形状记忆合金
摘要：扼要地叙述了形状记忆合金及其性能，介绍了形状记忆合金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、应用
一、形状记忆合金的发展
形状记忆合金是在一个偶然的机会中，无意间被发现的。那是1961年春末夏初的事情，一天，美国海军的一个研究所军械研究室的冶金专家彼勒，因在其试验的工程中需要一批特殊的合金丝——镍（Ni）钛(Ti)合金丝（又称NT合金）。由于从仓库领来的这些细丝弯弯曲曲盘在一起，于是彼勒让工作人员把它们一根一根的拉直备用，然而在这一过程中，工作人员惊异的发现，这些被拉直的镍钛合金丝在接近火源时，奇迹出现了，它们马上又恢复到与领来时完全一样的弯曲形状，堆积在一起。
冶金专家彼勒对此是既感到惊异又非常有兴趣。为了证实这种现象的存在，他又进行了多次重复实验进行验证，把弯曲的镍钛合金丝拉直后再加热，当弯曲的镍钛合金丝升高到一定的温度时，这些合金丝果然又恢复到了原先的弯曲状态。彼勒的实验结果表明：镍钛合金具有“单向”形状记忆功能，它能“记住”自己在较高温度状态下的形状，无论平时把它变成何种形状，只要把它加热到某一特定的温度，它就能立即恢复到原来的形状。免费论文，记忆能力。将NT合金加工成一定的形状，在300℃～1000℃温度下热处理30分钟，这种合金就能“记住”自己的形状。
在彼勒研究的基础上，科学家们通过进一步的研究与实验还发现：自然界确实存在着能恢复原状的物质。科学家们把镍钛合金所具有的这种特性称为合金的“形状记忆效应”；称这种能恢复原状的合金为形状记忆合金。科学家们在深入研究的过程中还发现，许多合金，如金镉合金、铜铝镍合金、铜锌合金等，也有如同镍钛合金一样的形状记忆功能。
二、形状记忆合金的性能
（一）超弹性特性（伪弹性，机械形状记忆效应）
形状记忆合金的机械性质优良，能恢复的形变可高达10％，而一般 金属材料只有0.1％以下，几乎高出普通金属材料弹性应变两个数量级 ,可用来提高材料的冲击韧性将编制成网状的NiTi合金丝贴在高分子材料表面，明显提高了冲击韧性。这是因为：在冲击过程中，产生了马氏体相变（应力诱发的马氏体相变），消耗了大量的能量，并且由于NiTi合金丝具有均载荷传递性，（类似蜘蛛网）使冲击能量分布至整个复合材料中，导致冲击后的塑性变形很小。这个试验的意义
非同一般，预示着在高科技领域中，高分子材料取代金属材料的可能性。
（二）单程形状记忆效应(One Way Shape Memory Effect——OWSM)
形状记忆合金在较高温度下制成某种形状，在低的温度下任意变形，加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。但重新冷却时，合金不能恢复低温时的形状。OWSM是指合金加热到Af以上温度后，M逆转变到A，恢复高温时形状，但降温发生A到M转变时，不再发生形状变化，仍保留高温形状。利用这种记忆效应可制作一次性的紧固件、连接件和密封垫，通过配合其他元件，也可制作具有双向行程的元件。
（三）双程形状记忆效应(Two Way Shape Memory Effect——TWSM)
某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。TWSM是指合金加热到Af以上温度时，会恢复高温时的形状，冷却到Mf以下温度时，会恢复低温时的形状，如此反复进行。一般而言，合金需经过一定的训练才具有TWSM。具有TWSM的合金可用于制作各种驱动器。
（四）全程形状记忆效应(All-round Shape Memory Effect——ARSM)
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。
三种记忆效应如下图所示。
三、形状记忆合金的应用
形状记忆材料是智能材料一个重要的分支。形状记忆材料自身具有优异的性能，诸如形状记忆效应，伪弹性或高的回复形变，良好的抗震性和适应性。形状记忆效应是指可通过热、化学、机械、光、磁或电等外加刺激，触发材料响应，从而可能改变材料的技术参数，诸如形状、位置、应变、硬度、频率、抗震、摩擦等动态或静态特征。到目前为止，具有形状记忆效应的材料有记忆合金、陶瓷、高聚物、凝胶。由于形状记忆材料容易制成薄膜、纤维或线、颗粒等形式，容易与其他材料结合形成复合材料，其发展越来越受到重视
（一） 记忆合金最令人鼓舞的应用是在航天技术中
1969年7月20日，“阿波罗”11号登月舱在月球着陆，宇航员登月后，在月球上放置了一个半球形的直径数米大的天线，用以向地球发送和接受信息。数米大的天线装在小小的登月舱里送上了太空。天线就是用当时刚刚发明不久的记忆合金制成的。用极薄的记忆合金材料先在正常情况下按预定要求做好，然后降低温度把它压成一团，装进登月舱带上天去。放到月面上以后，在阳光照射下温度升高，当达到转变温度时，天线又“记”起了自己的本来面貌，变成一个巨大
的半球形。
形状记忆合金可以用作航天器上的轻型温度控制调节器。
在太空中形状记忆合金可以被用来在航天器发射之后释放太阳能电池板
利用镍-钛(Ni-Ti)系形状记忆智能材料研制试验了宇宙飞船的无线电通信天线，其制法和应用的示意图如图6所示。首先前Ni-Ti合金丝加热到65℃高温，使其转变为奥氏体物相(图中a)，然后将合金丝冷却，冷却到65℃以下合金丝转变为马氏体。在室温下将马氏体合金丝切成许多小段，再把这些合金丝弯成天线形状，并将天线中各小段相互交叉处焊接固定(图中b)，然后把这天线压成小团，使天线的线度减小到十分之一，以便于宇宙飞船携带(图中c)。当需要使用天线时，只需把这天线小团加热到77℃，使马氏体完全转变为奥氏体，天线便会自动张开，完全恢复天线原来的大小和形状(图中
d)
（2）机械领域方面的应用
1.用记忆合金制成的汽车车身，如车身被撞瘪，只要用开水浇注凹陷的地方，车身在较高温度作用下，就能恢复原来的形状。因为记忆合金“记下”自己在较高温度下被制成的车身形状。 我们完全可以设想：假如用记忆合金材料造一辆赛车，那么，即使车被撞得面目全非，只要烤烤火或者泡个热水澡，“报废”的赛车就会像瘪了的乒乓球一样恢复原样，重新上路！
2.记忆合金材料夹制在汽车轮胎中，紧急刹车，摩擦生热，使加在轮胎中的合金丝动作，从而有效刹车。
3.记忆合金的出现，也导致了许多记忆合金部件或装置的发明。 利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天线、套环等。 形状记忆合金的最早应用是在管接头和紧固件上。用形状记忆合金加工成内径比欲连接管的外径小4％的套管，然后在液氮（－200多℃）温度下将套管扩径约8％，装配时将这种套管从液氮取出，把欲连接的管子从两端插入。当温度升高至常温时，套管收缩即形成紧固密封。这种连接方式接触紧密能防渗漏，远胜于
焊接，特别适合用于航空、航天、核工业及海底输油管道等危险场合。
4.美国航空专家用记忆合金制成各种机械接头。这种机械接头是在较低温度下，将两个管子扣在一起。在常温下，由于记忆合金恢复原形，从而使接头紧锁在一起，绝不会脱开。1970年，这种接头被应用在F-14型战斗机上（油压系统的镍钛合金管接头），已使用了数百万只；美国海军使用的镍钛合金管接头至今已30万个以上；尚未有漏油或失事的报告。
（四）形状记忆合金在能源开发上也是大有作为的
1.早在1973年，美国就制成了镍钛形状记忆合金热机（热发动机）。美国发明家班克斯用记忆合金制成一台热机。这台热机利用记忆合金丝在温度相差几十度的水中的形状变化，从而输出功率。它既不需要燃料，也不需要电能，而且不排放废气。它的问世，轰动了世界。目前科学家正在做进一步的研究，以使它早日得到应用。
2.近年来，世界各国研制的形状记忆合金热机大都是回转式的，其中以日本研制成的热机具有代表性。这种形状记忆合金热机有两个直径不同的链轮，链轮上配有一条环形链条。作为传动带的环形链条是用形状记忆合金制成。当环形链条的一侧通过热水加热时，链条便恢复原形，即由于形状记忆合金效应而收缩，使得链条另一侧产生拉力，从而引起链轮转动。而当收缩的链条转到另一侧时，受到冷水冷却便变软而伸长。如此反复加热和冷却，就会使记忆合金链条反复缩短和伸长，结果导致链条带动链轮旋转，即可产生机械力。它的转速达每分钟1000转。
（五）电子仪器方面的应用
1.在电子仪器方面，形状记忆合金也大显身手，用它制成的各种电磁控制装置，不仅可取代许多电动器，简化结构，而且降低了成本。例如，自动电子干燥箱采用形状记忆合金后性能大为提高。
利用形状记忆合金制成（热敏）驱动元件的自动电子干燥箱，由干燥室和内装干燥剂的干燥器组成。在干燥器和干燥室之间有一个闸门，而在干燥器的外侧还装有一个排泄湿气的闸门。在电子干燥箱处于低温时，干燥剂吸收空气中的湿气；而当加热器工作使温度升高时，形状记忆合金弹簧开始动作，关闭内闸门而打开外闸门，使干燥剂中的湿气往外排出，同时切断加热器电源。当温度降到一定值时，在偏压弹簧作用下使用形状记忆合金弹簧复原，同时关闭外闸门，并打开内闸门吸湿和接通加热器电源。这样，两个闸门在形状记忆合金弹簧的控制下，交替地打开、关闭，自动地完成了干燥工作。
这种干燥箱的闸门开闭器，采用了镍钛形状记忆合金弹簧和偏压弹簧构成的热敏元件，代替了常用的电磁元件，使干燥箱的体积减小重量减轻，而干燥能力却大为提高。
2.使用形状记忆合金制作的驱动器，可以在低电压、小电流的条件下进行工作，既安全又省电，用一节小号电池就可控制它的开关活动达4万次以上，有些 国家已经将这种小巧玲珑的部件用在微型机器人上。
（六）用于温度控制器
1.形状记忆合金具有感知温度和驱动的双重本领，而所需要的热能可以直接取自周围环境，因而形状记忆合金可制成理想的温度控制装置，用来取代传统的控温装置，使自动控制器不仅能小型化、无声化，而且可提高效率、节约能源和降低成本。例如，现在已将形状记忆金用于灯光调节和遥控门窗开关等方面，取得了较好的效果。
2.电加热水壶手柄控制器（P138图4.36）：水开后，蒸汽吹至记忆合金制作的弹簧上发生马氏体向奥氏体相变，弹簧伸长带动按钮推开电触头，自动切断电源。
3.外因性双向记忆恢复。即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作，如热敏元件、机器人、接线柱等。
4.内因性双向记忆恢复。即利用双程记忆效应随温度升降做反复动作，如热机、热敏元件等。但这类应用记忆衰减快、可靠性差，不常用。
（七）前景展望
在形状记忆合金实用化进程中，急需积累并分析关于材料特性、功能可靠性、生物相容性和细胞毒性等方面的基础数据资料。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。
参考文献：
[1] 杨大智. 智能材料与智能系统. 天津: 天津大学出版社, 2000.
[2] 王 辉, 陈再良. 形状记忆合金材料的应用. 机械工程材料, 2002, 26(3): 5-8.
[3] 刘礼华, 杨恒,王利明, 等. 镍钛形状记忆合金应用及产业化现状. 新材料产业, 2002(8):29-32.
[4] 周旭昌, 曾光廷, 霍永忠, 等. 形状记忆合金管接头的工作原理及研究进展. 机械, 2002, 29(3): 1-3.
[5] 赵连城, 蔡伟, 郑玉峰, 等. 合金的形状记忆效应与超弹性. 北京: 国防工业出版社, 2002.
形状记忆合金
摘要：扼要地叙述了形状记忆合金及其性能，介绍了形状记忆合金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、应用
一、形状记忆合金的发展
形状记忆合金是在一个偶然的机会中，无意间被发现的。那是1961年春末夏初的事情，一天，美国海军的一个研究所军械研究室的冶金专家彼勒，因在其试验的工程中需要一批特殊的合金丝——镍（Ni）钛(Ti)合金丝（又称NT合金）。由于从仓库领来的这些细丝弯弯曲曲盘在一起，于是彼勒让工作人员把它们一根一根的拉直备用，然而在这一过程中，工作人员惊异的发现，这些被拉直的镍钛合金丝在接近火源时，奇迹出现了，它们马上又恢复到与领来时完全一样的弯曲形状，堆积在一起。
冶金专家彼勒对此是既感到惊异又非常有兴趣。为了证实这种现象的存在，他又进行了多次重复实验进行验证，把弯曲的镍钛合金丝拉直后再加热，当弯曲的镍钛合金丝升高到一定的温度时，这些合金丝果然又恢复到了原先的弯曲状态。彼勒的实验结果表明：镍钛合金具有“单向”形状记忆功能，它能“记住”自己在较高温度状态下的形状，无论平时把它变成何种形状，只要把它加热到某一特定的温度，它就能立即恢复到原来的形状。免费论文，记忆能力。将NT合金加工成一定的形状，在300℃～1000℃温度下热处理30分钟，这种合金就能“记住”自己的形状。
在彼勒研究的基础上，科学家们通过进一步的研究与实验还发现：自然界确实存在着能恢复原状的物质。科学家们把镍钛合金所具有的这种特性称为合金的“形状记忆效应”；称这种能恢复原状的合金为形状记忆合金。科学家们在深入研究的过程中还发现，许多合金，如金镉合金、铜铝镍合金、铜锌合金等，也有如同镍钛合金一样的形状记忆功能。
二、形状记忆合金的性能
（一）超弹性特性（伪弹性，机械形状记忆效应）
形状记忆合金的机械性质优良，能恢复的形变可高达10％，而一般 金属材料只有0.1％以下，几乎高出普通金属材料弹性应变两个数量级 ,可用来提高材料的冲击韧性将编制成网状的NiTi合金丝贴在高分子材料表面，明显提高了冲击韧性。这是因为：在冲击过程中，产生了马氏体相变（应力诱发的马氏体相变），消耗了大量的能量，并且由于NiTi合金丝具有均载荷传递性，（类似蜘蛛网）使冲击能量分布至整个复合材料中，导致冲击后的塑性变形很小。这个试验的意义
非同一般，预示着在高科技领域中，高分子材料取代金属材料的可能性。
（二）单程形状记忆效应(One Way Shape Memory Effect——OWSM)
形状记忆合金在较高温度下制成某种形状，在低的温度下任意变形，加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。但重新冷却时，合金不能恢复低温时的形状。OWSM是指合金加热到Af以上温度后，M逆转变到A，恢复高温时形状，但降温发生A到M转变时，不再发生形状变化，仍保留高温形状。利用这种记忆效应可制作一次性的紧固件、连接件和密封垫，通过配合其他元件，也可制作具有双向行程的元件。
（三）双程形状记忆效应(Two Way Shape Memory Effect——TWSM)
某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。TWSM是指合金加热到Af以上温度时，会恢复高温时的形状，冷却到Mf以下温度时，会恢复低温时的形状，如此反复进行。一般而言，合金需经过一定的训练才具有TWSM。具有TWSM的合金可用于制作各种驱动器。
（四）全程形状记忆效应(All-round Shape Memory Effect——ARSM)
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。
三种记忆效应如下图所示。
三、形状记忆合金的应用
形状记忆材料是智能材料一个重要的分支。形状记忆材料自身具有优异的性能，诸如形状记忆效应，伪弹性或高的回复形变，良好的抗震性和适应性。形状记忆效应是指可通过热、化学、机械、光、磁或电等外加刺激，触发材料响应，从而可能改变材料的技术参数，诸如形状、位置、应变、硬度、频率、抗震、摩擦等动态或静态特征。到目前为止，具有形状记忆效应的材料有记忆合金、陶瓷、高聚物、凝胶。由于形状记忆材料容易制成薄膜、纤维或线、颗粒等形式，容易与其他材料结合形成复合材料，其发展越来越受到重视
（一） 记忆合金最令人鼓舞的应用是在航天技术中
1969年7月20日，“阿波罗”11号登月舱在月球着陆，宇航员登月后，在月球上放置了一个半球形的直径数米大的天线，用以向地球发送和接受信息。数米大的天线装在小小的登月舱里送上了太空。天线就是用当时刚刚发明不久的记忆合金制成的。用极薄的记忆合金材料先在正常情况下按预定要求做好，然后降低温度把它压成一团，装进登月舱带上天去。放到月面上以后，在阳光照射下温度升高，当达到转变温度时，天线又“记”起了自己的本来面貌，变成一个巨大
的半球形。
形状记忆合金可以用作航天器上的轻型温度控制调节器。
在太空中形状记忆合金可以被用来在航天器发射之后释放太阳能电池板
利用镍-钛(Ni-Ti)系形状记忆智能材料研制试验了宇宙飞船的无线电通信天线，其制法和应用的示意图如图6所示。首先前Ni-Ti合金丝加热到65℃高温，使其转变为奥氏体物相(图中a)，然后将合金丝冷却，冷却到65℃以下合金丝转变为马氏体。在室温下将马氏体合金丝切成许多小段，再把这些合金丝弯成天线形状，并将天线中各小段相互交叉处焊接固定(图中b)，然后把这天线压成小团，使天线的线度减小到十分之一，以便于宇宙飞船携带(图中c)。当需要使用天线时，只需把这天线小团加热到77℃，使马氏体完全转变为奥氏体，天线便会自动张开，完全恢复天线原来的大小和形状(图中
d)
（2）机械领域方面的应用
1.用记忆合金制成的汽车车身，如车身被撞瘪，只要用开水浇注凹陷的地方，车身在较高温度作用下，就能恢复原来的形状。因为记忆合金“记下”自己在较高温度下被制成的车身形状。 我们完全可以设想：假如用记忆合金材料造一辆赛车，那么，即使车被撞得面目全非，只要烤烤火或者泡个热水澡，“报废”的赛车就会像瘪了的乒乓球一样恢复原样，重新上路！
2.记忆合金材料夹制在汽车轮胎中，紧急刹车，摩擦生热，使加在轮胎中的合金丝动作，从而有效刹车。
3.记忆合金的出现，也导致了许多记忆合金部件或装置的发明。 利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天线、套环等。 形状记忆合金的最早应用是在管接头和紧固件上。用形状记忆合金加工成内径比欲连接管的外径小4％的套管，然后在液氮（－200多℃）温度下将套管扩径约8％，装配时将这种套管从液氮取出，把欲连接的管子从两端插入。当温度升高至常温时，套管收缩即形成紧固密封。这种连接方式接触紧密能防渗漏，远胜于
焊接，特别适合用于航空、航天、核工业及海底输油管道等危险场合。
4.美国航空专家用记忆合金制成各种机械接头。这种机械接头是在较低温度下，将两个管子扣在一起。在常温下，由于记忆合金恢复原形，从而使接头紧锁在一起，绝不会脱开。1970年，这种接头被应用在F-14型战斗机上（油压系统的镍钛合金管接头），已使用了数百万只；美国海军使用的镍钛合金管接头至今已30万个以上；尚未有漏油或失事的报告。
（四）形状记忆合金在能源开发上也是大有作为的
1.早在1973年，美国就制成了镍钛形状记忆合金热机（热发动机）。美国发明家班克斯用记忆合金制成一台热机。这台热机利用记忆合金丝在温度相差几十度的水中的形状变化，从而输出功率。它既不需要燃料，也不需要电能，而且不排放废气。它的问世，轰动了世界。目前科学家正在做进一步的研究，以使它早日得到应用。
2.近年来，世界各国研制的形状记忆合金热机大都是回转式的，其中以日本研制成的热机具有代表性。这种形状记忆合金热机有两个直径不同的链轮，链轮上配有一条环形链条。作为传动带的环形链条是用形状记忆合金制成。当环形链条的一侧通过热水加热时，链条便恢复原形，即由于形状记忆合金效应而收缩，使得链条另一侧产生拉力，从而引起链轮转动。而当收缩的链条转到另一侧时，受到冷水冷却便变软而伸长。如此反复加热和冷却，就会使记忆合金链条反复缩短和伸长，结果导致链条带动链轮旋转，即可产生机械力。它的转速达每分钟1000转。
（五）电子仪器方面的应用
1.在电子仪器方面，形状记忆合金也大显身手，用它制成的各种电磁控制装置，不仅可取代许多电动器，简化结构，而且降低了成本。例如，自动电子干燥箱采用形状记忆合金后性能大为提高。
利用形状记忆合金制成（热敏）驱动元件的自动电子干燥箱，由干燥室和内装干燥剂的干燥器组成。在干燥器和干燥室之间有一个闸门，而在干燥器的外侧还装有一个排泄湿气的闸门。在电子干燥箱处于低温时，干燥剂吸收空气中的湿气；而当加热器工作使温度升高时，形状记忆合金弹簧开始动作，关闭内闸门而打开外闸门，使干燥剂中的湿气往外排出，同时切断加热器电源。当温度降到一定值时，在偏压弹簧作用下使用形状记忆合金弹簧复原，同时关闭外闸门，并打开内闸门吸湿和接通加热器电源。这样，两个闸门在形状记忆合金弹簧的控制下，交替地打开、关闭，自动地完成了干燥工作。
这种干燥箱的闸门开闭器，采用了镍钛形状记忆合金弹簧和偏压弹簧构成的热敏元件，代替了常用的电磁元件，使干燥箱的体积减小重量减轻，而干燥能力却大为提高。
2.使用形状记忆合金制作的驱动器，可以在低电压、小电流的条件下进行工作，既安全又省电，用一节小号电池就可控制它的开关活动达4万次以上，有些 国家已经将这种小巧玲珑的部件用在微型机器人上。
（六）用于温度控制器
1.形状记忆合金具有感知温度和驱动的双重本领，而所需要的热能可以直接取自周围环境，因而形状记忆合金可制成理想的温度控制装置，用来取代传统的控温装置，使自动控制器不仅能小型化、无声化，而且可提高效率、节约能源和降低成本。例如，现在已将形状记忆金用于灯光调节和遥控门窗开关等方面，取得了较好的效果。
2.电加热水壶手柄控制器（P138图4.36）：水开后，蒸汽吹至记忆合金制作的弹簧上发生马氏体向奥氏体相变，弹簧伸长带动按钮推开电触头，自动切断电源。
3.外因性双向记忆恢复。即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作，如热敏元件、机器人、接线柱等。
4.内因性双向记忆恢复。即利用双程记忆效应随温度升降做反复动作，如热机、热敏元件等。但这类应用记忆衰减快、可靠性差，不常用。
（七）前景展望
在形状记忆合金实用化进程中，急需积累并分析关于材料特性、功能可靠性、生物相容性和细胞毒性等方面的基础数据资料。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。
参考文献：
[1] 杨大智. 智能材料与智能系统. 天津: 天津大学出版社, 2000.
[2] 王 辉, 陈再良. 形状记忆合金材料的应用. 机械工程材料, 2002, 26(3): 5-8.
[3] 刘礼华, 杨恒,王利明, 等. 镍钛形状记忆合金应用及产业化现状. 新材料产业, 2002(8):29-32.
[4] 周旭昌, 曾光廷, 霍永忠, 等. 形状记忆合金管接头的工作原理及研究进展. 机械, 2002, 29(3): 1-3.
[5] 赵连城, 蔡伟, 郑玉峰, 等. 合金的形状记忆效应与超弹性. 北京: 国防工业出版社, 2002.