形状记忆合金材料的开发与应用
能源开发是形状记忆合金一个重要的应用领域。利用形状记忆合金在加热和冷却时的形状变化的性能，能够把低品位热能，如热排水、地热、太阳能等直接转化为机械能而加以利用。根据这一原理，已研制成功多种热机，加速了热机的小型化和轻便化。
近年来，世界各国研究人员正在开发的记忆功能材料主要有形状记忆、温度记忆以及色彩记忆等多种，其中以形状记忆合金材料发展最为迅速。由于形状记忆合金材料在汽车、机器人、能源开发、医疗器械及家用电器等领域具有优越的性能及广阔的应用前景，因此它已成为21世纪重点开发的新材料之一。
状记忆合金是人们最早发现的记忆功能材料。早在20 世纪50 年代初期，美国伊利诺斯大学专家在试验中偶然发现金—镉合金具有记忆形状的功能，继而又发现铟—铊合金也有类似的记忆效应，但因其造价昂贵而未引起重视。直到1963 年，美国海军武器研究所在研究镍—钛合金性能时又偶然发现该合金具有明显的形状记忆效应，同时还具有许多其他金属所不具备的独特优点，如优良的超弹性、耐腐蚀性和防振性等，从而引起了人们的重视，并开始对其进行研究。近年来，形状记忆合金随着科学技术的迅速发展而崭露头角，现已开发出几十种具有形状记忆功能的合金。目前已投入实用的形状记忆合金主要有镍—钛系、铜系和铁系或（不锈钢系）三大类。
形状记忆合金的开发
1. 镍—钛系形状记忆合金
镍—钛系合金是形状记忆合金材料中性能最优越而且用途最广的一种。镍—钛系合金的延展性、形状记忆强度、应变、耐蚀性、电阻及稳定性均较好，但其成本高。这类合金的形状记忆行为有单向和双向两种，其呈现记忆行为的温度范围可借助合金的改良而加大或缩小。近年来，许多国家正致力于开发一系列改良型镍—钛合金，通过添加其他元素进一步改善其性能，并降低其成本。如添加铜或钒、铝、铬、锆和微量钙可大大改善其韧性、加工性和切削性；又如，在镍—钛—铜系合金中添加稀土元素和硼、硅、磷、硫等元素，可获得恢复特性显著提高的形状记忆合金。日本住友电气工业公司在镍—钛合金中添加铜（或铝、锆、钒、钴、铁）元素后，经表面处理后拉丝，即可制得色彩漂亮的形状记忆合金丝，以满足对其装饰性的要求。日本坎托克公司研制的一种镍—钛合金丝直径只有头发丝的一半，具有良好的复合性和可编织性；同时，这种合金富有弹性，对热又十分敏感，因此在汽车阀门、热水器、水量调节阀、小型电热调节器以及胸罩等方面得到广泛应用。
2. 铜系形状记忆合金
铜系形状记忆合金比镍—钛记忆合金更便宜且容易加工成型，因此颇具发展潜力。但铜系形状记忆合金的强度不如镍—钛记忆合金，反复受热的形状记忆能力也衰减较快。为了提高铜系记忆合金的机械性能，可添加微量的钛、锰、锆。铜系形状记忆合金中性能最好、应用最广的是铜—锌—铝合金。铜—锌—铝合金的导热率高且对温度变化敏感，可用于制作热敏元件。美国和日本等国将铜—锌—铝合金应用在温室和育苗室等天窗自控开闭器上，以自动调节室温。但铜—锌—铝合金的电阻率比镍—钛合金小，因此不宜用于通电升温场合。通过在铜—锌—铝合金中添加铁或硅等元素，可提高其耐腐蚀性能。日本东京一家公司开发成功一种具有色彩记忆效应的铜—镍—铝合金，该合金在温度变化时会产生红色、金黄色转变，因此可广泛应用于制作工艺美术品、装饰品、玩具及家电用品等。
3. 铁系形状记忆合金
铁系形状记忆合金成本低廉，原料丰富，更具有竞争力。已经开发的铁系形状记忆合金有铁—锰合金、铁—铂合金以及不锈钢系形状记忆合金等。通过在锰合金中添加硅，可获得具有良好形状记忆效应的铁—锰—硅合金。铁—锰—硅合金的强度高，但耐腐蚀性较差。而在这种合金中添加铬，则可大大提高耐腐蚀性。铁系形状记忆合金目前已在制作管接头、铆钉之类连接件以及夹具等方面获得广泛应用，不仅便于人们安装和操作，而且安全可靠，是很有发展前途的功能材料。
日本新开发的不锈钢系形状记忆合金，不仅形状恢复特性和耐蚀性优异，而且具有很好的切削加工性和耐高温氧化性。它的化学成分除了含有铬、锰、硅和铁主要成分外，还含有一定量的镍或钴、铜、氮等元素。这种不锈钢系形状记忆合金可以采用传统的炼钢炉熔炼, 并且可以利用普通方法制成成品, 应用范围很广。
形状记忆合金的应用
形状记忆合金由于具有许多优异的性能, 因而广泛用于自动控制装置、机器人、汽车工业、能源开发、医疗卫生以及日用消费品等领域。
1. 用于汽车、机器人及能源开发等自动控制
形状记忆合金具有温度传感器的功能，同时其外形恢复时作功，又有执行元件的功能，因此应用于温度传感器及执行元件上，其自动控制非常灵敏。形状记忆合金使用最多的是制动器。目前，在汽车工业上使用的形状记忆制动器已达一百多种，主要用于控制引擎、传送、悬吊等，以提高安全性、可靠性及舒适性。形状记忆合金在汽车手动传动系统的防噪装置以及发动机燃料气体控制装置上也得到应用。形状记忆合金的记忆效应和超弹性效应可应用于位移感测器以及工业用机器人制动器上。形状记忆合金制动器在机器人上的应用已获得可喜成果。利用形状记忆合金弹簧与其合金丝可装配成小型机器人，控制合金的收缩可操纵机器人手指的张开、闭合以及屈伸等动作。合金元件靠直接通入脉冲变频电流控制机器人的位置、动作及动作速度。因形状回复力受控于电流大小，故动作起来很像生物体的肌肉动作。
此外，能源开发是形状记忆合金另一重要的应用领域。利用形状记忆合金在加热和冷却时的形状变化的性能，能够把低品位热能，如热排水、地热、太阳能等直接转化为机械能而加以利用。根据这一原理已研制成功多种热机，加速了热机的小型化和轻便化。
2. 用于牙科及血管疾病医疗器
形状记忆合金所具有的超弹性以及与人体相容性好、无毒等特点，使之在医疗上的应用取得可喜的进展。
在牙科上，可用形状记忆合金制作人造牙根、牙列矫正及牙套等。将假牙固定在一个镍—钛合金牙龈上，假牙龈下面是双层合金根片；通过手术直接在低温状态使双根片捏合在一起植入牙床的鄂骨内，在体温作用下双根片逆变又恢复成原八字形，从而牢固地固定在鄂骨内。这种人造牙根耐蚀性和人体相容性都很好，在牙科中已广泛应用。此外，形状记忆合金还用作齿列矫正丝，它比用不锈钢丝制作的更为优越。记忆合金的超弹性卡子在很长时间内仍能保持弹性，不必因弹性松弛而更换新的，又因其能长时间地维持弹性，从而可缩短疗程。形状记忆合金也用于制作牙套，它能随着儿童牙齿的发育而自动改变，从而减轻戴假牙套不适而带来的痛苦。
用镍—钛形状记忆合金制作的血管疾病医疗器具有很多优点。如，用形状记忆合金制作的血管栓塞清除刀，在低温下加工，使其呈卷筒状，插入患者血管后，待温度升到体温时因形状记忆效应刀刃自动平展，通过转动即可清除血管栓塞或沉积物。医学专家还用形状记忆合金丝与银丝结合做成夹具，成功地进行脑动脉瘤的切除手术。
3. 用于家用电器
形状记忆合金还广泛应用于食品加热器、空调器及电饭锅等家用电器中。日本夏普公司使用形状记忆合金元件控制食品加热器的微波加热和对流加热的转换，使食品加热器的体积和重量都大大减小，成本降低2/3。又如，日本松下电器公司用形状记忆合金制造的两用空调机风向转换装置，其风门换向动作十分灵敏：当风温在32 ～ 37℃时向下吹；风温降到25 ～ 32℃时自动改为水平方向吹。这种装置性能稳定、轻便、造价低，风门启动无噪音，深受用户欢迎。形状记忆合金还广泛用于制作电饭锅恒温器，温度升高时会自动开启，断开电路；温度下降到一定程度又会接下电源而起到自动保温作用。
形状记忆合金正迈向商品化
近年来，利用各种形状记忆合金生产的“记忆”商品开始风靡市场，越来越的“记忆”商品进入人们的日常生活，形状记忆合金的应用正进一步迈向商品化。日本一家日用品公司生产的“记忆”胸罩投放市场后立即受到妇女青睐。这种胸罩是用一种又细又软的镍—钛形状记忆合金丝制成的，比传统的胸罩更为轻巧、柔软、富于弹性、感觉舒适，其最大优点是洗涤后即使变形也能靠人体温度传感使之发挥记忆功能而恢复原状。
日本古河电气工业公司生产的形状记忆合金眼镜架，能随镜片伸缩而改变形状，始终与镜片紧密结合。该公司还利用形状记忆合金的特殊性能制造可以改变发型的玩具娃娃。娃娃的头发是用铜系形状记忆合金丝制作，发型能随温度的变化而变化，因而备受孩子们的宠爱。日本一家皮鞋厂商推出世界上第一种采用形状记忆合金的皮鞋，不仅轻柔合脚，而且有效地防止了皮鞋变形。
能源开发是形状记忆合金一个重要的应用领域。利用形状记忆合金在加热和冷却时的形状变化的性能，能够把低品位热能，如热排水、地热、太阳能等直接转化为机械能而加以利用。根据这一原理，已研制成功多种热机，加速了热机的小型化和轻便化。
文章来源：中国知网
近日编辑：九雅
材料科学与工程
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