探讨形状记忆合金的认知学习

8.1.1 形状记忆的概念及原理

形状记忆是指具有初始形状的制品经变形后，通过热、电、光等物理刺激或者化学刺激处理后又可以恢复初始形状的功能，这种具有形状记忆功能的材料称为形状记忆合金（Shape Memory Materials，SMM）。

形状记忆效应是1951年美国Read等人在Au-Cd合金中首先发现的，1953年在In-Ti合金中也发现了同样的现象，但当时并没有引起人们的关注，直到1964年美国Buehler等人在Ti-Ni合金中发现形状记忆效应后，形状记忆效应才受到世界瞩目。20世纪60年代中期出现了Ti-Ni合金制造的人造卫星天线和能量转换热机。1970年在形状记忆合金历史上更是有两项重大突破：一是Ti-Ni合金管接头在F14飞机油压管路连接上大量应用，这是形状记忆合金的第一个批量产品；二是日本大阪大学清水和大塚对所发现的形状记忆合金进行综合研究后发现，这些合金有共性，它们都有热弹性马氏体相变，并以此为据预言，凡具有热弹性马氏体相变的合金呈形状记忆效应。超弹性是形状记忆合金的另一特性，超弹性现象与形状记忆效应同时被发现，但只是在发现形状记忆合金共性之后，才认识到超弹性也是由热弹性马氏体相变导致的性质。

自发现Ti-Ni合金具有形状记忆功能以来，形状记忆材料以其独特的性能在全球引起了广泛的重视，其种类与应用领域得到极大的发展。形状记忆合金是形状记忆材料的一种，除此之外，非金属材料有的也具有形状记忆效应。目前，得到应用的形状记忆高分子材料已有聚降冰片烯、苯乙烯-丁二烯共聚物、聚氨酯等。另外，含氟高聚物、聚内酯、聚酰胺等高聚物也具有形状记忆功能。与形状记忆合金相比，形状记忆高分子材料具有价格低、较易加工成型、应用范围广等优点。其中，形状记忆聚氨酯原料来源广，配方可调性较大，性能选择范围宽，能够满足较多场合的需要，现已开发出多种形状记忆聚氨酯弹性体。另外，云母玻璃陶瓷、各种晶化玻璃、精细陶瓷等，均具有形状记忆功能。

众所周知，高温母相转变为低温马氏体时发生在低于马氏体开始转变温度Ms，而加热时马氏体转变为高温相的转变温度As高于马氏体开始转变的温度Ms，此转变过程通常存在热滞后现象，且通常的马氏体转变热滞后较大，而形状记忆合金的热滞后相对较小。这种热滞后小，且冷却时通过界面易移动的马氏体相变称为热弹性马氏体相变。如图8-4所示，当形状记忆合金从高温母相[见图8-4（a）]冷却到低于Ms点温度后，将发生马氏体相变[见图8-4（b）]，即转变为形状记忆合金中的热弹性马氏体。当在马氏体温度范围内发生形变时即转变为变形马氏体[见图8-4（c）]，进一步重新加热到转变点温度以上时，将发生逆变，这时产品变形完全消失恢复到高温母相形状[见图8-4（a）]，这种过程效应通称为形状记忆效应。如对母相[见图8-4（a）]施加应力也可由母相直接转变成变形马氏体[见图8-4（c）]，这一过程称为应力诱变马氏体相变。当应力去除后，变形马氏体又恢复至母相[见图8-4（a）]，应变消失，这种现象称为超弹性或伪弹性。

形状记忆合金

图8-4　形状记忆合金超弹性变化过程

根据形状记忆材料的恢复形式，通常形状记忆材料可分为以下三种（见表8-1）：

（1）不可逆形状记忆效应：材料经受力变形，加热时恢复高温形状，冷却时不恢复低温相形状的现象，也称单程形状记忆效应。

（2）可逆形状记忆效应：加热时恢复高温相状态，冷却时恢复低温相形状，即可通过温度升降自发地、可逆地反复恢复高低温相形状的现象，也称双程形状记忆效应。

（3）全程形状记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向与高温相形状相反的现象，是一种特殊的双程形状记忆效应。

表8-1　形状记忆效应分类

8.1.2 形状记忆合金的应用

从20世纪70年代中期开始，各国都积极致力于形状记忆合金的应用开发，在电子、电器、汽车、机械、能源、家电、宇航、建设、医疗等领域中开始得到应用。20世纪80年代许多记忆合金产品相继问世，在工程、生物医疗、航空工业及家庭生活中的产品屡见不鲜。

1.工程上的应用(www.xing528.com)

（1）紧固件、连接件：记忆铆钉特别适用于不能触到部位的连接和有强烈射线源板材的连接，因此在原子能反应堆上得到大量应用。管接头紧固力大，气密性好，可避免熔焊时焊缝区性能恶化和飞机机身的损伤，这种管接头在F14战斗机油压系统和石油企业输油管道系统的管材连接上已经大量应用，美国海军飞机上使用了30万根以上，尚未发现任何事故。示意图如图8-5所示。

图8-5　形状记忆铆钉的铆接过程示意图

（2）驱动器：利用形状记忆合金的单程形状恢复弹性，形状记忆合金弹簧可以制作热敏驱动元件，用于自动控制。如美国和日本生产的育苗室、温室等天窗自动控制器，就是一种典型的单程形状记忆合金和偏置压缩弹簧构成的驱动器。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。将形状记忆合金用于制造精密仪器或精密车床，一旦由于振动、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至另一台机器上，现在利用形状记忆合金开发一种取代手动或液压的夹具，这种装置叫作驱动气缸，它具有效率高、装夹力大等优点。

（3）能量转换器：利用形状记忆合金的双向记忆功能可制造机器人部件，还可制造热机，实现热能与机械能的转换。在太阳热、工厂废热、汽车废热、地热、电站废热等低能热的回收上用处很大，可以把这些热能转换成电能。示意图如图8-6所示。

图8-6　利用形状记忆效应制作的热力发动机示意图

2.生物医疗上的应用

形状记忆合金在医学上也有应用，以Ti-Ni记忆合金应用最有成效。由于Ti-Ni记忆合金具有良好的生物相容性，而且在各种生理溶液或介质中可与生物体形成稳定的钝化膜而具有良好的耐蚀性，我国已将其用于齿形矫正用丝、脊椎侧弯矫正棒、骨折固定板、妇女避孕环等，居世界先进水平。其他应用实例还有血栓过滤器、脑动脉瘤手术夹、人造心脏、人造肾脏瓣膜、各种支架等。随着形状记忆的发展，其医学应用将会更加广泛，如图8-7所示为血管支架的应用。

3.航空航天工业上的应用

形状记忆合金已应用到航空和太空装置，如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将呈马氏体状态的Ti-Ni丝制作好天线，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1‰，这样很容易运上月球，最后在太阳强烈的辐射下使它恢复原来的形状，成为通信天线，可按照需求向地球发回宝贵的宇宙信息，如图8-8所示。

图8-7　形状记忆合金血管支架

图8-8　形状记忆合金天线打开过程

4.家庭生活上的应用

形状记忆材料发展至今天，已经进入我们国民经济和人民生活的各个领域。利用形状记忆合金装置可以防止浴室、浴盆、洗涤槽等被意外烫伤，根据设置安全温度范围，水龙头可以进行相应调节。利用超弹性的Ti-Ni合金丝做镜架框，即使镜片受热膨胀，该形状记忆合金丝也能靠超弹性的恒定力夹牢镜片。移动电话天线和火灾检查阀门使用超弹性Ti-Ni金属丝做成蜂窝状电话天线是形状记忆合金的另一个应用。过去使用的不锈钢天线，由于弯曲常常出现损坏问题，而使用Ti-Ni形状记忆合金丝移动电话天线，具有高抗破坏性，受到人们的普遍欢迎。