形状记忆合金研究现状及应用

形状记忆合金发展及应用 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及其在许多领域的应用以及未来的一些发展趋势。 关键字:形状记忆合金各领域应用发展趋势 引言:形状记忆合金(shape memory alloy,缩写为SMA)作为一种新型功能性材料,其最显著的特性是形状记忆效应,1932年由Olander在研究AuCd合金时首次发现,随后引起了人们的广泛重视,并由此开始了广泛研究和应用。随着人们逐渐发现形状记忆合金的一些重要特性,如超弹性效应、弹性模量温度变化特性和良好的阻尼性能等。正是这些显著的性能使得形状记忆合金被广泛地应用和研究,应用领域涉及电子、机械、运输、化学、医辽、能源、航天与土木工程等领域。 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 二、记忆效应的分类 (一)单程记忆效应 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。 (二)双程记忆效应 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。 (三)全程记忆效应。 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 - 1 - 全程记忆效应。 三、形状记忆合金在各领域的应用 (一)航空航天工业方面 形状记忆合金可用于制造探索宇宙奥秘的月球天线。由于天线体积庞大,运载上月球很不方便,人们在一定温度环境下用形状记忆合金制成抛物面天线,再在低温下把它压缩成一个直径5厘米以下的小团,使它的体积缩小到只有原先的千分之一,放入登月小艇的舱内,在月面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状。这样就能用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线了。 (二)生物医疗方面 TiNi合金的生物相容性很好,利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。在现有的实用记忆合金中只有与生物体接触后会形成稳定性很强的钝化膜的合金才可以植入生物体内,其中仅合金满足使用条件是目前医学上主要使用的记忆合金在医学上合金应用较广的有口腔牙齿矫形丝外科中用的各种矫形棒、骨连接器、血管夹、凝血滤器等现在在血管扩张元件中也应用了形状记忆合金。 (三)其他方面 1、眼镜框架 在眼镜框架的鼻梁和耳部装配合金可使人感到舒适并抗磨损,由于合金所具有的柔韧性已使它们广泛用于改变眼镜时尚界用超弹性合金丝做眼睛框架,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行。 2、桥梁结构振动控制 记忆合金可用于桥梁被动控制及主动控制、拉索振动控制。对于目前桥梁结构振动控制,合理、有效、安全与经济的抗震途径是采用桥梁减震、隔震新技术,通过设置隔震器和阻尼器,达到增加结构延性、降低结构振动反应和消耗地震能量,把桥梁的变形限制在弹性范围内。对于桥梁结构的隔震体系,不仅要提供附加水平柔度和能量耗散,同时必须能够支撑整个结构物。另外,被动控制方法的主要缺点是对地震的频域特性非常敏感,当地震超出减震、隔震装置的设计烈度 时,减震与隔震效果就很差。而SMA阻尼器作为一种高性能阻尼,与叠层橡胶支座共同工作,可形成桥梁结构的SMA阻尼器一叠层橡胶支座智能隔震体系SMA阻尼器能消耗地震能量,有效减小地震响应。由于高温下奥氏体SMA的弹性模量是低温马氏体SMA的3~4倍,因而可以利用该特性来改变粱、塔的局部或整体刚度,达到避开共振的目的,实现对桥塔或主梁的主动控制,降低结构的动荷载反应。同时应用SMA的弹性模量温度变化特性和形状记忆效应,将常温下为马氏体状态的SMA预变形,埋人梁或主塔中或者与其有限离散点连接。当结构振动时,由于高温下奥氏体状态的弹性模量是低温马氏体的3~4倍,通过加热改变结构局部或整体的刚度及其振动特性;同时,利用SMA高温下产生的回复力改变结构内部的应力状态,改变结构的自振频率,从而避开共振,降低结构的反应。直接利用SMA驱动器施加控制力于振动结构,消耗振动能量,达到降低结构反应的目的。由于SMA阻尼器具有形状记忆效应和高效阻尼性能,故可用来控制拉索的振动,实现对拉索的智能控制。利用SMA阻尼器作为减震副索也是值得探索的。 3、汽车方面 汽车的把手、格栅片及气坝都可以使用记忆合金来改善功用。新开发的汽车把手使用施加电压后形状可发生变化的形状记忆合金,在不使用马达的情况下实现了旋转机构。其机制是:一般情况下,把手处于折叠状态,在上下车时,通过按下车门按钮、打开车门来施加电压,由此使把手打开,从而实现轻松的抓扶;格栅片使用形状记忆合金,可利用形状记忆合金的变形来实现旋转的:热机时打开格栅片,可缩短热机时间;在行驶时关闭格栅片,可减小进入发动机室的空气流量,从而减小空气阻力;气坝在高速行驶时可调整车辆下部及车轮周围产生的空气乱流,从而起到提高燃效的效果。不过,在低速行驶时,下侧突出的气坝挡板容易碰到路面突起及冰雪等物体,时常会受到损伤。因此此次在旋转机构中使用了形状记忆合金、嵌入了根据行驶速度等提高挡板的机构。 4、管道结合和自动化控制 记忆合金已用于管道结合和自动化控制方面,用记忆合金制成套管可以代替焊接,方法是在低温时将管端内全扩大约 4%,装配时套接一起,一经加热,套管收缩恢复原形,形成紧密的接合。美国海军飞机的液压系统使用了10万个这种接头。这种接口用于油压系统管道万余例,至今无一发生漏油或破损事故。船舰和海底油田管道损坏,用记忆合金配件修复起来,十分方便。在一些施工不便的 部位,用记忆合金制成销钉,装入孔内加热,其尾端自动分开卷曲,形成单面装配件。 5、自动启闭器 记忆合金还可用于路灯罩、通风窗、消防设施等地方。现在有的地方已经造出实用的智能路灯罩,能够实现白天灯罩叶片合拢,保护路灯不受外界的机械损伤,晚上需要照明时灯罩叶片打开,提供照明。记忆合金特别适合于热机械和恒温自动控制,已制成室温自动开闭臂,能在阳光照耀的白天打开通风窗,晚间室温下降时自动关闭。英国的旦特公司用记忆合金制成自动启闭器,安装在金库的窗户上,平常可以密不透风,一旦发生火灾,高温唤醒记忆,窗户便可自动开启,便于人们抢救用在自动消防龙头上,平时可以关闭水道,防止泄露,一旦失火,消防龙头可以自动开启,洒水灭火 6、直升飞机的智能水平旋翼 由于直升飞机的高震动和高噪声使使用受到限制,其噪声和震动的来源主要是叶片涡流干扰,以及叶片型线的微小偏差这就需要一种平衡叶片螺距的装置,使各叶片能精确地在同一平面旋转。目前已开发出一种叶片的轨迹控制器,它是用一个小的双管形状记忆合金驱动器控制叶片边缘轨迹上的小翼片的位置,使其震动降到最低。 四、发展趋势及展望 SMA 研究今后的发展方向和趋势可归纳为以下几方面:充分发掘、改进和完善现有SMA 的性能;研究开发新的具有形状记忆效应的合金材料; SMA 薄膜的研究与应用; SMA 智能复合材料的研究与开发;高温SMA 的开发。在形状记忆合金的实用化进程中,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。可以预言,随着对SMA 研究的进一步深化,传统的机电一体化系统完全有可能发展成为材料电子一体化系统。 结束语:21世纪将成为材料电子学的时代。形状记忆材料的开发研究已有多年,从最初的合金已扩展到陶瓷和高分子材料,并且各种先进的生产工艺技术已被应用到形状记忆材料的研究、开发和应用中随着科学技术水平的不断提高, 形状记忆合金的机器人的动作,除了温度外,不受任何环境条件的影响,可望在反应堆、 加速器、太空实验室等高技术领域大显身手。随着人们对其不断研究,形状记忆合金材料的应用将会更加广泛。 参考文献: 1.陈海泉,刘建涛,李忠献.应用形状记忆合金的桥梁结构振动控制研究及发展 [J].世界地质工程.2002年6月18卷2期 2.赵维彪.镍钛形状记忆合金的材料学特征与医学应用 [J].中国组织工程研究 与临床康复.2007年6月第11卷第22期 3.王永善,贺志荣,王启,杨军. TiNi形状记忆合金性能及应用研究进展[J]. 热加工工艺.2009年10月第38卷第20期 4.赵连城,郑玉峰. 形状记忆与超弹性镍钛合金的发展和应用[N].中国有色金属 学报.2004年5月第14卷 5.曾超,张乃文,任杰. 生物可降解高分子形状记忆合金的研究和进展[N].科学 通报.2011年第56卷第19期