一、引言
形狀記憶合金(Shape Memory Alloy ,SMA) 是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經塑性形變並固定成另一種形狀後,通過加熱到某一臨界溫度以上又可恢復成初始形狀的一類合金。形狀記憶合金具有的能夠記住其原始形狀的功能稱為形狀記憶效應(Shape Memory Effect ,SME) 。
形狀記憶合金作為一種特殊的新型功能材料,是集感知與驅動於一體的智慧材料,因其功能獨特,可以製作小巧玲瓏、高度自動化、效能可靠的元器件而備受矚目,並獲得了廣泛應用。
二、形狀記憶合金的發展史與現狀
在金屬中發現現狀記憶效應最早追溯到20世紀30年代。1938年。當時美國的 Greningerh和Mooradian在Cu-Zn合金小發現了馬氏體的熱彈件轉變。隨後，前蘇聯的Kurdiumov對這種行為進行了研究。1951年美國的Chang相Read在Au47·5Cd(％原子)合金中用光學顯微鏡觀察到馬氏體介面隨溫度的變化發生遷動。這是最早觀察到金屬形狀記憶效應的報道。數年後，Burkhart 在In-Ti 合金中觀察到同樣的現象。然而在當時，這些現象的發現只被看作是個別材料的特殊現象而未能引起人們足夠的興趣和重視。直至1963年，美國海軍武器實驗室的Buehler等人發現了Ni-Ti合金中的的形狀記憶效應，才開創了“形狀記憶”的實用階斷[1]。
1969年，Rsychem公司首次將Ni-Ti合金製成管接頭應用於美國F14 戰鬥機上；1970年，美國將Ti-Ni記憶合金絲製成宇宙飛船用天線。這些應用大大激勵了國際上對形狀記憶合金的研究與開發。20世紀7 年代，相繼開發出了Ni-Ti 基、Cu-Al2-Ni 基和Cu-Zn-Al 基形狀記憶合金；80 年代開發出了Fe-Mn-Si 基、不鏽鋼基等鐵基形狀記憶合金，由於其成本低廉、加工簡便而引起材料工作者的極大興趣。從20世紀90 年代至今，高溫形狀記憶合金、寬滯後記憶合金以及記憶合金薄膜等已成為研究熱點[2]。
從SMA 的發現至今已有四十餘年歷史，美國、日本等國家對SMA 的研究和應用開發已較為成熟，同時也較早地實現了SMA 的產業化。我國從上世紀70 年代末才開始對SMA 的研究工作，起步較晚，但起點較高。在材料冶金學方面，特別是實用形狀記憶合金的煉製水平已得到國際學術界的公認，在應用開發上也有一些獨到的成果。但是，由於研究條件的限制，在SMA 的基礎理論和材料科學方面的研究我國與國際先進水平尚有一定差距，尤其是在SMA 產業化和工程應用方面與國外差距較大【3】。近十年來，我國在SMA的應用和開發方面更是取得了長足進步。現在，我國的SMA產業化程序方興未艾，國內湧現了一大批以SMA原料及產品為主要生產、經營專案的高科技公司【4】。可以預見，未來幾年我國SMA的研究和應用開發將會有令人矚目的發展，甚至可能出現較大突破。
SMA的形狀記憶效應源於熱彈性馬氏體相變，這種馬氏體一旦形成，就會隨著溫度下降而繼續生長，如果溫度上升它又會減少，以完全相反的過程消失。兩項自由能之差作為相變驅動力。兩項自由能相等的溫度T0稱為平衡溫度。只有當溫度低於平衡溫度T0時才會產生馬氏體相變，反之，只有當溫度高於平衡溫度T0時才會發生逆相變[5]。
在SMA中，馬氏體相變不僅由溫度引起，也可以由應力引起，這種由應力引起的馬氏體相變叫做應力誘發馬氏體相變，且相變溫度同應力呈線性關係。
至今為止發現的記憶合金體系
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、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。 形狀記憶合金的歷史只有70多年，開發迄今不過20餘年，但由於其在各領域的特效應用，正廣為世人所矚目，被譽為"神奇的功能材料"，其實用價值相當
廣泛，其應用範圍涉及機械、電子、化工、宇航、能源和醫療等許多領域【6】。
二、形狀記憶效應的應用
目前,形狀記憶合金在電子、機械、能源、宇航、土木、汽車、醫療及日常生活各方面都得到了廣泛的應用,總的來說,按使用特性的不同,可歸納為下面幾類:
(1) 自由回覆。
SMA 在馬氏體相時產生塑性形變,溫度升高自由回覆到記憶的形狀。自由回覆的典型例子是人造衛星的天線和血栓過濾器。美國航空航天局(NASA) 將Ti2Ni 合金板或棒捲成竹筍狀或旋渦狀發條,收縮後安裝在衛星內。發射衛星並進入軌道後,利用加熱器或太陽能加熱天線,使之向宇宙空間撐開。血栓過濾器把Ni2Ti 合金記憶成網狀,低溫下拉直,通過導管插入靜脈腔,經體溫加熱後,形狀變為網狀,可以阻止凝血塊流動[7]。有人設想,利用形狀記憶合金製作宇宙空間站的`可展機構,即以小體積發射,於空間展開成所需的形狀,這是很有吸引力的機構。
《形狀記憶合金未來展望》全文內容當前網頁未完全顯示，剩餘內容請訪問下一頁檢視。
