形狀記憶合金

形狀記憶合金加熱后消除其在低溫下發(fā)生的變形的材料01簡介分類起源應用目錄030204基本信息形狀記憶合金（shapememoryalloys，SMA）是通過熱彈性與馬氏體相變及其逆變而具有形狀記憶效應（shapememoryeffect，SME）的由兩種以上金屬元素所構(gòu)成的材料。形狀記憶合金是形狀記憶材料中形狀記憶性能最好的材料。迄今為止，人們發(fā)現(xiàn)具有形狀記憶效應的合金有50多種。在航空航天領(lǐng)域內(nèi)的應用有很多成功的范例。人造衛(wèi)星上龐大的天線可以用記憶合金制作。發(fā)射人造衛(wèi)星之前，將拋物面天線折疊起來裝進衛(wèi)星體內(nèi)，火箭升空把人造衛(wèi)星送到預定軌道后，只需加溫，折疊的衛(wèi)星天線因具有“記憶”功能而自然展開，恢復拋物面形狀。簡介簡介加熱會變直的勺子形狀記憶合金（shapememoryalloy）在臨床醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應用，例如人造骨骼、傷骨固定加壓器、牙科正畸器、各類腔內(nèi)支架、栓塞器、心臟修補器、血栓過濾器、介入導絲和手術(shù)縫合線等等，記憶合金在現(xiàn)代醫(yī)療中正扮演著不可替代的角色。記憶合金同我們的日常生活也同樣休戚相關(guān)。形狀記憶合金具有形狀記憶效應（shapememoryeffect），以記憶合金制成的彈簧為例，把這種彈簧放在熱水中，彈簧的長度立即伸長，再放到冷水中，它會立即恢復原狀。利用形狀記憶合金彈簧可以控制浴室水管的水溫：在熱水溫度過高時通過“記憶”功能，調(diào)節(jié)或關(guān)閉供水管道，避免燙傷。也可以制作成消防報警裝置及電器設(shè)備的保險裝置。當發(fā)生火災時,記憶合金制成的彈簧發(fā)生形變，啟動消防報警裝置，達到報警的目的。還可以把用記憶合金制成的彈簧放在暖氣的閥門內(nèi)，用以保持暖房的溫度，當溫度過低或過高時，自動開啟或關(guān)閉暖氣的閥門。形狀記憶合金的形狀記憶效應還廣泛應用于各類溫度傳感器觸發(fā)器中。形狀記憶合金另一種重要性質(zhì)是偽彈性（pseudoelasticity）（又稱超彈性，superelasticity），表現(xiàn)為在外力作用下，形狀記憶合金具有比一般金屬大的多的變形恢復能力，即加載過程中產(chǎn)生的大應變會隨著卸載而恢復。這一性能在醫(yī)學和建筑減震以及日常生活方面得到了普遍應用。例如前面提到的人造骨骼、傷骨固定加壓器、牙科正畸器等

。用形狀記憶合金制造的眼鏡架，可以承受比普通材料大得多的變形而不發(fā)生破壞（并不是應用形狀記憶效應，發(fā)生變形后再加熱而恢復）

。起源起源形狀記憶合金(3張)1932年，瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到“記憶”效應，即合金的形狀被改變之后，一旦加熱到一定的躍變溫度時，它又可以魔術(shù)般地變回到原來的形狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金。記憶合金的開發(fā)迄今不過20余年，但由于其在各領(lǐng)域的特效應用，正廣為世人所矚目，被譽為“神奇的功能材料”。1963年，美國海軍軍械研究所的比勒在研究工作中發(fā)現(xiàn)，在高于室溫較多的某溫度范圍內(nèi)，把一種鎳-鈦合金絲燒成彈簧，然后在冷水中把它拉直或鑄成正方形、三角形等形狀，再放在40℃以上的熱水中，該合金絲就恢復成原來的彈簧形狀。后來陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，某些其他合金也有類似的功能。這一類合金被稱為形狀記憶合金。每種以一定元素按一定重量比組成的形狀記憶合金都有一個轉(zhuǎn)變溫度；在這一溫度以上將該合金加工成一定的形狀，然后將其冷卻到轉(zhuǎn)變溫度以下，人為地改變其形狀后再加熱到轉(zhuǎn)變溫度以上，該合金便會自動地恢復到原先在轉(zhuǎn)變溫度以上加工成的形狀。1969年，鎳-鈦合金的“形狀記憶效應”首次在工業(yè)上應用。人們采用了一種與眾不同的管道接頭裝置。為了將兩根需要對接的金屬管連接，選用轉(zhuǎn)變溫度低于使用溫度的某種形狀記憶合金，在高于其轉(zhuǎn)變溫度的條件下，做成內(nèi)徑比待對接管子外徑略微小一點的短管（作接頭用），然后在低于其轉(zhuǎn)變溫度下將其內(nèi)徑稍加擴大，再把連接好的管道放到該接頭的轉(zhuǎn)變溫度時，接頭就自動收縮而扣緊被接管道，形成牢固緊密的連接。分類偽彈性形狀記憶效應分類形狀記憶效應單程記憶效應。形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應。雙程記憶效應。某些合金加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時又能恢復低溫相形狀，稱為雙程記憶效應。全程記憶效應。加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤睿Q為全程記憶效應。SMA的形狀記憶效應源于熱彈性馬氏體相變，這種馬氏體一旦形成，就會隨著溫度下降而繼續(xù)生長，如果溫度上升它又會減少，以完全相反的過程消失。兩項自由能之差作為相變驅(qū)動力。兩項自由能相等的溫度T0稱為平衡溫度。只有當溫度低于平衡溫度T0時才會產(chǎn)生馬氏體相變；反之，只有當溫度高于平衡溫度T0時才會發(fā)生逆相變。在SMA中，馬氏體相變不僅由溫度引起，也可以由應力引起，這種由應力引起的馬氏體相變叫做應力誘發(fā)馬氏體相變，且相變溫度同應力呈線性關(guān)系。發(fā)現(xiàn)的記憶合金體系：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、NiAl、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。偽彈性當形狀記憶合金在高溫相奧氏體狀態(tài)下受到外力發(fā)生較大變形，去除外力后，大變形完全恢復。但是在變形過程中，應力應變曲線并不是線性的，會產(chǎn)生耗散能。應用航空航天工業(yè)機械電子產(chǎn)品生物醫(yī)療建筑結(jié)構(gòu)日常生活其它010302040506應用航空航天工業(yè)形狀記憶合金已應用到航空和太空裝置。如用在軍用飛機的液壓系統(tǒng)中的低溫配合連接件，歐洲和美國正在研制用于直升飛機的智能水平旋翼中的形狀記憶合金材料。由于直升飛機高震動和高噪聲使用受到限制，其噪聲和震動的來源主要是葉片渦流干擾，以及葉片型線的微小偏差。這就需要一種平衡葉片螺距的裝置，使各葉片能精確地在同一平面旋轉(zhuǎn)。已開發(fā)出一種葉片的軌跡控制器，它是用一個小的雙管形狀記憶合金驅(qū)動器控制葉片邊緣軌跡上的小翼片的位置，使其震動降到最低。還可用于制造探索宇宙奧秘的月球天線，人們利用形狀記憶合金在高溫環(huán)境下制做好天線，再在低溫下把它壓縮成一個小鐵球，使它的體積縮小到原來的千分之一，這樣很容易運上月球，太陽的強烈的輻射使它恢復原來的形狀，按照需求向地球發(fā)回寶貴的宇宙信息。另外，在衛(wèi)星中使用一種可打開容器的形狀記憶釋放裝置，該容器用于保護靈敏的鍺探測器免受裝配和發(fā)射期間的污染。機械電子產(chǎn)品1970年美國用形狀記憶合金制作F-14戰(zhàn)斗上的低溫配合連接器，隨后有數(shù)以百萬以上的連件的應用。形狀記憶合金作為低溫配合連接在飛機的液壓系統(tǒng)中及體積較小的石油、石化、電工業(yè)產(chǎn)品中應用。另一種連接件的形狀是焊接的網(wǎng)狀金屬絲，用于制造導體的金屬絲編織層的安全接頭。這種接件已經(jīng)用于密封裝置、電氣連接裝置、電子工程機械裝置，并能在-65~300℃可靠地工作。已開發(fā)出的密封系統(tǒng)裝置可在嚴酷的環(huán)境中用作電氣件連接。將形狀記憶合金制作成一個可打開和關(guān)閉快門的彈簧，用于保護霧燈免于飛行碎片的擊壞。用于制造精密儀器或精密車床，一旦由于震動、碰撞等原因變形，只需加熱即可排除故障。在機械制造過程中，各種沖壓和機械操作常需將零件從一臺機器轉(zhuǎn)移到另一臺機器上，利用形狀記憶合金開發(fā)了一種取代手動或液壓夾具，這種裝置叫驅(qū)動汽缸，它具有效率高靈活，裝夾力大等特點。生物醫(yī)療用于醫(yī)學領(lǐng)域的TiNi形狀記憶合金，除了利用其形狀記憶效應或超彈性外，還應滿足化學和生物學等方面的要求，即良好的生物相容性。TiNi可與生物體形成穩(wěn)定的鈍化膜。在醫(yī)學上TiNi合金主要應用有：(a)牙齒矯形絲用超彈性TiNi合金絲和不銹鋼絲做的牙齒矯正絲，其中用超彈性TiNi合金絲是最適宜的。通常牙齒矯形用不銹鋼絲CoCr合金絲，但這些材料有彈性模量高、彈性應變小的缺點。為了給出適宜的矯正力，在矯正前就要加工成弓形，而且結(jié)扎固定要求熟練。如果用TiNi合金作牙齒矯形絲，即使應變高達10%也不會產(chǎn)生塑性變形，而且應力誘發(fā)馬氏體相變（stress-inducedmartensite）使彈性模量呈現(xiàn)非線型特性，即應變增大時矯正力波動很少。這種材料不僅操作簡單，療效好，也可減輕患者不適感。(b)脊柱側(cè)彎矯形各種脊柱側(cè)彎癥（先天性、習慣性、神經(jīng)性、佝僂病性、特發(fā)性等）疾病，不僅身心受到嚴重損傷，而且內(nèi)臟也受到壓迫，所以有必要進行外科手術(shù)矯形。這種手術(shù)采用不銹鋼制哈倫敦棒矯形，在手術(shù)中安放矯形棒時，要求固定后脊柱受到的矯正力保持在30~40kg以下，一但受力過大，矯形棒就會破壞，結(jié)果不僅是脊柱，而且連神經(jīng)也有受損傷的危險。同時存在矯形棒安放后矯正力會隨時間變化，大約矯正力降到初始時的30%時，就需要再進行手術(shù)調(diào)整矯正力，這樣給患者在精神和肉體上都造成極大痛苦。采用形狀記憶合金制作的哈倫頓棒，只需要進行一次安放矯形棒固定。如果矯形棒的矯正力有變化，以通過體外加熱形狀記憶合金，把溫度升高到比體溫約高5℃，就能恢復足夠的矯正力。建筑結(jié)構(gòu)利用形狀記憶合金的偽彈性性能和動阻尼特性，形狀記憶合金被用于被動控制結(jié)構(gòu)受地震影響，起到抗震的作用。應運于結(jié)構(gòu)振動的主動阻尼控制等。日常生活(a)防燙傷閥在家庭生活中，已開發(fā)的形狀記憶閥可用來防止洗滌槽中、浴盆和浴室的熱水意外燙傷；這些閥門也可用于旅館和其他適宜的地方。如果水龍頭流出的水溫達到可能燙傷人的溫度（大約48℃）時，形狀記憶合金驅(qū)動閥門關(guān)閉，直到水溫降到安全溫度，閥門才重新打開。(b)眼鏡框架在眼鏡框架的鼻梁和耳部裝配TiNi合金可使人感到舒適并抗磨損，由于TiNi合金所具有的柔韌性已使它們廣泛用于改變眼鏡時尚界。用超彈性TiNi合金絲做眼鏡框架，即使鏡片熱膨脹，該形狀記憶合金絲也能靠超彈性的恒定力夾牢鏡片。這些超彈性合金制造的眼鏡框架的變形能力很大，而普通的眼鏡框則不能做到。(c)移動**天線和火災檢查閥門使用超彈性TiNi金屬絲做蜂窩狀**天線是形狀記憶合金的另一個應用。過去使用不銹鋼天線，由于彎曲常常出現(xiàn)損壞問題。使用TiNi形狀記憶合金絲移動**天線，具有高抗破壞性受到人們普遍歡迎。因此常用來制作蜂窩狀**天線和火災檢查閥門。火災中，當局部地方升溫時閥門會自動關(guān)閉，防止了危險氣體進入。這種特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點是，它具有檢查閥門的操作