形状记忆合金

1、形状记忆合金shape memory alloy定义:具有形状 记忆效应的合金.记忆合金在航空航天领域内的应用有很多成功的范例.人造卫星上庞大的天 线可以用记忆合金制作.发射人造卫星之前,将抛物面天线折叠起来装进卫星体内, 火箭升空把人造卫星送到预定轨道后,只需加温,折叠的卫星天线因具有“记忆功 能而自然展开,恢复抛物面形状.起源1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到记忆效应,即合金的形 状被改变之后,一旦加热到一定的跃变温度时,它乂可以魔术般地变回到原来的形状, 人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金.记忆合金的开发迄今不过20 余年,但由于其在各领域的特效应用,正广为世人所瞩

2、目,被誉为"神奇的功能材料 O简介记忆合金在临床医疗领域内有着广泛的应用,例如人造骨骼、伤骨固定加 压器、牙科正畸器、各类腔内支架、栓塞器、心脏修补器、血栓过滤器、介入导丝 和手术缝合线等等,记忆合金在现代医疗中正扮演着不可替代的角色.记忆合金同 我们的日常生活也同样休戚相关.仅以记忆合金制成的弹簧为例,把这种弹簧放在 热水中,弹簧的长度立即伸长,再放到冷水中,它会立即恢复原状.利用形状记忆合 金弹簧可以限制浴室水管的水温,在热水温度过高时通过"记忆"功能,调节或关闭供 水管道,预防烫伤.也可以制作成消防报警装置及电器设备的保安装置.当发生火 灾时,记忆合金制成的

3、弹簧发生形变,启动消防报警装置,到达报警的目的.还可以 把用记忆合金制成的弹簧放在暖气的阀门内,用以保持暖房的温度,当温度过低或过 高时,自动开启或关闭暖气的阀门.作为一类新兴的功能材料,记忆合金的很多新用 途正不断被开发,例如用记忆合金制作的眼镜架,如果不小心被碰弯曲了,只要将其 放在热水中加热,就可以恢复原状.不久的将来,汽车的外壳也可以用记忆合金制 作.如果不小心碰瘪了,只要用电吹风加加温就可恢复原状,既省钱乂省力,很是方 便.单程记忆效应形状记忆合金在较低的温度下变形,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.双程记忆效应某些合金加热时恢复高温相

4、形状,冷却时乂能恢复低温相形状, 称为双程记忆效应.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,称为全程记忆效应.SMA的形状记忆效应源于热弹性马氏 体相变,这种马氏体一旦形成,就会随着温度下降而继续生长,如果温度上升它乂会 减少,以完全相反的过程消失.两项自由能之差作为相变驱动力.两项自由能相等 的温度TO称为平衡温度.只有当温度低于平衡温度TO时才会产生马氏体相变,反 之,只有当温度高于平衡温度TO时才会发生逆相变.在SMA中,马氏体相变不仅由 温度引起,也可以由应力引起,这种由应力引起的马氏体相变叫做应力诱发马氏体相 变,且相变温度同应力呈线性关系.至今

5、为止发现的记忆合金体系Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-ZnAl> Cu-ZnSn、 Cu-Zn-Si、 Cu-Sn、 CuZn-Ga> In-Ti、 Au-CuZn> NiAl、 Fe-Pt、 Ti-Ni、 Ti Ni-Pd、 Ti-Nb、 U-Nb、 Fe-Mn-Si.特点1,弯曲量大,塑性高2,在记忆温度以上恢复以前形状.3.最早发现的记 忆合金好似是5O%Ti+5O%Ni应用形状记忆合金由于具有许多优异的性能,因而广泛应用于航空航天、机械 电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域.航空航天工业中的应用形状记忆合金已应用到航空和太空装置.如用在军用

6、 6机的液压系统中的低温配合连接件,欧洲和美国正在研制用于直升飞机的智能水 平旋翼中的形状记忆合金材料.由于直升飞机高震动和高噪声使用受到限制,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 轨迹限制器,它是用一个小的双管形状记忆合金驱动器限制叶片边缘轨迹上的小翼 片的位置,使其震动降到最低6.还可用于制造探索宇宙奥秘的月球天线,人们利 用形状记忆合金在高温环境下制做好天线,再在低温下把它压缩成一个小铁球,使它 的体积缩小到原来的千分之一,这样很容易运上月球,太阳的强烈的辐射使它恢复原 来

7、的形状,根据需求向地球发回珍贵的宇宙信息.另外,在卫星中使用一种可翻开容 器的形状记忆释放装置,该容器用于保护灵敏的错探测器免受装配和发射期间的污染.机械电子产品中的应用1970年美国用形状记忆合金制作F-14战斗上的低 温配合连接器,随后有数以白万以上的连件的应用5.形状记忆合金作为低温配合 连接在飞机的液压系统中及体积较小的石油、石化、电工业产品中应用.另一种连 接件的形状是焊接的网状金属幺幺,用于制造导体的金属幺幺编织层的平安接头.这种 接件已经用于密封装置、电气连接装置、电子工程机械装置,并能在-65300°C可靠 地工作.已开出的密封系统装置可在严酷的环境中用作电气件连接6

8、.将形状记 忆合金制作成一个可翻开和关闭快门的弹簧,用于保护雾灯免于飞行碎片的击坏. 用于制造精密仪器或精密车床,一旦由于震动、碰撞等原因变形,只需加热即可排除 故障.在机械制造过程中,各种冲压和机械操作常需将零件从一台机器转移到另一 台机器上,现在利用形状记忆合金开发了一种取代手动或液压夹具,这种装置叫驱动 汽缸,它具有效率高灵活,装夹力大等特点生物医疗上的应用用于医学领域的TiNi 形状记忆合金,除了利用其形状记忆效应或超弹性外,还应满足化学和生物学等方面 的要求,即度好的生物相容性.TiNi可与生物体形成稳定的钝化膜.目前,在医学 上TiNi合金主要应用有：a牙齿矫形幺幺.用超弹性TiN

9、i合金幺幺.和不锈钢幺幺做的牙 齿矫正幺幺.,其中用超弹性TiNi合金幺幺是最适宜的.通常牙齿矫形用不锈钢幺幺CoCr 合金幺幺,但这些材料有弹性模量高,弹性应变小的缺点.为了给出适宜的矫正力,在 矫正前就要加工成弓形,而且结扎固定要求熟练.如果用TiNi合金作牙齿矫形幺幺, 即使应变高达10%也不会产生塑性变形,而且应力诱发马氏体相变,使弹性模量呈现 非线型特性,即应变增大时矫正力波动很少.这种材料不仅操作简单,疗效好,也可 减轻患者不适感.b脊柱侧弯矫形各种脊柱侧弯症先天性、习惯性、神经性、 佝偻病性、特发性等疾病,不仅身心受到严重损伤,而且内脏也受到压迫,所以有必 要进行外科手术矫形.目

10、前这种手术采用不锈钢制哈伦敦棒矫形,在手术中安放矫 形棒时,要求固定后脊柱受到的矫正力保持在3040kg以下,一但受力过大,矫形棒 就会破坏,结果不仅是脊柱,而且连神经也有受损伤的危险.同时存在矫形棒安放后 矫正力会随时间变化,大约矫正力降到初始时的30%时,就需要再进行手术调整矫正 力,这样给患者在精神和肉体上都造成极大痛苦.采用形状记忆合金制作的哈伦顿 棒,只需要进行一次安放矫形棒固定.如果矫形棒的矫正力有变化,以通过体外加热 形状记忆合金,把温度升高到比体温约高5°C,就能恢复足够的矫正力.另外,外科 中用TiNi形状记忆合金制做各种骨连接器、血管夹、凝血滤器以及血管扩张元件

11、等.同时还广泛应用于口腔科、骨科、心血管科、胸外科、肝胆科、泌尿科、妇科 等,随着形状记忆的开展,医学应用将会更加广泛.日常生活应用a防烫伤I阀在家庭生活中,已开发的形状记忆润可用来预防洗 涤槽中、浴盆和浴室的热水意外烫伤;这些阀门也可用于旅馆和其他适宜的地方. 如果水龙头流出的水温到达可能烫伤人的温度大约48°C时,形状记忆合金驱动制 门关闭,直到水温降到平安温度,阀门才重新翻开.b眼镜框架在眼镜框架的鼻梁 和耳部装配TiNi合金可使人感到舒适并抗磨损,由于TiNi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TiNi合金幺幺做眼镜框架,即使镜片 热膨胀,该形状记忆合金幺幺也能靠超弹性的恒定力夹牢镜片.这些超弹性合金制造 的眼镜框架的变形水平很大,而普通的眼镜框那么不能做到.c移动 天线和火 灾检查阀门使用超弹性TiXi金属幺幺做蜂窝状 天线是形状记忆合金的另一个应 用.过去使用不锈钢天线,由于弯曲常常出现损坏问题.使用TiNi形状记忆合金幺幺. 移动 天线,具有高抗破坏性受到人们普遍欢送.因此常用来制作蜂窝状 天 线和火灾检查阀门.火灾中,当局部地方升温时阀门会自动关闭,预防了危险气体进 入.这种特殊结构设计的优点是,它具有检查阀门的操作,然后乂能复位到平安状态; 这种火灾检查阀门在半导体制造业中得到使用,在半