固铆钉、紧固圈等，由于形状记忆效应，紧固件工作更加稳定可靠。

3.4医用材料

在医学中应用最广泛的是多孔镍钛记忆合金，主要用于人体骨骼的替换和修补。镍钛合金具有与人体骨骼强度相当的强度，同时其多孔的特性保证植入人体后不会因为纤维组织的包覆而使植入材料产生松动或偏移而失效，使植入物与被修复骨组织形成牢固的结合体。其优于其他材料的形状记忆效应又使得植入过程变得容易，降低手术难度，减轻病人的痛苦。人们在镍钛合金与人体相容性方面又做了大量的研究工作，新的材料甚至能促进骨组织的生长，植入物与肌体组织的排异反应也大为降低。

参考文献

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