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一文看懂形狀記憶合金

2019-02-12 11:46:22 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：材易通分享至：

形狀記憶合金Shape Memory Alloysch

1概論

具有形狀記憶效應(yīng)（Shape Memory Effect，SME）的合金稱(chēng)為形狀記憶合金（Shape Memory Alloys，SMA）。經(jīng)過(guò)80多年的發(fā)展，SMA已發(fā)展成為普通SMA、高溫SMA、磁性SMA和復(fù)合SMA等4大類(lèi)100多種。

形狀記憶合金中的相和晶體結(jié)構(gòu)形狀記憶合金與形狀記憶聚合物的性能比較SMA的種類(lèi)普通SMA主要包括Ni-Ti基、Cu基、Fe基、Ag基、Au基、Co基SMA等，其中Ni-Ti基SMA性能最好，應(yīng)用最廣。

普通SMA的成分范圍和馬氏體相變開(kāi)始溫度點(diǎn)（Ms）

高溫SMA。Ti-Ni基、Cu基和Fe基等SMA的相變溫度較低，不適用于制作工作溫度超過(guò)150℃的元件。因此分別在Ni-Ti、Cu-Al-Ti、Ni-Al等合金的基礎(chǔ)上加入其它元素形成高溫SMA。但大多數(shù)高溫SMA塑性和抗疲勞性能差，制造成本較高。目前只有Ti-Ni-Pd、Ti-Ni-PT、Ni-Ti-Hf，Ni-Ti-Zr和Cu-Al-Ni-Mn合金有望用于100~300℃環(huán)境。

高溫SMA及其特性高溫SMA的種類(lèi)、馬氏體類(lèi)型、合金化元素及其作用

磁性SMA又稱(chēng)鐵磁SMA（FSMA），其驅(qū)動(dòng)靠磁場(chǎng)傳輸而不是靠相對(duì)緩慢的傳熱機(jī)理，故可用于制作高頻（達(dá)1kHZ）驅(qū)動(dòng)器。磁性SMA利用磁場(chǎng)對(duì)合金中的馬氏體變體施加靜磁力，促使有利取向的馬氏體變體長(zhǎng)大，吞并不利取向的變體，從而產(chǎn)生宏觀(guān)變形。磁場(chǎng)強(qiáng)度減小或撤去時(shí)，孿晶界又回到初始位置。磁性SME只存在具有熱彈性馬氏體相變的磁性合金中，典型磁致SMA有NiMnGa、NiFeGa、Fe基和Co基合金等。

MSMA適合填補(bǔ)形狀記憶合金和磁致伸縮材料之間的技術(shù)空缺，適用于低應(yīng)力大位移的馬達(dá)和閥門(mén)場(chǎng)合。MSMA硬而脆，難成行，僅適用于低溫場(chǎng)合，不適合于高溫度大應(yīng)力場(chǎng)合。

SMA集感知和驅(qū)動(dòng)于一體，通過(guò)改變環(huán)境溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外作功，故可制作智能驅(qū)動(dòng)器和減振器，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料損傷的主動(dòng)監(jiān)控。將SMA材料與其他材料結(jié)合將獲得綜合性能優(yōu)異的復(fù)合SMA。

SMA與其他材料的性能比較

2性能

SMA具有SME、SE、高阻尼、高驅(qū)動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變、高能量密度、較高能效、較低動(dòng)作頻率以及相變誘發(fā)塑性等特性。

SMA的特性

2.1 形狀記憶效應(yīng)

形狀記憶效應(yīng)是指特定合金在高溫下處理成一定的形狀，然后冷卻至低溫馬氏體相變狀態(tài)Mf后，將進(jìn)行一定限度的塑性變形后，然后再加熱到高溫母相狀態(tài)（Af）時(shí)，又恢復(fù)到低溫變形前形狀的效應(yīng)。

Fe在910℃以下為體心立方晶格結(jié)構(gòu)的a-Fe；910℃以上為面心立方晶格結(jié)構(gòu)的γ-Fe；碳元素溶解到a-Fe中形成的固溶體為鐵素體（F）；碳元素溶解到γ-Fe中形成的固溶體為奧氏體（A）；如果奧氏體以較大的冷卻速率過(guò)冷，奧氏體中的碳原子無(wú)法擴(kuò)散，奧氏體直接轉(zhuǎn)變成含碳過(guò)飽和的固溶體，稱(chēng)為馬氏體（M），馬氏體的強(qiáng)度和硬度高、塑性低及脆性大。馬氏體相變開(kāi)始和相變結(jié)束的溫度分別表示為Ms和Mf，馬氏體逆相變（轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體）的開(kāi)始和結(jié)束的溫度分別表示為As和Af。

奧氏體、鐵素體、馬氏體的晶胞示意圖

等溫轉(zhuǎn)變示意圖（A—奧氏體，P—珠光體，B—貝氏體，M—馬氏體）

馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程示意圖

形狀記憶合金的3種形狀記憶效應(yīng)

單程記憶效應(yīng)指SMA在低于馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度Ms下應(yīng)力加載變形，應(yīng)力去除后，隨之加熱至母相逆轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度As以上，恢復(fù)變形前形狀，隨后在冷熱循環(huán)中，合金的形狀不改變。

雙程記憶效應(yīng)指SMA在低于Ms下應(yīng)力加載變形，應(yīng)力去除后，加熱至As以上，回復(fù)至初始形狀，隨后在加熱和冷卻循環(huán)中，合金升溫變?yōu)楦邷谹時(shí)的形狀，冷卻變成低溫M時(shí)的形狀。

全程記憶效應(yīng)指SMA在低于Ms下應(yīng)力加載變形，應(yīng)力去除后，加熱至As以上，恢復(fù)初始形狀，但冷卻后，合金的形狀與初始形狀相反。該效應(yīng)出現(xiàn)在固溶時(shí)效態(tài)富鎳Ti-Ni形狀記憶合金中。

形狀記憶合金之所以具有變形恢復(fù)能力，是因?yàn)樽冃芜^(guò)程中材料內(nèi)部發(fā)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(jù)不同的熱力學(xué)載荷條件，形狀記憶合金呈現(xiàn)出兩種性能：形狀記憶效應(yīng)、偽彈性。

SMA形狀記憶效應(yīng)示意圖

2.2 超彈性

超彈性（Superelasticity, SE）指SMA在加載變形后產(chǎn)生的應(yīng)變大于材料的彈性極限應(yīng)變量，當(dāng)應(yīng)力去除后試樣恢復(fù)原狀的現(xiàn)象。常溫下，處于A狀態(tài)下的合金在外界應(yīng)力作用下誘發(fā)M 相變，此時(shí)多個(gè)M 變體向最有利于變形的方向上趨于單一變體，合金的形狀發(fā)生變化。這種M只有在外界應(yīng)力存在的條件下存在，當(dāng)應(yīng)力去除后M會(huì)立即逆向轉(zhuǎn)變成母相，試樣的形狀也隨之恢復(fù)。

根據(jù)合金成分和熱處理工藝不同，SE分線(xiàn)性SE和非線(xiàn)性SE。不通過(guò)加熱即恢復(fù)到原來(lái)形狀的相變，其應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)是非線(xiàn)性的，稱(chēng)為相變偽彈性，應(yīng)變完全恢復(fù)時(shí)稱(chēng)為超彈性。

SMA 的SME和SE本質(zhì)屬同一種相變現(xiàn)象，只是誘發(fā)其逆向相變的原因不同。SME 的M 逆轉(zhuǎn)變是在應(yīng)力去除后，通過(guò)加熱升溫使M 發(fā)生逆向轉(zhuǎn)變成母相狀態(tài)，SE 則是在應(yīng)力去除后，M自動(dòng)發(fā)生逆向轉(zhuǎn)變成母相狀態(tài)。

超彈性與形狀記憶效應(yīng)示意圖

2.3 高阻尼性能

高阻尼性能是由于晶體內(nèi)部的M相變，M變體之間的界面具有粘彈性，且在應(yīng)力作用下，M 相中形成的各種界面（孿晶面、相界面、變體界面）之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生滯彈性遷移，使應(yīng)變落后于應(yīng)力，可以將震動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，達(dá)到減震阻尼的效果。

金屬材料的阻尼按能量耗散的機(jī)理可分為熱彈性阻尼、磁性阻尼、位錯(cuò)阻尼、界面阻尼等。

SMA通過(guò)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能主要有3 種機(jī)制即：內(nèi)耗機(jī)制、M孿晶再取向機(jī)制，應(yīng)力誘發(fā)M機(jī)制。

內(nèi)耗機(jī)制指SMA在M相變的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生的M變體，其不同變體間的界面會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并且能壘較低，應(yīng)次單力循環(huán)吸收能量少，但其震動(dòng)頻率范圍大。

M孿晶再取向機(jī)制指的是在M相變過(guò)程中，M變體之間的各個(gè)界面首先發(fā)生孿晶的再取向方式，在應(yīng)力方向上，有利取向的變體長(zhǎng)大，不利取向變體消失，最終所有的M孿晶變體再取向，形成一個(gè)最有利于變形的單一M變體。

應(yīng)力誘發(fā)M機(jī)制用SMA 超彈性應(yīng)力-應(yīng)變旗幟形狀曲線(xiàn)圖可以明顯看出，誘發(fā)M相轉(zhuǎn)變的應(yīng)力遠(yuǎn)高于M 逆相變的應(yīng)力。曲線(xiàn)面積即能量損耗轉(zhuǎn)變成內(nèi)能的功，達(dá)到阻尼效果。

3工藝

3.1 形狀記憶合金的制備

形狀記憶合金的制備通常是先制備合金錠，然后進(jìn)行熱軋、模鍛、擠壓，最后進(jìn)行冷加工。形狀記憶處理（一定的熱處理）是實(shí)現(xiàn)合金形狀記憶功能方面至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

TiNi形狀記憶合金單程記憶效應(yīng)的處理方法分為中溫、低溫、時(shí)效3種工藝。低溫處理：將合金在800 ℃以上退火處理，在室溫下根據(jù)應(yīng)用需要加工成型，然后在250~350℃保溫0.5 h，即成型。這種合金韌性好，易于加工成形狀復(fù)雜、尺寸較小的工藝產(chǎn)品，但其穩(wěn)定性較差，不耐磨；中溫處理：將合金置于低溫環(huán)境中（Ms以下）加工成形，然后放入高溫（Ms以上）環(huán)境下保溫一段時(shí)間，使之成型；時(shí)效處理：將合金在1000 ℃進(jìn)行固溶處理，隨之淬火，再放入400 ℃保溫1 h 時(shí)效處理。當(dāng)合金富Ni 時(shí)，具備析出第二相粒子并且強(qiáng)化合金的條件，適合時(shí)效處理，這種方法既能有效避免合金熔煉過(guò)程中Ti2Ni 型粒子的出現(xiàn)，又可提高合金的SME和SE。

TiNi形狀記憶合金具有雙程記憶效應(yīng)是因?yàn)楹辖鹬写嬖诜较蛐缘膽?yīng)力場(chǎng)或晶體缺陷，相變時(shí)馬氏體容易在缺陷處形核，同時(shí)發(fā)生擇優(yōu)生長(zhǎng)。通過(guò)記憶訓(xùn)練（強(qiáng)制變形）獲得雙程記憶能力：（1）先通過(guò)單程記憶效應(yīng)，記憶高溫相的形狀；（2）隨后在低于Ms溫度，根據(jù)所需形狀進(jìn)行一定限度的可恢復(fù)變形；（3）加熱到As以上溫度，試樣恢復(fù)到高溫態(tài)形狀后，又降低到Ms以下，再變形試件，使之成為低溫所需形狀；（4）反復(fù)處理后，就可獲得雙向記憶效應(yīng)。

3.2 形狀記憶合金薄膜的制備

Ti-Ni SMA薄膜的制備方法包括磁控濺射沉積法、熔體快淬法、閃蒸法、離子束濺射、脈沖激光沉積、電子束沉積、快速凝固甩膜法、脈沖激光沉積法、蒸發(fā)沉積法、等離子快速蒸鍍法和離子束輔助沉積法等。

磁控濺射沉積法指在真空室中，輝光放電產(chǎn)生的正離子在電場(chǎng)作用下，加速后轟擊靶表面，使被轟擊出的粒子在基片上沉積成膜的方法。該方法具有操作簡(jiǎn)單、沉積速度較快、與硅基微器件的制備工藝具有良好的兼容性、鍍膜密度高、薄膜成分與靶材成分基本一致等優(yōu)點(diǎn)，是目前制備Ti-Ni SMA 薄膜的主要方法。

熔體快淬法指在真空狀態(tài)下，給予熔融狀態(tài)的金屬或合金一定壓力，并注射到高速旋轉(zhuǎn)的水冷銅輥上，使其在極大的過(guò)泠度下得以凝固，從而獲得具有超細(xì)結(jié)構(gòu)的非平衡組織薄膜的方法。該方法具有價(jià)格低廉且合金薄膜化學(xué)成分較均勻的優(yōu)點(diǎn)，能夠得到納米級(jí)或非晶態(tài)的薄膜晶粒。工藝流程：母合金冶煉→澆鑄成錠→鑄錠在膜噴嘴試管中再熔化→熔化噴射→高速旋轉(zhuǎn)的冷卻輥→固化→薄膜和輥分離→收集膜子→晶化退火→破碎制粉→SPS燒結(jié)。目前，雖然熔體快淬法制備Ti-Ni 基SMA薄膜的研究有很大進(jìn)展，但仍然存在不少問(wèn)題，如熔體溫度、壓力、輥速、合金成分、熱處理工藝等對(duì)薄膜組織性能的影響規(guī)律有待深入研究，以便優(yōu)化薄膜的成分、工藝、組織和性能。

4應(yīng)用

SMA 能在一個(gè)較窄的溫度范圍內(nèi)獲得4%~8%的可逆回復(fù)應(yīng)變，如果加熱時(shí)阻止其應(yīng)變回復(fù)，則SMA可產(chǎn)生較大的反抗應(yīng)力。亦即在一定條件下通過(guò)改變溫度，SMA可以對(duì)外輸出力或位移。由于SMA具有感知和驅(qū)動(dòng)雙重功能，以及能產(chǎn)生較大的可逆形狀響應(yīng)應(yīng)力和應(yīng)變，已在汽車(chē)、航空航天、機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

SMA的應(yīng)用

4.1 汽車(chē)

在現(xiàn)代交通工具中，由于對(duì)更具有安全、舒適性能的交通工具的需求使得傳感器和驅(qū)動(dòng)器的市場(chǎng)需求猛增。在汽車(chē)應(yīng)用上SMA 多作為線(xiàn)制動(dòng)器（如：后視鏡折疊、溫度控制副翼、鎖控）和熱制動(dòng)器（如：發(fā)動(dòng)機(jī)溫度控制、碳化合物發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑、動(dòng)力離合器）。

可微型化的SMA 驅(qū)動(dòng)器有利于減小汽車(chē)組件的尺寸、重量和費(fèi)用，意義重大。如電驅(qū)動(dòng)的遮光后視鏡縮放儀，SMA 靈活的汽車(chē)滾動(dòng)副翼（輪）代替?zhèn)鹘y(tǒng)電磁氣動(dòng)效應(yīng)器，一個(gè)自動(dòng)行人保護(hù)系統(tǒng)（彈起式閥蓋）用以減小行人受到撞擊作用的傷害，一個(gè)花費(fèi)有效的側(cè)鏡制動(dòng)器，一個(gè)使用了FSMA 制動(dòng)器的對(duì)目標(biāo)距離和目標(biāo)角度光傳感的微掃描系統(tǒng)。

汽車(chē)應(yīng)用的挑戰(zhàn)之一是 SMA 與汽車(chē)電池的相容性。

SMA在汽車(chē)上的應(yīng)用

4.2 航空航天

形狀記憶合金已應(yīng)用到航空和太空裝置。SMA 在航空航天領(lǐng)域得以成功應(yīng)用的還有致動(dòng)器、結(jié)構(gòu)連接器、震動(dòng)阻尼器、密封材料、釋放或展開(kāi)機(jī)構(gòu)、可充氣結(jié)構(gòu)、操縱器和探路器等。如用在軍用飛機(jī)的液壓系統(tǒng)中的低溫配合連接件，歐洲和美國(guó)正在研制用于直升飛機(jī)的智能水平旋翼中的形狀記憶合金材料。由于直升飛機(jī)高震動(dòng)和高噪聲使用受到限制，其噪聲和震動(dòng)的來(lái)源主要是葉片渦流干擾，以及葉片型線(xiàn)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)。目前已開(kāi)發(fā)出一種葉片的軌跡控制器，它是用一個(gè)小的雙管形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器控制葉片邊緣軌跡上的小翼片的位置，使其震動(dòng)降到最低。還可用于制造探索宇宙奧秘的月球天線(xiàn)，人們利用形狀記憶合金在高溫環(huán)境下制做好天線(xiàn)，再在低溫下把它壓縮成一個(gè)小鐵球，使它的體積縮小到原來(lái)的千分之一，這樣很容易運(yùn)上月球，太陽(yáng)的強(qiáng)烈的輻射使它恢復(fù)原來(lái)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(kāi)容器的形狀記憶釋放裝置，該容器用于保護(hù)靈敏的鍺探測(cè)器免受裝配和發(fā)射期間的污染。

形狀記憶合金在航空航天領(lǐng)域重的應(yīng)用

4.3 機(jī)器人

SMA 在機(jī)器人方面也有許多成功的應(yīng)用，如微致動(dòng)器、人造肌肉等。但也面臨不少挑戰(zhàn)：硬件平臺(tái)的性能和微型化，集成系統(tǒng)的智能化（即小、快、可靠、自動(dòng)化）。需要解決的技術(shù)問(wèn)題包括固定困難、低電阻、微型電子鏈接（對(duì)微型機(jī)器人）、小應(yīng)變輸出、控制問(wèn)題和超低效率等。

SMA 驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)速度受其形狀和尺寸的影響明顯。電阻加熱一般用于小型SMA 驅(qū)動(dòng)器（最大直徑是400 微米），間接加熱應(yīng)用于厚驅(qū)動(dòng)器，為增大驅(qū)動(dòng)頻率，將電容器和厚驅(qū)動(dòng)器復(fù)合在一起可獲得快速加熱反應(yīng)。可以采用冷卻措施以促進(jìn)冷卻過(guò)程，但這樣會(huì)造成設(shè)備笨重；此外，增加機(jī)器人的自由度必須增加驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量，這將會(huì)導(dǎo)致控制問(wèn)題復(fù)雜。

形狀記憶合金在機(jī)器人領(lǐng)域已有和潛在應(yīng)用

4.4 生物醫(yī)藥

盡管 NiTi 合金比不銹鋼貴很多，但SMA 在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用上展現(xiàn)出極好的性能，如其具有高耐腐蝕性，很好的生物相容性，無(wú)磁性，還有一些其它獨(dú)特的物理特性等，因此其在許多領(lǐng)域的醫(yī)療設(shè)備和裝置上得到了應(yīng)用，包括骨科、神經(jīng)科、心臟科和介質(zhì)放射科、牙科等。產(chǎn)品包括血管內(nèi)支架、導(dǎo)管、醫(yī)療鑷子、骨錨、可變剛度植入物、動(dòng)脈瘤治療、人造心肌、鏡框和引線(xiàn)等。