形狀記憶合金

形狀記憶合金(shape memory alloys,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(shape memory effect,SME)的由兩種以上金屬元素所構成的材料。形狀記憶合金是目前形狀記憶材料中形狀記憶性能最好的材料。迄今為止，人們發現具有形狀記憶效應的合金有50 多種。在航空航天領域內的套用有很多成功的範例。人造衛星上龐大的天線可以用記憶合金製作。發射人造衛星之前，將拋物面天線摺疊起來裝進衛星體內，火箭升空把人造衛星送到預定軌道後，只需加溫，摺疊的衛星天線因具有“記憶”功能而自然展開，恢復拋物面形狀。

基本介紹

• 中文名：形狀記憶合金
• 外文名：shape memory alloy
• 簡稱：SMA
• 特點：加熱後消除其在低溫下發生的變形
• 具有：形狀記憶效應
• 性質：偽彈性

簡介

形狀記憶合金(shape memory alloy)在臨床醫療領域內有著廣泛的套用，例如人造骨骼、傷骨固定加壓器、牙科正畸器、各類腔內支架、栓塞器、心臟修補器、血栓過濾器、介入導絲和手術縫合線等等，記憶合金在現代醫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。

加熱會變直的勺子

形狀記憶合金具有形狀記憶效應（shape memory effect），以記憶合金製成的彈簧為例，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，調節或關閉供水管道，避免燙傷。也可以製作成消防報警裝置及電器設備的保險裝置。當發生火災時,記憶合金製成的彈簧發生形變，啟動消防報警裝置，達到報警的目的。還可以把用記憶合金製成的彈簧放在暖氣的閥門內，用以保持暖房的溫度，當溫度過低或過高時，自動開啟或關閉暖氣的閥門。形狀記憶合金的形狀記憶效應還廣泛套用於各類溫度感測器觸發器中。

形狀記憶合金另一種重要性質是偽彈性（pseudoelasticity，又稱超彈性，superelasticity），表現為在外力作用下，形狀記憶合金具有比一般金屬大的多的變形恢復能力，即載入過程中產生的大應變會隨著卸載而恢復。這一性能在醫學和建築減震以及日常生活方面得到了普遍套用。例如前面提到的人造骨骼、傷骨固定加壓器、牙科正畸器等。用形狀記憶合金製造的眼鏡架，可以承受比普通材料大得多的變形而不發生破壞（並不是套用形狀記憶效應，發生變形後再加熱而恢復）。

起源

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後，一旦加熱到一定的躍變溫度時，它又可以魔術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。記憶合金的開發迄今不過20餘年，但由於其在各領域的特效套用，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現，在高於室溫較多的某溫度範圍內，把一種鎳-鈦合金絲燒成彈簧，然後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。後來陸續發現，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變溫度；在這一溫度以上將該合金加工成一定的形狀，然後將其冷卻到轉變溫度以下，人為地改變其形狀後再加熱到轉變溫度以上，該合金便會自動地恢復到原先在轉變溫度以上加工成的形狀。

1969年，鎳--鈦合金的“形狀記憶效應”首次在工業上套用。人們採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線，選用轉變溫度低於使用溫度的某種形狀記憶合金，在高於其轉變溫度的條件下，做成內徑比待對接管子外徑略微小一點的短管(作接頭用)，然後在低於其轉變溫度下將其內徑稍加擴大，再把連線好的管道放到該接頭的轉變溫度時，接頭就自動收縮而扣緊被接管道，形成牢固緊密的連線。美國在某種噴氣式戰鬥機的油壓系統中便使用了一種鎳-鈦合金接頭，從未發生過漏油、脫落或破損事故。

1969年7月20日，美國太空人乘坐“阿波羅”11號登月艙在月球上首次留下了人類的腳印，並通過一個直徑數米的半球形天線傳輸月球和地球之間的信息。這個龐然大物般的天線是怎么被帶到月球上的呢?就是用一種形狀記憶合金材料，先在其轉變溫度以上按預定要求做好，然後降低溫度把它壓成一團，裝進登月艙帶上天去。放置於月球後，在陽光照射下，達到該合金的轉變溫度，天線“記”起了自己的本來面貌，變成一個巨大的半球。

科學家在鎳-鈦合金中添加其他元素，進一步研究開發了鈦鎳銅、鈦鎳鐵、鈦鎳鉻等新的鎳鈦系形狀記憶合金；除此以外還有其他種類的形狀記憶合金，如:銅鎳系合金、銅鋁系合金、銅鋅系合金、鐵系合金(Fe-Mn-Si, Fe-Pd)等。

形狀記憶合金在生物工程、醫藥、能源和自動化等方面也都有廣闊的套用前景。

分類

形狀記憶合金之所以具有變形恢復能力，是因為變形過程中材料內部發生的熱彈性馬氏體相變。形狀記憶合金中具有兩種相：高溫相奧氏體相，低溫相馬氏體相。根據不同的熱力載荷條件，形狀記憶合金呈現出兩種性能。

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，加熱後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，冷卻時變為形狀相同而取向相反的低溫相形狀，稱為全程記憶效應。

SMA的形狀記憶效應源於熱彈性馬氏體相變，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。只有當溫度低於平衡溫度T0時才會產生馬氏體相變，反之，只有當溫度高於平衡溫度T0時才會發生逆相變。

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馬氏體相變，且相變溫度同應力呈線性關係。

至今為止發現的記憶合金體系：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下受到外力發生較大變形，去除外力後，大變形完全恢復。但是在變形過程中，應力應變曲線並不是線性的，會產生耗散能。

套用

形狀記憶合金由於具有許多優異的性能，因而廣泛套用於航空航天、機械電子、生物醫療、橋樑建築、汽車工業及日常生活等多個領域。

航空航天工業

形狀記憶合金已套用到航空和太空裝置。如用在軍用飛機的液壓系統中的低溫配合連線件，歐洲和美國正在研製用於直升飛機的智慧型水平旋翼中的形狀記憶合金材料。由於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。目前已開發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。

還可用於製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境下製做好天線，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，按照需求向地球發回寶貴的宇宙信息。

另外，在衛星中使用一種可打開容器的形狀記憶釋放裝置，該容器用於保護靈敏的鍺探測器免受裝配和發射期間的污染。

機械電子產品

1970 年美國用形狀記憶合金製作 F-14 戰鬥上的低溫配合連線器，隨後有數以百萬以上的連件的套用[5]。形狀記憶合金作為低溫配合連線在飛機的液壓系統中及體積較小的石油、石化、電工業產品中套用。另一種連線件的形狀是焊接的網狀金屬絲，用於製造導體的金屬絲編織層的安全接頭。這種接件已經用於密封裝置、電氣連線裝置、電子工程機械裝置，並能在-65~300℃可靠地工作。已開發出的密封系統裝置可在嚴酷的環境中用作電氣件連線[6]。

將形狀記憶合金製作成一個可打開和關閉快門的彈簧，用於保護霧燈免于飛行碎片的擊壞。用於製造精密儀器或精密車床，一旦由於震動、碰撞等原因變形，只需加熱即可排除故障。在機械製造過程中，各種衝壓和機械操作常需將零件從一台機器轉移到另一台機器上，現在利用形狀記憶合金開發了一種取代手動或液壓夾具，這種裝置叫驅動汽缸，它具有效率高靈活，裝夾力大等特點。

生物醫療

用於醫學領域的 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 可與生物體形成穩定的鈍化膜。在醫學上 TiNi 合金主要套用有：

(a)牙齒矯形絲 用超彈性 TiNi 合金絲和不鏽鋼絲做的牙齒矯正絲，其中用超彈性 TiNi 合金絲是最適宜的。通常牙齒矯形用不鏽鋼絲 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，而且結紮固定要求熟練。如果用 TiNi 合金作牙齒矯形絲，即使應變高達10%也不會產生塑性變形，而且應力誘發馬氏體相變(stress-induced martensite)使彈性模量呈現非線型特性，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) 脊柱側彎矯形 各種脊柱側彎症(先天性、習慣性、神經性、佝僂病性、特發性等)疾病，不僅身心受到嚴重損傷，而且內臟也受到壓迫，所以有必要進行外科手術矯形。目前這種手術採用不鏽鋼制哈倫敦棒矯形，在手術中安放矯形棒時，要求固定後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，結果不僅是脊柱，而且連神經也有受損傷的危險。同時存在矯形棒安放後矯正力會隨時間變化，大約矯正力降到初始時的30%時，就需要再進行手術調整矯正力，這樣給患者在精神和肉體上都造成極大痛苦。採用形狀記憶合金製作的哈倫頓棒，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。

另外，外科中用 TiNi 形狀記憶合金製做各種骨連線器、血管夾、凝血濾器以及血管擴張元件等。同時還廣泛套用於口腔科、骨科、心血管科、胸外科、肝膽科、泌尿科、婦科等，隨著形狀記憶的發展，醫學套用將會更加廣泛。

建築結構

利用形狀記憶合金的偽彈性性能和動阻尼特性，形狀記憶合金被用於被動控制結構受地震影響，起到抗震的作用。應運於結構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；這些閥門也可用於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，形狀記憶合金驅動閥門關閉，直到水溫降到安全溫度，閥門才重新打開。

(b) 眼鏡框架 在眼鏡框架的鼻樑和耳部裝配 TiNi 合金可使人感到舒適並抗磨損，由於 TiNi 合金所具有的柔韌性已使它們廣泛用於改變眼鏡時尚界。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恆定力夾牢鏡片。這些超彈性合金製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) 行動電話天線和火災檢查閥門 使用超彈性TiNi金屬絲做蜂窩狀電話天線是形狀記憶合金的另一個套用。過去使用不鏽鋼天線，由於彎曲常常出現損壞問題。使用TiNi形狀記憶合金絲行動電話天線，具有高抗破壞性受到人們普遍歡迎。因此常用來製作蜂窩狀電話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閉，防止了危險氣體進入。這種特殊結構設計的優點是，它具有檢查閥門的操作，然後又能復位到安全狀態；這種火災檢查閥門在半導體製造業中得到使用，在半導體製造的擴散過程中使用了有毒的氣體；這種火災檢查閥也可在化學和石油工廠套用。

其它

在工程和建築領域用 TiNi 形狀記憶合金作為隔音材料及探測地震損害控制的潛力已顯示出來。已試驗了橋樑和建築物中的套用，因此作為隔音材料及探測損害控制的套用已成為一個新的套用領域。

隨著薄膜形狀記憶合金材料的出現和開發利用，形狀記憶合金在智慧型材料系統中受到高度重視，套用前景更廣闊。