TiNi系形狀記憶合金的記憶原理及其應(yīng)用現(xiàn)狀

耿雙奇 牛建平

摘 要：TiNi合金是一種擁有良好形狀記憶效應(yīng)的記憶合金，它在低溫相下發(fā)生適當?shù)淖冃魏螅訜岬侥骋粶囟龋嫦嘧凕c）之上，發(fā)生逆相變的同時能夠回復到變形前的形狀。對TiNi合金的形狀記憶原理、特性及其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用進行了較為系統(tǒng)的描述。

關(guān)鍵詞：TiNi合金；形狀記憶效應(yīng)；記憶合金

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2018.30.097

1 引言

形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，SMA）作為一種新型的功能材料，近些年受到人們廣泛的關(guān)注。形狀記憶合金主要有TiNi基，Cu基，F(xiàn)e基和鐵磁SMA等，它們發(fā)生形狀記憶效應(yīng)的機制不盡相同。其中熱彈性馬氏體相變機制的TiNi基形狀記憶合金因具有優(yōu)良的形狀記憶特性、超彈性和循環(huán)壽命等優(yōu)點，是目前研究最深入、商業(yè)應(yīng)用最廣泛的SMA。TiNi合金是迄今為止發(fā)現(xiàn)的形狀記憶合金中記憶特性最好的一種，具有獨特的超彈性、形狀記憶性能、高強度、低模量和耐腐蝕性能。與銅基記憶合金相比，TiNi合金晶粒較小，抗疲勞性能更高，記憶性能更加穩(wěn)定。對TiNi系記憶合金的研究可以追溯到1963年，美國海軍武器實驗室的Buehler等人發(fā)現(xiàn)等原子比的Ti-Ni合金具有非常良好的形狀記憶功能。隨后，1969年，Raychem公司第一次將Ti-Ni系記憶合金制作成管接頭，應(yīng)用在美國F14戰(zhàn)斗機上，這一應(yīng)用，掀起了國際上對記憶合金研究與開發(fā)的熱潮。近些年來，對TiNi系記憶合金及其應(yīng)用的研究已經(jīng)取得了非常大的突破。本文綜合評述了TiNi系記憶合金的記憶原理、優(yōu)點、應(yīng)用現(xiàn)狀以及其未來發(fā)展前景。

2 TiNi形狀記憶合金的記憶原理

形狀記憶合金（shape memory alloy）簡稱SMA，它處于正相變溫度（正相變點）以下時，受適當力產(chǎn)生變形之后，當加熱到臨界溫度（逆相變點）之上，發(fā)生逆相變的同時恢復其原始形狀，這種現(xiàn)象稱之為形狀記憶效應(yīng)，它是某些呈現(xiàn)馬氏體相變的合金所具有的一種奇特的性能。TiNi系記憶合金可以感知到溫度的變化，并且它能隨著溫度的變化發(fā)生相變，將熱能轉(zhuǎn)化成機械能，輸出外力、位移、儲存并且釋放能量。

TiNi基形狀記憶合金在低溫下是馬氏體相，記為M相，具有B19′結(jié)構(gòu)，在高溫下是母相，即奧氏體相，記為A相，具有B2結(jié)構(gòu)。隨著溫度的降低，當溫度達到Ms時，馬氏體相變開始，合金由100%奧氏體相向馬氏體相轉(zhuǎn)變，馬氏體體積分數(shù)從0開始增加；當溫度達到Mf時，馬氏體相變結(jié)束，此時合金完全處于馬氏體狀態(tài)，馬氏體體積分數(shù)為100%；隨著溫度的升高，當溫度達到As時，馬氏體逆相變開始，馬氏體相開始向奧氏體相轉(zhuǎn)變，馬氏體體積分數(shù)由100%開始減?。划敎囟冗_到Af時，馬氏體逆相變結(jié)束，此時合金完全處于奧氏體相狀態(tài)。馬氏體相變及逆相變過程中馬氏體體積分數(shù)隨溫度的變化曲線和相應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)變化如圖1所示。

當TiNi合金處于低溫（Ms以下）時，合金發(fā)生馬氏體相變，生成各種馬氏體變體，對其施加載荷會使馬氏體變體沿擇優(yōu)取向方向生長，使合金發(fā)生宏觀形狀改變，然后保持溫度始終低于As進行卸載。當載荷為0時，合金發(fā)生回彈，并保留殘余變形。隨后進行升溫，當溫度達到As時，材料發(fā)生馬氏體逆相變，由于晶體學的有序性，點陣回歸到原始位置，合金發(fā)生形狀恢復。形狀記憶效應(yīng)如圖2所示。

3 TiNi形狀記憶合金的優(yōu)點

TiNi系記憶合金具有優(yōu)良的形狀記憶效應(yīng)、超彈性、抗腐蝕性能以及生物相容性，同時還具有結(jié)構(gòu)輕盈等優(yōu)點。

（1）形狀記憶效應(yīng)。TiNi系記憶合金具有非常優(yōu)異的形狀記憶效應(yīng)，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的形狀記憶合金中記憶特性最好的一種，它的形狀恢復量可以達到6%～8%，大大超出了Cu基，F(xiàn)e基和鐵磁SMA的形狀恢復量，具有更加良好的工作性能，被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域。

（2）超彈性。除了熱誘發(fā)馬氏體相變以外，還有一種應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，即當合金受到應(yīng)力時，應(yīng)力使奧氏體相誘發(fā)馬氏體相變，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，形狀發(fā)生改變；卸載掉應(yīng)力后，發(fā)生馬氏體逆相變，馬氏體重新轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶鄪W氏體，形狀恢復到母相狀態(tài)，即為超彈性。

（3）抗腐蝕性能。TiNi系記憶合金具有良好的抗腐蝕性能，特別是抗鹽霧腐蝕能力極強，在海洋環(huán)境下工作的TiNi合金工件更不容易被海水腐蝕，大大加強了工作件的使用壽命，工作性能更加穩(wěn)定可靠。

（4）生物相容性。TiNi系記憶合金充分的滿足化學、生物學等方面的可靠性要求，在醫(yī)學方面得到了廣泛的應(yīng)用。合金在與生物體接觸后，會形成穩(wěn)定性極強的鈍化膜，避免了合金與生物體接觸后溶解形成金屬陽離子，引起生物體癌變。

（5）結(jié)構(gòu)輕盈。TiNi系記憶合金密度越為鋼的60%，體積效率較大，具有結(jié)構(gòu)輕盈的優(yōu)點，制備的TiNi合金工件更加輕巧、緊湊，大大的減小了機器的重量，更加便捷。

4 TiNi形狀記憶合金的應(yīng)用現(xiàn)狀

TiNi形狀記憶合金擁有良好的形狀記憶效應(yīng)，在航空航天、日常生活、工業(yè)工程以及醫(yī)療等多個領(lǐng)域都得到了非常廣泛的應(yīng)用。

（1）航空航天。TiNi系記憶合金在航空航天上應(yīng)用極其廣泛，因為TiNi合金連接件質(zhì)量較輕，且結(jié)構(gòu)相對簡單，安全性能穩(wěn)定可靠，所以飛機上液壓管路的管接頭大多使用TiNi合金制造。將TiNi合金管接頭冷卻到Mf點以下，此時合金內(nèi)部全部為馬氏體，對管接頭進行擴徑，然后將液壓管路的管子插入擴徑后的管接頭內(nèi)，將管接頭加熱至Af點以上，此時合金內(nèi)部全部為奧氏體母相，形狀回復到擴徑前，與管子緊密的連接在一起，而且這種管接頭拆卸方便，比焊接更加穩(wěn)定可靠。

除此之外，衛(wèi)星天線也是TiNi記憶合金的一個很典型的實例。在室溫下將TiNi絲加工成天線的形狀，然后使合金降溫冷卻轉(zhuǎn)變成馬氏體，將TiNi記憶合金絲折疊裝在狹小的空間內(nèi)，當衛(wèi)星到達軌道時對天線進行加熱，溫度升高發(fā)生馬氏體逆相變，恢復到其母相拋物面的形狀，完成形狀記憶效應(yīng)。

（2）日常生活。TiNi合金具有良好的超彈性（偽彈性），這讓它在日常生活中有著廣泛的應(yīng)用。如TiNi合金眼鏡框架，結(jié)構(gòu)輕盈，不容易被外力擠壓變形，大大增加了眼鏡框架的使用壽命，被廠家廣泛應(yīng)用。

還有一種插座，將TiNi合金制備成束緊環(huán)，在Mf以下時，將插頭插入，然后升溫至Af后，憑借良好的形狀記憶效應(yīng)，束緊環(huán)形狀恢復，將插頭束緊，牢牢的固定在插座上。這種插座傳導特性穩(wěn)定，且沒有通電損失，安全系數(shù)高，性能穩(wěn)定。

（3）工業(yè)工程。TiNi合金在工業(yè)上應(yīng)用也非常廣泛，各式各樣的緊固件是TiNi記憶合金的典型應(yīng)用。比如海底油田輸送油管等部件上的鉚釘、套筒等都是采用TiNi記憶合金制作的，在低溫下改變工件形狀，裝配成功后對其進行加熱，使其完成形狀記憶效應(yīng)，將零件牢牢的緊固在一起。

機械手也是TiNi記憶合金在工業(yè)上較為典型的應(yīng)用之一。TiNi記憶合金是一種良好的驅(qū)動元件，機械手的手指用TiNi記憶合金螺旋彈簧連接，通過對彈簧加熱來使其發(fā)生相變，彈簧就會伸長或收縮，借以實現(xiàn)機械手的彎曲以及其他動作。

（4）醫(yī)療。牙齒矯正絲是TiNi合金在醫(yī)療領(lǐng)域較為常見的一種應(yīng)用，具有超彈性的TiNi合金絲是最適合做矯正絲的，相對于普通的不銹鋼矯正絲材以及CoCr合金矯正絲材，TiNi合金絲材具有低模量、彈性應(yīng)變高的優(yōu)點，即使絲材的彈性應(yīng)變達到10%，也不會發(fā)生塑性變形，這樣的矯正絲工作穩(wěn)定，而且矯形速度快，最大限度的減小了患者的不適感，醫(yī)療效果明顯。

在醫(yī)療領(lǐng)域，形狀記憶合金血管支架的應(yīng)用也越來越廣泛，它對血管堵塞以及狹窄具有良好的治療效果。其原理如下：將TiNi合金自行膨脹血管支架壓縮變形后放入裝有生理鹽水容器內(nèi)，使其保持馬氏體狀態(tài)，然后將容器一起植入血管內(nèi)部，撤掉容器后，人體的體溫足夠使其發(fā)生馬氏體逆相變，形狀恢復到膨脹狀態(tài)，將堵塞或者狹窄的血管撐開，由于TiNi合金具有良好的生物相容性，所以不會引起人體的炎癥反應(yīng)以及刺激癥狀。

5 結(jié)語

近些年來，TiNi系記憶合金的發(fā)展非常迅速，作為一種新型功能材料，TiNi系記憶合金擁有良好的形狀記憶效應(yīng)、超彈性和抗腐蝕性能等諸多優(yōu)點，很難被其他材料所取代，受到國內(nèi)外學者的重視，在航空航天、日常生活、工業(yè)工程以及醫(yī)療等多個領(lǐng)域大放光彩。隨著國內(nèi)外學者的不斷研究，TiNi系記憶合金的基礎(chǔ)理論會日趨成熟，開發(fā)力度也會加大，應(yīng)用領(lǐng)域也會越加廣闊。

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