应用形状记忆合金的领域与前景展望

TiNi形状记忆合金具有优异的形状记忆效应和超弹性，其比强度高以及具有耐蚀、抗磨损和生物相容性好等特点，在航空航天、海洋开发、仪器仪表和医疗器械等领域有广阔的应用前景。

1.在航空航天中的应用

形状记忆合金已应用到航空和太空装置中。美国国家航空和航天局在“阿波罗”登月活动中用NiTi记忆合金制造的半球形展开式天线，其本身的体积相当庞大，为便于火箭或航天飞机运载，科学家先将这种天线进行“压缩”，待运送到月球表面以后，再利用阳光加热而使其回复到原来的形状。他们先在正常温度下按预定要求做好半球形天线，然后降低温度把它压成一团装入登月舱的低温容器中，送到月球后再取出，在太阳光照射下当温度升高到约40℃时天线便记忆起原来的形状自动展开成半球形。

荷兰科学家采用NiTi记忆合金制造的人造卫星天线，也是通过“压缩”技术把它卷放于卫星本体内，当卫星进入运行轨道以后，再利用太阳光加热，使其回复“记忆”而在太空中自动展开的。

在太空方面，俄罗斯制作的形状记忆合金装置已达到了实用水平，如用于空间计划的大型天线和MIR空间站天线杆的连接与装配件。在美国，太空计划应用形状记忆合金的驱动插销释放发射后的有效载荷，也已证实是成功的。脆性插销用在预压气缸中，当形状回复时引起有凹口的插销断裂，它比常规的爆炸释放装置要安全得多。另外，在卫星中使用一种可打开容器的形状记忆释放装置，用于保护灵敏的锗探测器免受装配和发射期间的污染。

美国用形状记忆合金制作F-14战斗机上的低温配合连接器，随后在数百万的连接件上应用。

2.工业自动控制中的应用

在自动控制技术中，形状记忆合金用得也很多。例如，用于住宅供暖系统的“恒温阀”，就是借助于形状记忆合金进行工作的。当室内温度上升到一定数值后，记忆合金弹簧伸长，使阀门关闭；而当温度降低到一定数值后，记忆合金弹簧缩短，阀门又被打开，以此来保持室内的恒温。通过调整旋钮改变弹簧的压力，即可使室温升高或降低。

使用形状记忆合金制作的驱动器，可以在低电压、小电流的条件下工作，既安全又省电，有些国家已经将这种小巧玲珑的部件用在微型机器人上。由于形状记忆合金的结构简单、控制灵活，在轻型机器人及小型化系统中有独特的技术优势。下面给出几个应用示例。

1）利用单程形状记忆效应的单向形状回复件，如管接头、天线、套环等。例如，Ti-Ni形状记忆合金管接头可用于密封连接各类液、气高压或低压管件，也可用于异质器件的密封连接与紧固，性能稳定。

2）外因性双向记忆回复件，即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作的器件，如热敏元件、机器人、接线柱等。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伸长，再放到冷水中它会回复原状。利用形状记忆合金弹簧可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。也可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，记忆合金制成的弹簧发生形变，启动消防报警装置，达到报警的目的。

3）内因性双向记忆回复件，即利用双程记忆效应随温度升降做反复动作的器件，如热机、热敏元件等。但这类应用的记忆衰减快，可靠性差，不常用。

4）超弹性的应用，如弹簧、接线柱、眼镜架等。例如，用记忆合金制作的眼镜架，如果被碰弯曲了，将其放在热水中加热即可以回复原状。

形状记忆合金作为低温配合连接件可在飞机的液压系统中及体积较小的石化、电力电器中应用。宽热滞NiTiNb合金的出现使形状记忆合金连接件和连接装置更有吸引力。

另一种连接件的形状是焊接的网状金属丝，可用于制造导体的金属丝编织层的安全接头。这种连接件已用于密封装置、电气连接装置、电子工程和机械装置，并能在-65～300℃可靠的工作。开发出的密封装置可在严酷环境中用作电气件连接。计算机连接电路板的互联电缆需要一个接头，该接头在接触电阻降至最低时关闭，可防止电器件损坏。

3.在医学中应用

用于医学领域的记忆合金，除了具备形状记忆或超弹性特性外，还应满足化学和生物学等方面可靠性的要求（具有生物相容性）。在实际应用中，只有与生物体接触后会形成稳定性很强的钝化膜的合金才可以植入生物体内，目前仅TiNi合金满足医学使用条件，是目前医学上主要使用的记忆合金。

TiNi合金的生物相容性很好，在医学上TiNi合金应用较广的有口腔牙齿矫形丝，外科中用的各种矫形棒、骨连接器、血管夹、凝血滤器等。

（1）牙齿矫形丝 用超弹性TiNi合金丝和不锈钢丝做的牙齿矫正丝。牙齿矫形通常用不锈钢丝和CoCr合金丝，但这些材料有弹性模量高、弹性应变小的缺点。用TiNi记忆合金作牙齿矫形丝，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性特性，即应变增大时矫正力波动很小，这样可减轻患者的不适感。

（2）脊柱侧弯矫形 采用形状记忆合金制作的矫形棒只需一次安放固定。如果矫形棒的矫正力有变化，可通过体外加热形状记忆合金，温度升高到比体温约高5℃就能恢复足够的矫正力。(www.xing528.com)

4.在法兰密封连接中的应用

法兰密封连接是压力容器、动力机械和连接管道等工业装置中常见的可拆连接形式，它的失效有可能带来灾难性后果。不锈钢或铝制密封垫片由于弹性模量小，密封效果受到影响，螺栓在长期拉应力状态下也表现出蠕变松弛。在核电站、宇航设施等特定工况下要满足法兰连接的密封要求，须保证在长周期工作状态下密封元件上仍能维持足够的压紧力。形状记忆合金制成的管接头在工程中已得到应用，特别是在航空用液压管路的连接中。

（1）法兰密封合金的性能 法兰密封连接的蠕变松弛是垫片、螺栓与法兰相互作用的结果。当螺栓法兰连接进入工作状态后，在介质压力的作用下，螺栓变形伸长，垫片变形减薄，起密封作用的压紧力下降。随着时间的推移和温度的作用，各元件逐渐增大的蠕变使得垫片上的压紧力越来越小，导致密封失效。特别是高温状态下的法兰连接，蠕变松弛现象更为明显。

形状记忆合金具有形状记忆效应，具热弹性马氏体相变的合金还呈现出超弹性。记忆合金在高于奥氏体转变结束温度Af时是稳定的母相，而在低于马氏体转变结束温度Mf后变为马氏体相，在Mf和Af之间两相共存。当一定形状的母相样品由Af以上冷却至Mf以下形成马氏体后，将在Mf以下变形，加热至Af以上伴随逆相变，材料会自动回复其在母相时的形状。当记忆合金在形状回复过程中受到约束时，会产生很大的应力予以反抗。例如，TiNi合金的记忆效应受到阻止时，可产生700MPa的抗力。这种反抗应力可直接或间接应用在螺栓法兰连接密封中，弥补蠕变松弛造成的压紧力下降。

（2）形状记忆合金密封元件的现状 在螺栓法兰连接中，已经取得进展的是形状记忆合金制成的螺栓（或组合螺栓）和垫片。预紧后的螺栓法兰连接进入工作状态时，随着工作温度和内压的升高，螺栓和垫片表现出形状记忆效应，产生逆变形，阻止螺栓的伸长，使加载在垫片上的压紧力维持在一个较为恒定的范围；形状记忆效应和超弹性性能在随后的长期工作中，对蠕变松弛、内压和温度场波动引起的压紧力减小起主动补偿作用，从而获得优异的密封效果。

图8-14所示为一种新的组合螺栓，该螺栓用两种材料制成，同轴组合后制成一体，利用记忆效应来抑制螺栓应力松弛行为。对形状记忆合金制成的双头螺栓进行的低周期反复载荷试验表明，在同样的应力状态下（钢制螺栓低于屈服强度，记忆合金螺栓高于马氏体转变强度且低于屈服强度），相对于钢制螺栓，形状记忆螺栓有更高的耗能能力。这对特殊场合下的螺栓法兰连接体提高抗疲劳性能和延长密封寿命有应用价值。

图8-15a中的记忆合金垫片由波纹状记忆材料和一层保护膜组成，图8-15b中的垫片采用记忆合金制成的V形带1与填充材料2螺旋相间缠绕而成。它们都是利用形状记忆效应来弥补密封压紧力的下降的。试验表明，Ti-Ni合金平垫片的密封性能优于铝制平垫片，在轴向压紧力出现下降20%波动时，处于母相状态的记忆合金垫片仍能通过其超弹性性能来维持密封效果。

图8-14 形状记忆合金组合螺栓

1—形状记忆合金 2—普通合金钢制螺栓 p—工作内压 T—工作温度

图8-15 形状记忆合金垫片

a）波纹垫片 b）缠绕垫片 1—保护膜 2、3—形状记忆合金 4—填充材料 p—工作内压 T—工作温度 σ_sr—形状记忆效应回复力

形状记忆合金垫片的优势很明显，但要求预紧时处于低温马氏体相，工作状态时处于高温母相状态，这样记忆效应才能产生所需抗力；记忆效应超弹性性能也要求垫片工作温度处于Af点与Md（应力诱发马氏体的最高温度）点之间，应针对不同工作环境开发适用的记忆合金垫片。

（3）几种记忆合金在密封连接中的应用 按马氏体逆相变开始温度As，可将记忆合金划分为高温形状记忆合金（HTSMA）和低温形状记忆合金（LTSMA）。经过后续热-机械处理的合金，在无约束应力条件下，As＞120℃归为HTSMA，反之归为LTSMA。从延长密封寿命、减少维护和提高密封可靠性方面来讲，HTSMA和LTSMA适用于不同场合。HTSMA的开发应用价值更大，能解决核反应堆、汽轮机热区、地热等情况下管路的密封连接问题。开发适合于螺栓法兰连接要求的密封元件，除了要考虑材料适用温度、密封设计外，还需要考虑合金材料的可加工性、相稳定性、机械稳定性和经济性。

1）Ti-Ni合金。它是研究最早的记忆合金之一，加入第3系元素形成Ti-Ni-X合金可改变性能满足不同场合的要求。对于开发法兰连接密封组件而言，LTSMA中具有应用价值的有Ti-Ni、Ti-Ni-Nb和Ti-Ni-Cu；HTSMA中具有应用价值的是Ti-Ni-Hf和Ti-Ni-Pd。

2）Cu基合金。Cu基记忆合金某些特性不如Ti-Ni合金，但由于加工容易，成本低，在工程应用中受到青睐。Cu基记忆合金包括Cu-Zn和Cu-Al两大合金系，Cu-Zn系合金的Ms点一般低于100℃，热稳定性较差，而Cu-Al系合金有望开发成为HTSMA。

3）Fe基合金。它具有强度高、塑性好、易成形加工和价格便宜等优点，虽然记忆效应比不上Ti-Ni合金，但有很大的应用潜力。其中，Fe-Mn-Si合金可用来开发螺栓或螺栓组件，其合金逆相变发生在100～200℃，添加Cr、Ni、Co可防止生锈，提高耐蚀性，添加稀土元素Re可以改善记忆效应和提高Ms点。

4）Ni-Al合金。Ni-Al合金的马氏体相变温度Ms随Ni含量不同由-196℃变化到950℃左右，由于合金中含有大量的Al，呈现出良好的高温抗氧化性能和导热性能，适合于开发高温形状记忆合金，是目前被认为发展潜力最大的高温形状记忆合金之一。在螺栓法兰连接密封中，可进一步研发的有Ni-Al-Fe和Ni-Al-Mn合金。