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探秘形状记忆合金的奥秘

时间:2023-06-19 理论教育 版权反馈
【摘要】:形状记忆合金与普通金属的变形及恢复不同。而形状记忆合金在变形超过弹性范围,去除载荷后也会发生残留变形,但这部分残留变形在其后加热到某一温度时即会消除而恢复到原来形状。由于形状记忆合金正逆变化时产生的力很大,乃至形状变化量也很大,可作为发动机进风口的连接器。医学上使用的形状记忆合金主要是Ni-Ti合金,它可以埋入机体内作为移植材料,在生物体内部作固定折断骨骼的销和进行内固定接骨的接骨板。

探秘形状记忆合金的奥秘

材料在某一温度下受外力作用而变形,当外力去除后,仍保持其变形后的形状,但当温度上升到某一定值,材料会自动恢复到变形前原有的形状,似乎对以前的形状保持记忆,这种材料被称为形状记忆合金(Shape Memory Alloy)。

形状记忆合金与普通金属的变形及恢复不同。普通金属材料,当变形在弹性范围内时,去除载荷后可以恢复到原来形状,当变形超过弹性范围后,再去除载荷时,材料会发生永久变形。如在其后加热,这部分的变形并不会清除。而形状记忆合金在变形超过弹性范围,去除载荷后也会发生残留变形,但这部分残留变形在其后加热到某一温度时即会消除而恢复到原来形状。有的形状记忆合金,当变形超过弹性范围后在某一程度内,当去除载荷后,它能缓慢返回原形,这种现象称为超弹性(SuperElasticity)或伪弹性。如铜铝镍合金就是一种超弹性合金,当伸长率超过20%(大于弹性极限)后,一旦去除载荷又可恢复原形。

形状记忆合金的一种简单用途是用作连接件,即在Ms点以下,将其处于母相状态且内径略小的接头插入管道连接后,升温到Af点以下的工作温度,这时管道内径重新收缩到母相状态,达到管道彼此间被紧箍的目的。美国已在喷气式战斗机的油压系统中使用了10多万个这类接头,至今未见有任何漏油、破损、脱落等情况的报道。这类管接头还可用于舰船管道,海底输油管道等修补,这种连接方法可代替在海底难以进行的焊接工艺。把形状记忆合金制成弹簧,和普通弹簧材料组成自动控制件,使之互相推压,在温度为Af以上和低温时,形状记忆合金弹簧可向不同方向移动。这种构件可以作为暖气阀门、温室门窗自动开闭的控制,描笔式记录器的驱动等。由于形状记忆合金正逆变化时产生的力很大,乃至形状变化量也很大,可作为发动机进风口的连接器。当发动机超过一定温度时,连接器使进风口的风扇连接到旋转轴上输送冷风,达到启动控制的目的。此外,还可以用来作为温度安全阀截止阀等。在军事和航天事业上,记忆合金可以做成大型抛物面天线,在马氏体状态下形变成很小的体积,当发射到卫星轨道上以后,天线在太阳照射下温度升高,自动张开,便于携带。

医学上使用的形状记忆合金主要是Ni-Ti合金,它可以埋入机体内作为移植材料,在生物体内部作固定折断骨骼的销和进行内固定接骨的接骨板。一旦植入生物体内,由于体内温度使其收缩,使断骨处紧紧相接,或用来顺直脊柱的弯曲。在内科方面,可将Ni-Ti丝插入血管,由体温使其恢复到母相形状,消除血栓,使95%的凝血块不流向心脏。用记忆合金制成的肌纤维与弹性体薄膜心室相配合,可以模仿心室收缩运动,制造人工心脏。(www.xing528.com)

利用超弹性做成的弹簧可复原的应变量比普通弹簧大一个数量级。应力和应变之间的关系是非线性的,在高应变区,与应变相比较,应力增加不多,加载时和去载时的应力具有不同值,显示一种滞后现象,高应变区的振动吸收能相当大,利用这些性质,可以制作眼镜框架,使镜片易装易卸,冬天不易脱落。超弹性还可用于制造微型打印机等精密机械控制振动的弹簧,也可考虑用作磁盘存取部分的缓冲材料。在医疗方面,使用最普及的是牙齿矫正线,可依靠固定在牙齿上的托架的金属线的弹力来矫正排列不整齐牙齿,具有矫正范围大,不必经常更换金属线,安装感觉小等优点,已大量应用于临床。在整形外科方面,有使用超弹性医疗带捆扎骨头的病例。

对于形状记忆合金的研究,材料研究者们目前一方面致力于现有Ni-Ti、Cu-Zn-Al、Fe-Mn-Si等合金的机理研究、性能提高,另一方面致力于开发新的记忆合金材料。

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