【科普系列】金属智能材料-形状记忆合金
形状记忆合金的两大功能特性
形状记忆效应 马氏体状态下的形状记忆合金在外加载荷的作用下发生马氏体变体再取向或去孪晶过程，卸载后，对记忆合金加热至逆马氏体相变结束温度（Af）以上，马氏体完全转变为奥氏体。当奥氏体再次冷却至正马氏体相变结束温度（Mf）以下时，会发生奥氏体到自协作组态马氏体的转变，进而导致形状的恢复。 | |
超弹性 对处于完全奥氏体状态下的形状记忆合金施加外部载荷，记忆合金将发生应力诱发马氏体相变或应力诱发形成马氏体的去孪晶过程，卸载后，应力诱发的马氏体不稳定会发生马氏体至奥氏体的逆转变，进而导致形状的恢复。 图1 形状记忆合金形状记忆效应与超弹性示意图 （Ma J., Karaman I., Noebe R.D. High temperature shape memory alloys[J]. International Materials Reviews, 2010,55:257-315.） | |
形状记忆合金
形状记忆合金的种类主要包括：Ti-Ni基形状记忆合金，Fe基记忆合金，Co基记忆合金，Cu基记忆合金，Ni基记忆合金，Zr基记忆合金，β-Ti基记忆合金以及Mg基记忆合金等。图2示出了几种常见记忆合金的马氏体相变温度与最大可实现的可恢复应变。由图可知，不同种类的形状记忆合金的马氏体相变温度与可恢复应变也不尽相同，这就决定了其应用领域也不同。目前应用最成熟、最广泛的当属Ti-Ni记忆合金。并且为了满足不同场合应用需求，Ti-Ni记忆合金的状态可制备成大块体材料、丝材、板材以及薄膜/薄带等。同时为了进一步拓宽其应用领域，通过添加第三组元可对其功能特性进行有效的调控。例如：宽滞后Ti-Ni-Nb记忆合金制备成的管接头可便于储存、运输等；窄滞后Ti-Ni-Cu记忆合金用作微驱动器材料等可提高其灵敏度；Ti-Ni-Hf高温记忆合金因高的相变温度可使其应用于高温应用场合等。
图2 几种常见形状记忆合金的马氏体相变温度与可恢复应变的对比图
（Ma J., Karaman I., Noebe R.D. High temperature shape memory alloys[J]. International Materials Reviews ,2010,55:257-315.）
形状记忆合金的用途
形状记忆合金基于形状记忆效应与超弹性可对外做功，是集温度感知与驱动一体的智能材料，可制备各类自动控温或驱动装置等，已广泛应用于各行各业。
（1） 记忆合金在汽车上应用
记忆合金在车用节温器、水冷发动机的风扇离合器、汽车雾灯保护装置、换挡压力控制阀、散热器百叶窗控制装置、制动器储能装置等。
（2） 航空航天中应用
星用解锁机构与锁紧系统、易断缺口螺栓释放机构、记忆合金扭曲管、可展开天线、发动机降噪器等。
（3） 电子电器中的应用
连接器与紧固件方面、空调中风向自动调节机构、温度敏感型阀门、火灾报警器中传感驱动器件。
另外，形状记忆合金除了形状记忆效应与超弹性，还具有良好的力学性能，腐蚀性，以及生物兼容性，而使其可应用于生物医用领域。如：记忆合金牙矫正丝、记忆合金支架、记忆合金微创治疗器械、记忆合金接骨器等。
近几年，研究者发现形状记忆合金在应力作用下发生相变时会伴随着相变潜热的吸收与释放（如图3所示），可实现温度调节，并且具有绿色环保、节能高效和稳定可靠的优点，被美国能源部认为是最有希望代替传统气-液压缩制冷技术额新型制冷技术。可用作电子芯片或微电子系统中的制冷、外科微创咒术中用于血液和组织的快速微冷却器以及芯片实验室中的温控系统等。
图3 形状记忆合金弹热制冷的原理图
（ušek J, Engelbrecht K, Mikkelsen L P, et al. Elastocaloric effect of Ni-Ti wire for application in a cooling device[J]. Journal of Applied Physics, 2015, 117(12):124901.）
原文出处：
Ti-Ni-Hf高温形状记忆合金的研究进展（点击查看全文）
衣晓洋，孟祥龙，蔡伟，王海振
材料工程，2021，49（3）：31-40
doi：10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000531
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