形状记忆合金 （改变温度或应力能发生形变和复原的合金材料）

发展历史

形状记忆合金的发展历史可以追溯到1932年，瑞典科学家奥兰德（Olander）在金-镉（Au-Cd）合金中首次观察到“记忆”效应。他发现这种合金的形状被改变之后，加热到一定温度，它却可以神奇地恢复原状。而在之后的1938年，美国科学家格林格尔（Greningerh）和莫拉迪恩（Mooradian）在铜-锌（Cu-Zn）中发现了马氏体的热弹性转变。苏联的科学家库尔久莫夫（Kurdiumov）深入研究了这种现象。最终在1941年，美国科学家弗农（Vernon）在描述他的聚合物牙科材料时，首次用到了“形状记忆”一词。

而在上世纪60年代，性能优良的镍-钛（Ni-Ti）合金首次被发现，并且形状记忆合金也引来了商业成功。美国海军研究实验室（Naval Ordnance Laboratory）的一位叫作比勒（Buehler）的科学家在1963年发现到镍-钛（Ni-Ti）合金在受到塑性变形后，经过加热可以恢复到其原始形状，并且敲击发出的声音会随着温度的变化有所不同。这个发现揭示了镍-钛（Ni-Ti）合金中的形状记忆效应，为其他科学家的后续研究奠定了基础。美国瑞侃（Raychem）公司设计的“收缩配合”管道耦合器，成功用于制造格鲁曼航空航天公司研发的F-14喷气式战斗机，形状记忆合金因此在1969年迎来了第一个商业成功。

形状记忆合金在医疗领域得到广泛应用开始于1980年代。其中最著名的应用之一是用于牙套和矫正器，利用合金的记忆效应来调整牙齿的位置，后来记忆合金也逐渐应用于骨科和内科。而到了1990年代，记忆合金的应用扩展到其他领域，如航空航天、汽车工业和电子设备。合金的超弹性和形状记忆效应使其成为许多新型产品和技术的关键组成部分。从本世纪开始，科学技术的不断进步促进了形状记忆合金的研究和应用不断发展。研究人员致力于改善合金的性能和功能，以满足不同领域的需求。

特点介绍

形状记忆合金是一类具有特殊性质和特征的新型功能材料，具有广泛的应用前景。以下是其最主要的特点和特征：

形状记忆效应

形状记忆效应（Shape Memory Effect， 简称SME）是在受力或受热后可以恢复到其原始形状。这意味着记忆合金可以经历可逆的弹性变形，而不会永久留下变形痕迹。SME分为单程、双程和全程三种类型。

单程记忆效应：这种形状记忆效应是最常见的类型。合金处于低温下时，它处于一种称为马氏体（Martensite）的变形状态。当外界温度升高时，合金会发生相变，转变回另一种称为奥氏体（Austenite）的高温状态，从而恢复到其原始形状。此后再进行冷却加热操作，其形状再不会发生变化。

双程记忆效应：这种形状记忆效应涉及到两个不同的相变过程。合金在低温下会发生从马氏体到奥氏体的第一相变，使其形状发生改变。当温度再次升高时，会发生第二个相变，从奥氏体转变回马氏体，并恢复到原始形状。通过控制温度变化，可实现高低温形状的反复变化。

全程记忆效应：将合金在马氏体以下变形当加热至奥氏体以上时，试样可回复高温母相的形状，冷却时回复低温相形状。若再继续冷却，合金呈现出与高温时完全相反的形状，而继续加热可以变形为奥氏体的形状。

超弹性

记忆合金具有超弹性效应（Superelasticity，简称SE），也称为“超弹性记忆效应”。在某特定温度范围内，形状记忆合金在外荷载的作用下，超弹性材料会经历弹性变形，即其形状会发生可逆的改变，但不会产生永久性变形或断裂。一旦去除外力，材料会迅速恢复到其原始形状，具有很高的回弹能力。这是因为材料的结构可以通过自身内部的能量重新排列来实现形状的回复。超弹性材料的回弹能力通常表现为高度的应变恢复率。应变恢复率是指材料恢复到原始形状所发生的应变与施加在其上的应变之间的比值。超弹性材料通常具有较高的应变恢复率，这意味着它们可以承受较大的形变，并在去除外力后迅速回到初始状态。因此，拓宽超弹性的工作温度窗口和降低超弹性能量耗散对于提升形状记忆合金的性能是非常有必要的。

高阻尼性

高阻尼（High-damping， 简称HD）是指材料在振动或震动过程中能够吸收和耗散能量的能力。对于记忆合金来说，高阻尼性是由其微观结构和相变行为所决定的。当记忆合金经历相变过程时，例如从奥氏体结构到马氏体结构的相变，相变过程中会涉及晶体的结构重排和相界面的移动，这导致材料内部存在大量的位错和界面阻尼。这些位错和界面的移动和相互作用使得合金表现出较高的内部摩擦和能量耗散，从而产生较高的阻尼。阻尼机理与位错运动高度相关，高阻尼能力要求位错在基面上轻松移动通过。通过外界激励，得到更宽温域的高阻尼记忆合金可以拓宽其在工业生产实际中的应用。

作用机理

相变行为

形状记忆合金的相变行为就是其呈现形状记忆效应的根本原因。相变行为通常分为温度相变和应力相变。形状记忆合金基于其不同的微观结构和晶体排列方式，在温度或应力条件下相变，实现形状的可逆变化。

在温度相变中，合金可以通过循环的加热和冷却来实现奥氏体和马氏体的转变，从而实现形状的可控变化。以镍-钛（Ni-Ti）合金为例，在室温下该合金是奥氏体，呈现高度对称性的体心立方。发生马氏体转变时，合金会形成低对称性的单斜结构，导致晶格的畸变。而发生逆马氏体转变时，合金又会恢复原状。

在应力相变中，合金通过外界应力的作用和消除实现晶相的转变。铁基记忆金属就是通过应力诱发

航空航天领域

在航空航天领域，记忆合金相较其他材料比强度高，耐腐蚀性好，具有高能量密度和高功输出。其应用主要集中在舵面控制、发动机控制、减振系统和空间部署结构等方面。其形状记忆效应、超弹性和高阻尼性等特性使得合金材料成为实现精确控制、节能减重和提高可靠性的理想选择。形状记忆合金技术可用于变形翼尖、航天器部件以及温度调节装置等。变形翼尖就是通过温度变化引起形状记忆效应，实现翼尖的自适应形状调整，改善飞机的空气动力学性能，减少阻力和噪音，提高燃油效率。

机械工程领域

记忆合金在机械工程领域也有广泛的应用。其可用于制造具有自动控制功能的阀门和连接件，记忆合金阀门和连接件可以根据温度、压力或其他环境变化自动开启或关闭，实现自动控制和调节；其也可用作振动控制器，如用于减震和减振的阻尼器，记忆合金可以对机械系统的振动进行自适应控制和调节，提高系统的稳定性和性能；其在智能材料和结构领域有重要应用，如智能玻璃、智能窗户等。通过调控温度或应力，这些材料可以实现形状的可逆变化，实现多种功能和应用。

电子领域

形状记忆合金在电子领域的应用主要体现在传感器的设计。通过形状记忆效应，磁控形状记忆合金（MSMA)具有较大的恢复应变和快速的响应频率。其在特定温度范围内可以将机械能转化为电能。其制作的传感器可以应用于电工、材料、信号、控制等领域，且具有励磁电流小、输出电压信号强、响应频率快、转换装置简单和精度高等优点。

汽车工业领域

形状记忆合金在汽车工业中也有很多应用，涵盖了发动机、刹车系统、悬挂系统等诸多方面，这为汽车的设计和性能优化提供了许多创新方案。记忆合金可以用于发动机的控制和调节系统，实现气门的自动开闭和喷嘴的形状调整，提高发动机的燃烧效率和排放控制；其也可以用作刹车系统中的形状记忆合金垫片，提供可靠的刹车力和稳定的刹车性能；其还可以用于汽车悬挂系统的减震器和弹簧，对悬挂系统进行自适应调节，提供舒适的驾驶体验和稳定的悬挂性能。

管道领域

形状记忆合金在管道设计中也具有广阔的应用。由于其耐蚀性和抗高温氧化性，形状记忆合金制成的管接头连接克服了传统焊接和法兰连接时引起的电偶腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀等缺点，在石油和天然气管线中用于连接、密封、堵漏具有广阔的发展前景。在飞机等大型运输设备的液压管道中，该合金制成的紧固管接头也是保证安全连接的关键零部件。

手机领域

在手机中，记忆合金主要用于折叠屏幕技术、天线设计和震动马达控制中。记忆合金在手机的折叠屏幕技术中发挥了关键作用。通过利用记忆合金的形状记忆特性制成的柔性器件，手机的屏幕可以在展开和折叠时实现平滑的过渡和可靠的折叠效果。传统的手机天线通常需要占据一定的空间，而使用记忆合金制造的天线可以更加紧凑和灵活，从而在手机设计中提供更多的自由度。记忆合金也可以应用于手机的震动马达控制。通过控制记忆合金的形状变化，可以实现更精确和多样化的震动反馈，提供更好的用户体验。

制备方法

形状记忆合金的常见制备方法有以下几种：

真空冶炼法

真空冶炼法是将预处理的合金放置在高真空感应炉下进行冶炼，并进行保温冷却过程。通过调节合金中的元素组成和含量，可以控制合金的形状记忆性能。该法与磁控共溅法结合制备出的铁锰硅（Fe-Mn-Si）形状记忆合金薄膜具有磁场诱导应变和热弹性效应，可用于制造驱动和传感材料。

粉末冶金法

粉末冶金法是将合金元素制备成粉末，并进行混合。然后，通过加热和压制等工艺，将粉末烧结成块状。最后，对块状材料进行热处理，以获得所需的形状记忆性能。该法能耗低，且工艺流程较短。制备出的镍钛（Ni-Ti）合金有着良好的孔隙率和机械性能，因而具有良好的形状记忆效应。

熔体法

熔体法是制备形状记忆合金的另一种常用方法。首先，将合金元素按照一定比例混合，然后将其熔化成液体。接着，将熔体倒入模具中，通过快速冷却或控制冷却速度，使合金固化并形成所需的形状。在使用熔体法的基础上使用引晶系统，选择合理的定向凝固工艺可以得到单晶体。较普通铸造的合金， 其记忆性能和可恢复应变有明显提高。

热机械法

热机械法是通过冷变形和热处理两个步骤在合金中增加或引入形状记忆性能的方法。首先，通过冷加工（如拉伸、压制等）对金属进行塑性变形。然后，对冷变形后的材料进行适当的热处理，使其形成形状记忆性能。随着热机械处理次数的增加，铁锰硅（Fe-Mn-Si）形状记忆合金的可回复应变性能先增加后降低。

局限性

低寿命和高成本

形状记忆合金的使用寿命受到循环应变次数的限制。当形状记忆合金反复经历形状变化时，其性能会逐渐退化，形状不能完全恢复，最终导致失效。这限制了其在一些高频率或长周期应用中的使用。形状记忆合金的制造成本相对较高。合金中常含有贵金属元素，如镍、钛和钯，以及特殊的合金制备和加工技术。这使得形状记忆合金在某些领域的应用受到成本的限制。

温度敏感性

形状记忆合金的形状转变与温度变化密切相关，超弹性的温度区间会局限于较窄的温度范围。在使用形状记忆合金时需要精确控制温度条件，以实现所需的形状转变。温度的变化可能会受到外界环境、热源或其他因素的影响，限制了形状记忆合金的应用范围。

人体和环境危害

形状记忆合金中的镍钛合金具有生物相容性，但其中含镍量较高。镍离子是一种潜在的致病因子，可致炎、致畸或致癌，在人体内容易引发过敏和中毒症状。 镍离子直接与人体内皮细胞接触会引起氧化应激反应等病理变化，其也会降低成骨细胞和成纤维细胞的黏附和增殖能力，这使得镍钛合金临床应用受到一定的限制。一些形状记忆合金引入的稀土元素无法被完全回收降解，将会在土壤和水体中富集，对生态环境造成破坏。

发展前景

形状记忆合金作为一种具有独特性能和广泛应用的材料，集感知与驱动于一身，具有广阔的未来发展前景。形状记忆合金未来可应用于智能创新领域，在智能材料、柔性电子、机器人技术、能源存储等领域发挥更重要的作用。通过引入新的合金体系和化学组成，把形状记忆合金与聚合物、纳米材料等进行复合，研究者们开发出了具有更大的形状记忆应变、更高的转变温度范围、更好的耐腐蚀性和更长的使用寿命的高性能形状记忆合金，以满足不同应用领域的需求。此外，可持续发展理念的普及，也要求形状记忆合金领域的工作者深入研究材料的可持续性和环境友好性。