形状记忆合金(Shape Memory Alloy)
化学2班 王文昱 20420102201319
摘要：形状记忆效应自20世纪30年代报道以来逐步得到人们的重视并加以应用，被人们誉为“神奇的功能材料”, 本文主要介绍了形状记忆合金合金的发展历史及其在许多领域的应用以及未来的一些发展趋势。
关键词：形状记忆合金、各领域应用、原理及发现
形状记忆合金是一种能够记忆原有形状的智能材料。这种合金对形状具有记忆的能力，而且记性相当好，有些甚至反复改变500万次后，仍能在一定条件下完全恢复原状。每种以一定元素按一定比例组成的形状记忆合金都有一个转变为温度。
当合金在低于相变态温度下,受到一有限度的塑性变形后,可由加热的方法使其恢复到变形前的原始状态,这种特殊的现象成为形状记忆效应。而当合金在高于相变态温度下,施以一应力使其收到有限度的塑性变形后,可利用直接释放应力的方式使其恢复到变形前的原始状态,这种特殊的现象又称为拟弹性或超弹性。这两种形状记忆合金所拥有的独特性质在普通金属或合金材料上是无法发现的。
[6]
[1]
一、形状记忆效应的发现
1932年瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到了形状记忆效应。最早关于形状记忆合金效应的报道是有Chang及Read等人在1952年作出的。他们观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象。但当时并未引起人们的广泛注意。直到1962年,Buehler及其合作者在等原子比的Ti-Ni合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应,才引起了材料科学界与工业界的重视。
[3]
二、记忆效应的分类
形状记忆合金在较低温度下变形,较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。某些合金加热是恢复高温相形状,冷却时又能恢复低温相形状,称为双程记忆效应。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。
三、记忆合金体系及各领域应用
至
今
为
止
发
现
的
记
忆
合
金
体
系
有
Au-Cd,Ag-Cd,Cu-Zn,Cu-Zn-Al,Cu-Zn-Sn,Cu-Zn-Ga,In-Ti,Au-Cu-Zn,Ni-Al,Fe-Pt,Ti-Ni,Ti-Ni-Pd,Ti-Nb,U-Nb和Fe-Mn-Si等。到目前为止,应用最多的是Ni-Ti合金和铜基合金(Cu-Zn-Al和 Cu-Al-Ni)。各种体系的记忆合金各有千秋。Ni-Ti合金的性能好，可靠性强，但价格贵。铜基和金价格便宜，但可靠性差。铁基合金价格便宜，刚性好，强度大，易加工。 1969年,镍-钛合金的形状记忆效应第一次在工业上应用。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条件下做成内径比待对接管子外径略微小一点的短管,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。美国在某种喷气式战斗机的油压系统中便使用了这种镍-钛合金接头,从未发生过漏油,脱落或破损事故。
[3]
据统计，仅一架F-14战斗机的液压系统就要用800万只这种套筒接头，至今各种飞机使用的数量已达到100万件。记忆合金的开发不过20余年,但由于其在各领域的特效应用正广为世人所瞩目,被誉为“神奇的功能材料”。
由于记忆合金的特殊的记忆功能，现已广泛应用于航空、卫星、医疗、生物工程、能源和自动化等方面。
[1]
1. 航空航天工业
在航天方面，常用Ni-Ti合金制成天线。用在宇宙飞船上的天线是非常庞大的，呈半球月面状。若用普通金属制成这样的天线，由于宇宙飞船的体积是有限的，无法把它带上去，但采用记忆温度为40摄氏度的Ni-Ti合金在40摄氏度以上做成月面天线，然后再冷却到40摄氏度以下，这时天线就可以折叠成一个小球团，从而达到方便的装进宇宙飞船的目的。当宇宙飞船到达月球后，受到太阳光的强烈照射，小球团的温度很容易达到40摄氏度以上，此时它就恢复原来的形状，张开呈伞面开始工作。[1]
2.生物医疗.
临床上用的最普遍的是镍钛（Ni-Ti）形状记忆合金（SMA），简称NT—SMA。NT—SMA是集耐磨、耐腐蚀、形状记忆效应伪弱性和声阻尼等性能于一体的新材料，有热弹力型的马氏体变态，有种种难以想象的性质。[3]采用Ni-Ti合金做成人体用的生物植入件，如脊柱矫直用的支板，齿科用的矫齿丝以及人体矫形外科用的假肢等。用于医学领域的 Ti-Ni 形状记忆
合金，除了利用其形状记忆效应或超弹性外，还应满足化学和生物学等方面的要求，即良好的生物相容性。Ti-Ni 可与生物体形成稳定的钝化膜。目前，在医学上 Ti-Ni 合金主要应用有： (1)牙齿矫形丝 用超弹性 Ti-Ni 合金丝和不锈钢丝做的牙齿矫正丝，其中用超弹性 Ti-Ni 合金丝是最适宜的。通常牙齿矫形用不锈钢丝
Co-Cr 合金丝，但这些材料有弹性模量高，弹性应变小的缺点。为了给出适宜的矫正力，在矫正前就要加工成弓形，而且结扎固定要求熟练。如果用 Ti-Ni 合金作牙齿矫形丝，即使应变高达10%也不会产生塑性变形。这种材料不仅操作简单，疗效好，也可减轻患者不适感。
(2) 脊柱侧弯矫形 各种脊柱侧弯症(先天性、习惯性、神经性、佝偻病性、特发性等)疾病，不仅身心受到严重损伤，而且内脏也受到压迫，所以有必要进行外科手术矫形。目前这种手术采用不锈钢制哈伦敦棒矫形，在手术中安放矫形棒时，要求固定后脊柱受到的矫正力保持在30~40kg以下，一但受力过大，矫形棒就会破坏，结果不仅是脊柱，而且连神经也有
受损伤的危险。如果矫形棒的矫正力有变化，以通过体外加热形状记忆合金，把温度升高到比体温约高5℃，就能恢复足够的矫正力。另外，外科中用 Ti-Ni 形状记忆合金制做各种骨连接器、血管夹、凝血滤器以及血管扩张元件等。同时还广泛应用于口腔科、骨科、心血管科、胸外科、肝胆科、泌尿科、妇科等，随着形状记忆的发展，医学应用将会更加广泛。[3]
Scoliosis correction with SMA implantsOrthodontia ArchwireSMA制造的脊椎矫正植入体3.日常生活
. (1) 防烫伤阀 在家庭生活中，已开发的形状记忆阀可用来防止洗涤槽中、浴盆和浴室的热水意外烫伤；这些阀门也可用于旅馆和其他适宜的地方。如果水龙头流出的水温达到可能烫伤人的温度(大约 48℃)时，形状记忆合金驱动阀门关闭，直到水温降到安全温度，阀门才重新打开。[6]
(2) 眼镜框架 在眼镜框架的鼻梁和耳部装配 Ti-Ni 合金可使人感到舒适并抗磨损，由于 Ti-Ni 合金所具有的柔韧性已使它
牙齿矫正丝们广泛用于改变眼镜时尚界。用超弹性 Ti-Ni 合金丝做眼镜框架，即使镜片热膨胀，该形状记忆合金丝也能靠超弹性的恒定力夹牢镜片。这些超弹性合金制造的眼镜框架的变形能力很大，而普通的眼镜框则不能做到。
(3) 移动电话天线和火灾检查阀门 使用超弹性Ti-Ni金属丝做蜂窝状电话天线是形状记忆合金的另一个应用。过去使用不锈钢天线，由于弯曲常常出现损坏问题。使用Ti-Ni形状记忆合金丝移动电话天线，具有高抗破坏性受到人们普遍欢迎。因此常用来制作蜂窝状电话天线和火灾检查阀门。火灾中，当局部地方升温时阀门会自动关闭，防止了危险气体进入。这种特殊结构设计的优点是，它具有检查阀门的操作，然后又能复位到安全状态；这种火灾检查阀门在半导体制造业中得到使用，在半导体制造的扩散过程中使用了有毒的气体；这种火灾检查阀也可在化学和石油工厂应用。
[5]
四、 发展趋势及展望
记忆合金的产业发展离不开基础及应用研究的有力支撑，未来记忆合金的材料研究将向高温、低温、宽滞后、窄滞后、双程、全程、磁控响应、色调记忆等方向发展；工艺研究将向低成本、高质量、多品种的目标迈进，开发研制忆合金多孔材料、薄膜、超细丝、纤维等具有全新用途的功能材料。记忆合金元件的小型化、智
SMA火灾报警器能化、大型化是元件设计的不同方向。随着应用研究和产业的不断发展，我国记忆
合金的技术水平、产品质量、生产规模都取得了长足的进步，记忆合金生产成本也相应的有了很大程度的降低，原本因为价格因素而局限应用于军工、医疗和高档民用领域产品的记忆合金得以在更多的领域得到更为广泛的应用，这给记忆合金的产业发展提供了新的机遇。可以预见的是，记忆合金丝棒板材、医用产品、紧固连接件、解锁驱动件和智能复合材料等方面将是今后记忆合金产业化发展的趋势。[4]
参考文献:
[1] 解守宗,《我们周围的化学》,上海,上海科学技术出版社,2003.5:270~277.
[2]赵连城、蔡伟、郑玉峰,《合金的形状记忆效应与超弹性》,北京,国防工业出版社,2002.1:1～4.
[3] 爱你绵绵无绝期,形状记忆合金,http://baike.http://m.wodefanwen.com//view/272703.htm,2011.5.20, [4] 缪卫东,《我国形状记忆合金应用现状及发展趋势》,《新材料产业》NO.5 2008
[5]yys,《第五章 形状记忆合金》,
http://wenku.http://m.wodefanwen.com//view/2e7e5f4fe518964bcf847c9b.html,2011.5.23 [6]李程鹏,《形状记忆合金及其应用》
http://wenku.http://m.wodefanwen.com//view/137121000740be1e650e9a77.html,2011.5.23