形狀記憶合金的簡介、原理和應(yīng)用解析

簡介

形狀記憶合金（Shape Memory Alloys），簡稱SMA，是一種能夠在溫度和應(yīng)力作用下發(fā)生相變的新型功能材料，具有獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)、相變偽彈性等特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械、機(jī)械電器等領(lǐng)域。

圖片來源：smartlab

特性-記憶能力

形狀記憶合金產(chǎn)生塑性變形后，加熱到某一溫度之上，能夠回復(fù)到變形前的形狀，即具有形狀記憶效應(yīng)（SME）。

廣為人知的要數(shù)1969年7月20日，美國宇航員乘坐“阿波羅” 號(hào)在月球上首次留下了人類的腳印，并通過一個(gè)直徑數(shù)米的半球形天線傳輸月球和地球之間的信息。這個(gè)龐然大物般的天線就是用一種形狀記憶合金材料制成了天線。

右上角天線為形狀記憶合金材料

圖片來源：NASA

先在其轉(zhuǎn)變溫度以上按預(yù)定要求做好，然后降低溫度把它壓成一團(tuán)，裝進(jìn)登月艙帶上天去。放置于月球后，在陽光照射下，達(dá)到該合金的轉(zhuǎn)變溫度，天線“記”起了自己的本來面貌，變成一個(gè)半球。

特性-超彈性

形狀記憶合金的另一個(gè)獨(dú)特性質(zhì)是在高溫下（奧氏體狀態(tài)）發(fā)生大的“偽彈性”或“超彈性”，即表現(xiàn)為這種合金的承載力比一般金屬大幾倍甚至幾十倍的可回復(fù)應(yīng)變。

圖片來源：science.jrank

形狀記憶原理

記憶合金記住材料形狀的原理不同于高分子彈性物質(zhì)，比如我們熟悉的橡皮圈，它恢復(fù)其形狀的原理是內(nèi)部交聯(lián)和糾纏的橡膠大分子鏈的打開與分離。

而形狀記憶合金之所以具有變形恢復(fù)能力，是因?yàn)樽冃芜^程中材料內(nèi)部產(chǎn)生的熱彈性馬氏體相變。熱彈性馬氏體相變產(chǎn)生的低溫相（馬氏體）在加熱時(shí)向高溫相（奧氏體）進(jìn)行可逆轉(zhuǎn)變的結(jié)果。

形狀記憶過程示意圖

圖片來源：smartlab

類別

已發(fā)現(xiàn)具有形狀記憶效應(yīng)的合金種類很多，可以分為鎳-鈦系、銅系、鐵系合金三大類。目前已實(shí)用化的形狀記憶合金只有Ni-Ti系合金和Cu系合金。

近日，日本東北大學(xué)的Yukiko等人發(fā)現(xiàn)Mg-Sc合金在-151℃呈現(xiàn)出4.4%的超彈性并且受熱形狀可以恢復(fù)，密度僅為2g/cm3左右，與實(shí)際的鎳鈦形狀記憶合金相比要低三分之一。這種輕質(zhì)鎂鈧形狀記憶合金在對(duì)重量控制嚴(yán)苛的領(lǐng)域（如航空航天）將存在著巨大的應(yīng)用潛力。

形狀記憶合金的比重和最大超彈性應(yīng)變的關(guān)系圖

圖片來源：Science

形狀記憶合金的應(yīng)用

航空航天

2017年12月，NASA發(fā)布了其與固特異公司（Goodyear）共同開發(fā)的一種由形狀記憶合金制造的非充氣式輪胎，這種輪胎除了應(yīng)用在火星探測(cè)任務(wù)中之外，也可以作為傳統(tǒng)輪胎的替代品在地球上使用。

圖片來源： NASA

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（HST）使用形狀記憶合金制成的手臂，到達(dá)太空后，太陽的溫度將形狀記憶臂加熱到臨界溫度以上，使它們恢復(fù)到原來的形狀，自動(dòng)釋放太陽能電池板。

圖片來源：NASA

采用形狀記憶合金改變機(jī)翼外傾角，或機(jī)翼頂部和底部之間的相對(duì)角度。

圖片來源：wired

機(jī)械工業(yè)

形狀各異的微型機(jī)械

圖片來源：JohnsonMatthey

SmartFlex 合金絲

圖片來源：SAES Getters

形狀記憶合金油管接頭，用相變點(diǎn)約-150℃的Ti-Ni-Fe合金制備。這種油管接頭可應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)上。

圖片來源：JohnsonMatthey

圖片來源：uzone.univs

生物工程

記憶食道架能在喉部膨脹成新的食道。必要時(shí)向食道里加上冰塊，“食道”遇冷收縮就可輕易取出，提高失去進(jìn)食功能的食道癌患者的生活質(zhì)量。

圖片來源： smartlab

形狀記憶合金很好地模擬人體肌肉和肌腱，利用壓電材料或形狀記憶合金可以制成受控制的“肌肉”。

圖片來源：University of cornell

鎳鈦形狀記憶合金接骨板。

圖片來源：斯邁爾

牙齒矯形絲：NiTi形狀記憶合金可持續(xù)釋放比其他材料更加恒定的矯正力。

圖片來源：jmmedical

應(yīng)用于髖關(guān)節(jié)置換的形狀記憶合金。

圖片來源：washington.edu

利用形狀記憶合金制作血管支架。

圖片來源：Lakeview Center