形状记忆合金及其研究进展综述

形状记忆合金及其研究进展综述一、本文概述形状记忆合金（ShapeMemoryAlloys，简称SMA）是一类特殊的金属合金，具有独特的形状记忆效应和超弹性。它们在受到外力作用发生形变后，能够在一定条件下恢复原始形状，或者在一定的温度范围内表现出异常的弹性行为。自20世纪60年代发现以来，形状记忆合金因其优异的性能在航空航天、机械电子、生物医疗等领域得到了广泛应用。本文将对形状记忆合金的基本概念、性能特点、应用领域以及当前的研究进展进行综述，旨在为相关领域的研究人员和技术人员提供参考和借鉴。本文将介绍形状记忆合金的基本概念，包括其定义、分类以及形状记忆效应和超弹性的基本原理。本文将重点讨论形状记忆合金的性能特点，包括其独特的力学性能、热学性能以及电磁性能等。然后，本文将综述形状记忆合金在航空航天、机械电子、生物医疗等领域的应用案例，展示其在实际应用中的优势和潜力。本文将介绍当前形状记忆合金的研究进展，包括新型合金的开发、性能优化以及应用领域的拓展等方面，展望未来的发展趋势和应用前景。通过本文的综述，读者可以对形状记忆合金有一个全面而深入的了解，为其在相关领域的研究和应用提供有益的参考和指导。二、形状记忆合金的基本原理形状记忆合金（ShapeMemoryAlloys，简称SMAs）是一类特殊的金属材料，能够在一定条件下恢复其原始形状。这种独特的性质源于合金内部复杂的晶体结构和相变机制。形状记忆合金的基本原理主要包括形状记忆效应（ShapeMemoryEffect，SME）和超弹性（Superelasticity）。形状记忆效应是指合金在经历塑性变形后，通过加热到某一特定温度（称为转变温度），能够恢复其原始形状的现象。这种效应的实现依赖于合金内部发生的马氏体相变。在低温下，合金呈现为马氏体相，具有良好的塑性；而在高温下，合金转变为母相，具有较高的弹性模量，从而能够恢复原始形状。超弹性则是形状记忆合金在加载和卸载过程中表现出的一种特殊力学行为。在转变温度以上，当合金受到外力作用时，会发生弹性变形；当外力卸载后，合金能够迅速恢复到原始状态，而不产生任何永久变形。这种超弹性行为源于合金内部可逆的马氏体相变。过程除了上述两种基本效应外，形状记忆合金还具有优异的力学性能和良好的耐腐蚀性。这些特性使得形状记忆合金在航空航天、汽车、医疗器械、智能结构等领域具有广泛的应用前景。目前，对于形状记忆合金的研究主要集中在以下几个方面：一是探索新型形状记忆合金材料，以提高其性能和应用范围；二是深入研究形状记忆合金的相变机制和变形行为，以揭示其本质规律；三是开发形状记忆合金的新型制备方法，以降低成本和提高生产效率；四是拓展形状记忆合金在各个领域的应用，以推动相关产业的发展。随着科学技术的不断进步和研究的深入，形状记忆合金的应用前景将更加广阔。未来，我们期待形状记忆合金能够在更多领域发挥重要作用，为人类的生产和生活带来更多便利和惊喜。三、形状记忆合金的分类形状记忆合金（ShapeMemoryAlloys，简称SMAs）是一类具有独特形状记忆效应的金属材料。根据合金的成分和性质，可以将形状记忆合金分为几大类。钛基形状记忆合金：这是最早被发现和研究的形状记忆合金，主要由钛（Ti）和其他元素（如镍、铝、钒、锆等）组成。钛基形状记忆合金具有优异的形状记忆性能和超弹性，广泛应用于航空航天、医疗器械、汽车工业等领域。铜基形状记忆合金：铜基形状记忆合金主要由铜（Cu）和铝（Al）、镍（Ni）等元素组成。这类合金具有较低的成本和良好的加工性能，因此在一些对成本敏感的应用中得到广泛应用，如电线连接器、管接头等。铁基形状记忆合金：铁基形状记忆合金主要由铁（Fe）和锰（Mn）、硅（Si）等元素组成。这类合金具有较高的强度和良好的抗腐蚀性，适用于海洋工程、石油化工等恶劣环境下的应用。其他基形状记忆合金：除了上述三种主要类型外，还有一些其他基形状记忆合金，如钴基、镍基等。这些合金具有各自独特的性能和应用领域，如钴基形状记忆合金在生物医学领域具有广泛的应用前景。随着科学技术的不断发展，形状记忆合金的分类也在不断更新和完善。新型的形状记忆合金材料不断涌现，如高性能复合材料、纳米结构材料等，为形状记忆合金的应用拓展了新的领域。形状记忆合金的制备工艺和性能优化也成为了研究的热点，为形状记忆合金的未来发展提供了强大的技术支持。四、形状记忆合金的应用形状记忆合金（SMA）的独特性质使其在多个领域具有广泛的应用价值。由于其能够在特定温度下恢复原始形状，且具有良好的耐腐蚀性、高阻尼特性和生物相容性，形状记忆合金已被广泛应用于航空航天、机械工程、医疗生物、电子通讯等领域。在航空航天领域，形状记忆合金用于制造智能结构材料，如自适应机翼、卫星天线等。通过利用SMA的形状记忆效应和超弹性，可以实现对飞机机翼和卫星天线等部件的主动控制，提高飞行器的性能和稳定性。在机械工程领域，形状记忆合金被用于制作各种智能器件，如紧固件、连接器和阀门等。SMA的形状记忆功能使得这些器件能够在温度变化时自动调整形状，从而实现对机械系统的智能控制。在医疗生物领域，形状记忆合金被广泛应用于制作医疗器械和生物材料。例如，SMA可用于制作牙科正畸丝、骨科植入物、心脏支架等医疗器械，利用其形状记忆效应实现对病变部位的智能修复。SMA的生物相容性使其成为生物材料领域的理想选择，可用于制作人工肌肉、药物载体等。在电子通讯领域，形状记忆合金被用于制作微型开关、连接器和传感器等电子元件。SMA的微型化和高精度特性使得这些元件能够在微小空间内实现高效、稳定的电信号传输和控制。随着科技的不断进步，形状记忆合金在更多领域的应用潜力将被发掘。未来，我们可以期待形状记忆合金在智能材料、机器人技术、航空航天等领域发挥更大的作用，为人类的生产和生活带来更多便利和惊喜。五、形状记忆合金的研究进展形状记忆合金（ShapeMemoryAlloys，简称SMAs）自发现以来，一直以其独特的形状记忆效应和超弹性等特性受到广泛关注。随着科技的不断进步，关于形状记忆合金的研究也在不断深入，其应用领域也在不断扩大。在材料研究方面，研究者们通过改进合金成分、优化制备工艺，成功开发出了多种新型形状记忆合金，如Ni-Ti基、Cu-Al-Ni基、Fe-Mn-Si基等。这些新型合金不仅具有更高的形状记忆恢复率和更好的超弹性，而且成本更低，更易于加工。在应用研究方面，形状记忆合金已经广泛应用于航空航天、汽车、医疗器械、智能机器人等多个领域。例如，在航空航天领域，形状记忆合金可用于制作自适应机翼、卫星天线等，以提高飞行器的性能；在汽车领域，形状记忆合金可用于制作智能悬挂系统、发动机支架等，以提高汽车的舒适性和安全性；在医疗器械领域，形状记忆合金可用于制作牙科矫正器、心脏支架等，以提高医疗效果。在机理研究方面，研究者们通过先进的实验手段和技术，深入探讨了形状记忆合金的相变机制、变形行为、力学性能等。例如，利用透射电子显微镜、原子力显微镜等手段，研究者们揭示了形状记忆合金在变形过程中的微观结构变化；通过有限元分析、数值模拟等方法，研究者们深入研究了形状记忆合金的力学性能和形状记忆效应的影响因素。形状记忆合金的研究进展体现在材料开发、应用拓展和机理研究等多个方面。未来，随着科技的不断发展，形状记忆合金将在更多领域发挥重要作用，为人类社会的进步贡献力量。六、结论与展望随着材料科学的飞速发展，形状记忆合金作为一种具有独特形状记忆效应和超弹性的功能材料，已经在航空航天、医疗器械、智能机器人等多个领域展现出广阔的应用前景。本文综述了形状记忆合金的基本特性、种类、工作原理以及当前的研究进展，深入探讨了其在不同领域的应用实例，并对未来的研究方向进行了展望。结论上，形状记忆合金凭借其独特的形状记忆效应和超弹性，为众多领域提供了创新的解决方案。然而，形状记忆合金在实际应用中仍面临一些挑战，如成本较高、制备工艺复杂、疲劳寿命有限等问题。因此，深入研究形状记忆合金的微观结构、性能优化以及制备技术，对于推动其更广泛的应用具有重要意义。展望未来，随着科技的不断进步，形状记忆合金的研究将更加注重多学科交叉融合，如材料科学、力学、电子信息等。未来研究方向可包括：1)开发新型形状记忆合金材料，提高性能并降低成本；2)优化制备工艺，实现形状记忆合金的大规模生产和应用；3)深入研究形状记忆合金的微观机制，为新型功能材料的研发提供理论支持；4)拓展形状记忆合金在智能材料、生物医学、航空航天等领域的应用，推动相关产业的发展。形状记忆合金作为一种功能强大的智能材料，其研究与应用前景广阔。通过不断深入研究和创新，相信形状记忆合金将在未来为人类社会带来更多惊喜和突破。参考资料：形状记忆合金（shapememoryalloys，SMA）是通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应（shapememoryeffect，SME）的由两种以上金属元素所构成的材料。形状记忆合金是形状记忆材料中形状记忆性能最好的材料。迄今为止，人们发现具有形状记忆效应的合金有50多种。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。形状记忆合金（shapememoryalloy）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。形状记忆合金具有形状记忆效应（shapememoryeffect），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控制浴室水管的水温：在热水温度过高时通过“记忆”功能，调节或关闭供水管道，避免烫伤。也可以制作成消防报警装置及电器设备的保险装置。当发生火灾时,记忆合金制成的弹簧发生形变，启动消防报警装置，达到报警的目的。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。形状记忆合金的形状记忆效应还广泛应用于各类温度传感器触发器中。形状记忆合金另一种重要性质是伪弹性（pseudoelasticity）（又称超弹性，superelasticity），表现为在外力作用下，形状记忆合金具有比一般金属大的多的变形恢复能力，即加载过程中产生的大应变会随着卸载而恢复。这一性能在医学和建筑减震以及日常生活方面得到了普遍应用。例如前面提到的人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器等。用形状记忆合金制造的眼镜架，可以承受比普通材料大得多的变形而不发生破坏（并不是应用形状记忆效应，发生变形后再加热而恢复）。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，它又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，正广为世人所瞩目，被誉为“神奇的功能材料”。1963年，美国海军军械研究所的比勒在研究工作中发现，在高于室温较多的某温度范围内，把一种镍-钛合金丝烧成弹簧，然后在冷水中把它拉直或铸成正方形、三角形等形状，再放在40℃以上的热水中，该合金丝就恢复成原来的弹簧形状。后来陆续发现，某些其他合金也有类似的功能。这一类合金被称为形状记忆合金。每种以一定元素按一定重量比组成的形状记忆合金都有一个转变温度；在这一温度以上将该合金加工成一定的形状，然后将其冷却到转变温度以下，人为地改变其形状后再加热到转变温度以上，该合金便会自动地恢复到原先在转变温度以上加工成的形状。1969年，镍-钛合金的“形状记忆效应”首次在工业上应用。人们采用了一种与众不同的管道接头装置。为了将两根需要对接的金属管连接，选用转变温度低于使用温度的某种形状记忆合金，在高于其转变温度的条件下，做成内径比待对接管子外径略微小一点的短管（作接头用），然后在低于其转变温度下将其内径稍加扩大，再把连接好的管道放到该接头的转变温度时，接头就自动收缩而扣紧被接管道，形成牢固紧密的连接。美国在某种喷气式战斗机的油压系统中便使用了一种镍-钛合金接头，从未发生过漏油、脱落或破损事故。1969年7月20日，美国宇航员乘坐“阿波罗”11号登月舱在月球上首次留下了人类的脚印，并通过一个直径数米的半球形天线传输月球和地球之间的信息。这个庞然大物般的天线是怎么被带到月球上的呢？就是用一种形状记忆合金材料，先在其转变温度以上按预定要求做好，然后降低温度把它压成一团，装进登月舱带上天去。放置于月球后，在阳光照射下，达到该合金的转变温度，天线“记”起了自己的本来面貌，变成一个巨大的半球。科学家在镍-钛合金中添加其他元素，进一步研究开发了钛镍铜、钛镍铁、钛镍铬等新的镍钛系形状记忆合金；除此以外还有其他种类的形状记忆合金，如：铜镍系合金、铜铝系合金、铜锌系合金、铁系合金（Fe-Mn-Si、Fe-Pd）等。形状记忆合金在生物工程、医药、能源和自动化等方面也都有广阔的应用前景。形状记忆合金之所以具有变形恢复能力，是因为变形过程中材料内部发生的热弹性马氏体相变。形状记忆合金中具有两种相：高温相奥氏体相，低温相马氏体相。根据不同的热力载荷条件，形状记忆合金呈现出两种性能。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，如果温度上升它又会减少，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T0称为平衡温度。只有当温度低于平衡温度T0时才会产生马氏体相变；反之，只有当温度高于平衡温度T0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。发现的记忆合金体系：Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、NiAl、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。当形状记忆合金在高温相奥氏体状态下受到外力发生较大变形，去除外力后，大变形完全恢复。但是在变形过程中，应力应变曲线并不是线性的，会产生耗散能。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。形状记忆合金已应用到航空和太空装置。如用在军用飞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。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。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的形状，按照需求向地球发回宝贵的宇宙信息。另外，在卫星中使用一种可打开容器的形状记忆释放装置，该容器用于保护灵敏的锗探测器免受装配和发射期间的污染。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，随后有数以百万以上的连件的应用。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丝，用于制造导体的金属丝编织层的安全接头。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-65~300℃可靠地工作。已开发出的密封系统装置可在严酷的环境中用作电气件连接。将形状记忆合金制作成一个可打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，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。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，即良好的生物相容性。TiNi可与生物体形成稳定的钝化膜。在医学上TiNi合金主要应用有：利用形状记忆合金的伪弹性性能和动阻尼特性，形状记忆合金被用于被动控制结构受地震影响，起到抗震的作用。应运于结构振动的主动阻尼控制等。在工程和建筑领域用TiNi形状记忆合金作为隔音材料及探测地震损害控制的潜力已显示出来。已试验了桥梁和建筑物中的应用，因此作为隔音材料及探测损害控制的应用已成为一个新的应用领域。随着薄膜形状记忆合金材料的出现和开发利用，形状记忆合金在智能材料系统中受到高度重视，应用前景更广阔。随着科技的飞速发展，对高温环境下具有优良性能的材料需求日益增加。钛基高温形状记忆合金作为一种新型的功能材料，在航空航天、能源、化工等领域具有广泛的应用前景。本文将对钛基高温形状记忆合金的最新研究进展进行综述。钛基高温形状记忆合金是一种以钛元素为主要成分，通过添加其他元素进行合金化处理，从而获得优良的高温性能、力学性能和形状记忆效应的合金。这类合金能够在较高的温度下保持稳定的形状记忆效应，为解决许多高温环境下的工程问题提供了新的解决方案。钛基高温形状记忆合金的制备技术是其研究的重要组成部分。目前，主要的制备方法包括熔炼铸造法、机械合金化法、粉末冶金法和激光熔覆法等。这些制备方法在不断地发展和优化，以获得具有更高性能的钛基高温形状记忆合金。相变行为是影响钛基高温形状记忆合金性能的重要因素。研究人员通过实验和计算模拟相结合的方法，深入研究了合金的相变温度、相变驱动力和相变机制等，为优化合金成分和提高其性能提供了理论依据。钛基高温形状记忆合金具有优良的力学性能，如高强度、高刚度和良好的抗疲劳性能等。研究人员通过对其力学性能进行深入研究，揭示了其强化机制和变形机理，为进一步优化合金的力学性能提供了依据。钛基高温形状记忆合金的形状记忆效应是其最重要的特性之一。研究人员通过实验和模拟相结合的方法，对其形状记忆效应的机理和影响因素进行了深入研究，并开发出了一系列具有实用价值的形状记忆效应应用实例。钛基高温形状记忆合金在航空航天领域具有广泛的应用前景。例如，利用其优良的高温性能和形状记忆效应，可用于制造高温环境下的智能结构件，提高飞行器的安全性和可靠性。在航天器的热防护系统和空间太阳能电站等领域，钛基高温形状记忆合金也具有潜在的应用价值。在能源领域，钛基高温形状记忆合金可用于制造高效能热能转换器和热能储存系统等。利用其优良的高温性能和力学性能，还可用于制造高温燃气涡轮发动机的叶片和喷嘴等关键部件。形状记忆合金（ShapeMemoryAlloys，简称SMA）是一种具有特殊物理特性的材料，它们在受到外部刺激（如加热或施加压力）时，可以改变其形状并随后恢复到原始形状。这种特性使它们在许多领域中具有广泛的应用前景。本文主要讨论形状记忆合金的特性及其在各领域的应用研究进展。形状记忆合金的主要特性包括形状记忆效应、伪弹性以及抗疲劳性。这些特性使得SMA在承受反复载荷时展现出优良的性能。形状记忆效应：当低于某一温度（马氏体相变点）的SMA受到外力作用发生形变时，若加热至高于该温度，则SMA会恢复到其原始形状。伪弹性：在某些形状记忆合金中，当处于母相状态时，材料会展示出类似于弹性行为的特性。当加热至高于马氏体相变点的温度并卸载后，材料可以恢复到其原始形状。抗疲劳性：SMA具有良好的抗疲劳性能，即使在反复载荷的作用下，也不会出现明显的疲劳断裂。生物医学领域：由于形状记忆合金具有优良的生物相容性和抗腐蚀性，因此在生物医学领域有着广泛的应用，如可生物降解的血管夹、可生物降解的血管支架以及牙科用具等。航空航天领域：在航空航天领域，形状记忆合金被广泛应用于制造高温传感器、高温弹簧以及高温密封件等。由于其具有优异的抗疲劳性能，形状记忆合金也被用于制造结构件，如机翼和机身。电子和电气领域：在电子和电气领域，形状记忆合金被用于制造微型开关、微型继电器、微型磁铁以及微电子封装等。SMA还可以用于制造高精度的测量和控制设备，如传感器和执行器。汽车领域：在汽车领域，形状记忆合金被用于制造高效的燃油喷射泵和气缸盖部件。由于其优良的性能，SMA在制造高性能汽车和高可靠性汽车方面有着广泛的应用前景。其他领域：除了上述提到的应用领域，形状记忆合金在其他领域也有着广泛的应用，如