形状记忆合金文献综述.docx

形状记忆合金性能及其应用综述引言：形状记忆合金形状记忆效应、超弹性效应、高阻尼特性、电阻突变效应以及弹性模量随温度变化等一般金属不具备的力学特性 ，使其在仪器仪表、自动控制、机器人、机械制造、汽车、航天航空、生物医学等工程领域都能发挥重要的作用，对其本构性能和在工程应用中的性能的研究十分必要。本文综合了自1971年以来国内外众多科学家对形状记忆合金做出的各方面的研究，并做出简要评价，提出自己的看法和本课题研究内容，为对形状记忆合金的应用研究提供一定参考。国内外研究现状：1、SMA材料种类研究现状 自上个世纪30年代人们发现Au-Cd合金具有记忆效应以来，进过几十年的研究，发现的形状记忆合金按相变特征类，可分成如下几个系列1：1、由热弹性马氏体相变呈现形状记忆效应的合金 1) TiNi系列，发生体心立方无公度相菱方R相单斜BI9相变。包括TiNi、TiNiFe、TiNiCu、TiNiNb(宽滞后)、TiNiCo等。2) 铜基合金系，包括:Cu-Al-Ni(Cu-Al-X=Ti或Mn),发生体心立方近正交1（2H）或单斜1（18R1）, 1单斜1”（18R2），1”-单斜1, 1-单斜1相变（视应力大小而定）；Cu-Zn-Al-X（Cu-Zn-Al-X，X=Mn或Ni等），发生体心立方（2、DO3或L1）-单斜9R或18R相变；其它，如Cu-Zu和Cu-Zn-X（X=Si、Sn、Au等）。3） 其它有色合金系，包括：Au-Cd、Ag-Cd、In-Ti、Ti-Nb、Co-Ni、Ni-Al等。4) Fe3Pt（，fct）和Fe-30at%Pd（fct）。5) Fe-Ni-Co-Ti系，发生时效一薄片状(bcc和bct)马氏体相变，如Fe-33Ni-l0Co-4Ti、 Fe-31Ni一I0Co-3Ti及Fe-33Ni-l0Co-(34)Ti-Al等。2、由非热弹性马氏体相变呈现形状记忆效应的合金1) Fe-MIn-Si系，发生一六方相变，包括Fe-30Mn-1Si(单晶)、Fe-（2833）Mn-(46)Si、Fe-Mn-Si-Ni-Cr、Fe-14Mn-6Si-5Ni-9Cr、Fe-20Mn-5Si-5Ni-8Cr、Fe-Mn-Si-9C、Fe-8Mn-6Si-6Ni-13Cr- 12Co等。 2) Fe-Ni-C系，发生一薄片状马氏体相变，如Fe-3INi-0.4C 和Fe-（2628）Ni-12Co-4Al-0.4C。 其中Ni-Ti基合金的形状记忆效应最佳，是重要的形状记忆材料。NiTi中具有多种相变：无公度相变、R相变(马氏体型)、马氏体相变、沉淀。2形状记忆合金性能研究现状 虽然早在上个世纪30年代，人们就发现了一些合金的形状记忆效应，但是直到70年代muller等人提出SMA材料的本构关系模型以来，有关形状记忆合金的机理和本构模型的研究才取得了一定的进展2。SMA的模型可大致分为三类：微观热力学模型、宏观现象学模型和基于微观力学的宏观模型。 微观热力学模型有助于了解材料宏观特性的微观机理，揭示SMA的物理本质。微观热力学模型主要有从相界运动的动力学角度给出的本构模型和以能量耗散理论为依据的细观力学模型。Patoor3等人首先从微观角度研究了SMA的本构行为，但他们的工作限于应力诱发的马氏体相变且难以推广到逆相变和非比例加载过程.Boyd4在Patoor等人所建立的单晶模型的基础上，采用多晶平均法，研究材料非比例加载、相变和重定向引起的行为并建立了本构关系该模型包含了所有的使用领域，但长时间的计算和大量相对复杂的方程不便于工程应用彭向和5等人结合Tanaka的相变描述，建立了小变形、初始各相同性和塑性不可压缩条件下SMA的三维本构模型。周博等人从微观力学角度建立了一个考虑马氏体择优取向过程的SMA三维本构模型。朱炜国，吕和祥6等将孪晶马氏体向非孪晶马氏体（马氏单变体）的相变过程，看作是奥氏体向马氏单变体的相变过程，利用Tanaka的指数型相变演化方程，构造了一个三维的本构模型。迄今为止，SMA微观力学本构模型的研究者们采用各种方法研究材料的结晶现象，由于材料相变产生的交互能量和其他许多可能的变量，从而发展了SMA单晶/多晶本构模型. 这些集中在SMA材料的微观热力学模型方面的描述，有助于人们更好的认识其本质，为其在工程中的应用打下良好的基础，但是难以被应用于工程实际问题的分析。 SMA的宏观现象学模型，以热力学定律为基本出发点，借助于热动力学理论和相变动力学理论，大致分为3类：1、基于热动力学理论，根据自由能推到的本构模型；2、从纯热力学理论出发建立的本构模型；3、超弹性和单双程形状记忆效应的本构模型。Falk7将SMA的应力、应变曲线同铁电极强化度曲线进行对比后发现两者具有相似性，于是采用铁电极的变相理论描述SMA，不过只使用与剪切模型。Tanaka8等人基于热力学学第一、第二定律，对形状记忆合金材料的应力应变关系进行了定性的分析，这种模型得到了工程界的普遍认同和广泛应用。Liang.C9等人根据Tanaka的理论为基点，考虑到在发生马氏体相变、逆相变初始状态的马氏体含量对模型的影响，提出了一种以余弦函数形式来表示马氏体百分数与温度、Canchy应力之间的关系，这是一个创新，提高了模型的准确性，从而使工程应用的准确性也大大提高了。这几种本构关系都可以描述应力诱发下的正、反方向的相变行为，解释形状记忆效应和超弹性效应，但是由于只引入了一个内变量，故对相变时的内部结构和状态的描述是有限的，如对低温马氏体的重定向问题就不能很好的解释。Sun10等人又分别在不同方面对本构模型进行了研究而得出一些更为复杂的结论。现在很多学者还在对这种本构关系的简化应用进行着研究。如杜彦良11提出了一种线性的马氏体百分数与温度、Canchy应力之间的关系模型，并与Liang等人的模型进行了比较，实验与预报精确度相差不大，但是简化了模型，为实际应用提供了更加简便的模型。3、形状记忆合金在智能系统方面的应用研究现状与其他可作为传感与驱动的元件相比，SMA驱动器的动作除温度外几乎不受其它环境条件的影响，具有较好地抗外界干扰特性，相对其他智能复合材料在价格、技术成熟性和可植入性等方面也有明显的优势。因此，采用SMA构造智能结构受到专家学者的关注12。SMA在结构振动控制方面的应用研究：结构振动控制手段可分为被动控制、主动控制和智能控制13。被动控制是利用形状记忆合金材料的超弹性效应和高阻尼特性将其制做为耗能阻尼器。形状记忆合金特有的超弹性变形特性使其变形能力比普通金属材料约大30倍，比阻尼（材料振幅衰减比的平方）可达40%，在小震情况下，形状记忆合金的弹性特性与普通金属相似，在大震时形状记忆合金表现出超弹性大变形能力，有效地消耗地震能量，并可利用其记忆效应使变形恢复。SMA在精确定位控制方面的应用研究：阎绍泽，徐峰等提出将SMA传感器与光导纤维制成一体，当温度出现异常时，SMA变形使光导纤维的光导系统出现光能损失，终端得到的散光光强和时间曲线就会出现明显变化, 判断异常温度的位置和时间14. 这种传感系统可用作工厂、大楼的火灾报警装置。SMA在故障自监测、自诊断、自修复和自增强方面的应用研究：将产生一定预变形的SMA埋入结构中，通过触发SMA所产生的回复力可降低结构的应力水平，改善其应力分布，提高结构的承载能力，同时也可以防止损伤的发生或损伤的扩展。在承受弯矩或扭矩的构件中加入SMA丝，通过对SMA丝的加热与冷却可做成强度自应结构。在孔板的孔周围埋入SMA丝对其诱发应变，可在孔边产生压应力，能降低孔边的应力集中因子并改善应力分布15。阎云聚，姜节胜等研究了在一些大型建筑结构中加入SMA构成智能复合材料系统,通过用复合材料制成的形状记忆合金电缆的加热收缩来防止裂纹的扩展16。4、形状记忆合金在工程中的应用研究现状SMA近年来发展日趋成熟，已获得了多方面应用，例如各种连接件、管接头、铆钉、连接器、紧固夹、卫星天线、温控元件、驱动元件、电子器件、集成电路的配线等。医用元件如：人工心脏、整形外科用骨接头件、止血夹、牙齿矫形丝、人工关节用自固定杆、接骨用超弹性TiNi丝、玩具及塑料眼镜框等。 SMA薄膜在MEMS驱动和传感元件方面的应用研究:日本东京大学的Nakamrua等人17研制了SMA薄膜环形微驱动器。采用TiNi泵膜的微泵一次循环中可产生8%的应变，泵程输出的流体体积与可恢复应变是成正比的,因此TiNi薄膜在微泵方面具有很好的应用前景。TiNi薄膜的电阻率约为100cm,可通过调节加热电流来控制驱动力18。美国Case Western Reserve大学的Be-nard等人19研制了两种具有不同驱动元件的微泵。日本Hoddaido大学的Makino等人20研制的微泵是由TiNi泵膜和两个被动阀组成。上海交通大学徐东等人21研制的Ti-Ni/Si复合结构微泵。德国IMT的Kohl等人22开发了一种应力优化的由TiNi基合金薄膜驱动的常开微阀。医学方面的应用:超弹性，采取TiNi基合金支架及其它医疗器件最明显的特点是超弹性TiNi丝的柔韧性是不锈钢的1020倍,TiNi基合金器件的回弹应变可高达11%这种柔韧性对支架特别重要。利用其自身弹性扩展性，典型的器件有RITA组织摘除器和ASDOS心隔膜孔洞阻塞器。热致扩展，如脉管内腔过滤器。利用抗死结性能的一种应用实例是导引丝。使用TiNi的抗死结性能的早期实例是用于肾膀胱胆道等处的网篮状取石器，另一实例是所改进的腹腔镜类医疗器械。生物相容性，TiNi合金具有很好的生物相容性23，如通过美国FDA认证的TiNi三级植入体器械（包括SIMON脉管血液过滤器、SMART 支架、MITEK骨固定器以及永久TiNi基合金植入体等），大量的整形外科器械，如髋骨植入体骨科U型钉头盖骨板等。利用SMA的恒应力性而制成的牙齿正畸丝、超弹性眼镜等。 SMA在汽车方面的应用研究：例如丰田汽车采用TiNi记忆合金制成散热器护栅活门，冷却发动机的风扇，汽车轮胎防滑钉，可以根据轮胎温度自由伸缩。雾灯窗自动开闭装置，电磁阀动力装置等。具体应用及工作原理24： SMA减振垫片，SMA减振垫片用在变速箱齿轮等传动系零部件中。当汽车运行时，传动系零部件温度逐渐升高，由于各零部件材料的膨胀系数不同，传动系的工作状况逐渐变差，导致振动和噪声增大。而SMA减振垫片的弹性恢复力随温度升高而增大，它的合理使用能增加传动系零部件热膨胀后的坚固力，从而达到稳定零部件工作状态和减振降噪的目的； SMA温度自反馈供油器，当外界温度降低导致燃油粘度增加时，温度自反馈供油器中SMA弹簧和一个偏置弹簧组成的装置打开发动机附加油路。当温度升高时，SMA弹簧的弹性模量增大，从而推动偏置弹簧关闭附加油路，这样就可以保证不同温度下供油量的稳定性； SMA风扇离合器，这种离合器采用SMA材料的螺旋弹簧装置。当来自散热器的空气流温度超过设定温度时，弹簧膨胀，使离合器接合，风扇转动。当气流降低一定温度后，弹簧收缩，使离合器脱开，风扇停止工作，从而控制发动机水温在最佳工作温度。一些温控装置也是利用同样的原理； SMA储能弹簧，利用SMA可达到8%的超弹性变形量可将刹车时的车辆动能转变为储能弹簧的弹性势能，而在正常行驶时将储存在弹簧中的能量释放出来驱动车辆以节省燃料消耗。SMA在航天航空及军事方面的应用研究：关于SMA应用最典型的例子是航天飞机的伞型天线25,为方便发射,把母相状态TiNi记忆合金制成的天线压扁,附在船体上,飞船升空后受阳光的辐射而升温,于是天线便记忆起原来的形状,重新支起；在火炮上的应用，能最大限度地提高炮管内膛的耐烧蚀能力，增大炮管的使用寿命；在枪弹上的应用，可增大枪弹的杀伤力。还有在战斗机、潜艇火箭、航天航空等方面的应用；在微型飞行器的应用，如在翼面中埋入智能驱动元件，根据飞行器的飞行状况及飞行控制的需要，通过驱动元件激励使得翼面发生扭转或弯曲等来改变翼面的形状，以获得自适应气动稳定性, 从而获得最佳的气动特性。此外，利用SMA的阻尼特性，在军事上用作吸震波的装甲材料、防弹材料等。SMA在建筑工程上的应用研究：由于SMA具有可恢复变形大、在受限回复时能产生很大的驱动力、电阻对应变敏感、高阻尼性能、抗疲劳性能好，并且可以实现多种变形形式，易于同混凝土、钢等材料相结合等特点而日益受到重视，国内外众多学者对SMA在土木工程中的应用进行了理论和实验研究。特别是对于民用设施的保护方面，如建筑、桥梁的抗震减害26-28等。彭文屹,曾少鹏,张少青,等29提出将SMA制成丝状或薄膜状粘贴于混凝土结构中易开裂的部位,一旦裂纹产生,该处的SMA的应变将增大,使其内部阻值变化,通过阻值的变化可以确定裂纹的宽度,由SMA的埋置位置,可以确定出现裂纹的构件,从而实现对裂纹的自诊断、自监测。王社良、马怀忠、沈亚等30提出将SMA材料预加载至弹性极限附近,然后随同其他建筑材料一起植入地基内.这样,当地震发生时,SMA就可以吸收和耗散大量的地震能量,减小或抑制建筑物的地震响应。有些应用领域，要求形状记忆元件在多次循环复运动中对外产生力的作用，温度继电器和温度保持器、自动干燥箱、电子灶、热机、卫星仪器舱窗门自动启闭器、自动火警警报器、热敏阀门、液氨泄漏探测器、煤气安全阀、通风管道紧急启动闸门、自动收进烟头的烟灰盒及人工心脏等都属于这种应用类型。结论：基于形状记忆合金的特殊的力学性能，其在智能系统以及工程方面的应用也将越来越深入和广泛。由于近些年对形状记忆合金所做的大量研究，其在应用中的难题逐步倍儿解决。本课题针对的形状记忆合金在微型管道机器人方面的研究，可以在医学的血管疏通以及线缆管道的检测修理方面发挥重要的作用，其研究价值非常明显。然而受材料自身情况的影响，使得其响应速率和控制精度等方面还有待改善，因此在形状记忆合金的本构关系以及驱动响应速率等方面还有待进一步的而研究。参考文献1 王治国，形状记忆合金双休记忆效应及驱动特性研究D.四川大学，2002.2 王晓宏，形状记忆合金驱动主动设计与制作，哈尔滨工业大学，20063 Patoor E，Eberhardt AMicromechanical modeling of superelasticity in shape memory alloysJ Phys IV 1996, (6): 277-292.4 Boyd J G，Lagoudas D CA thermodynam ic constitutive model for the shape memory materialspart IIthe SM A composite materia1Int J Plast，1995，12(7)：843-873.5 彭向和，韩勇，黄尚廉.形状记忆合金拟弹性行为的热力学描述J.应用力学学报，2000，17（1）：60-66.6 朱炜国,吕和祥,杨大智.形状记忆合金的本构模型J.材料研究学报，2001，15（3）:263-268.7Falk, F. (1980). Model free-energy, mechanics, and thermodynamics of shape memory alloys, Acta Metallurgica. 23(12), 1773-17808 Tanaka K.Thermomechanical Description of Materials with Internal Variables inthe Process of Phase Transformation.Ingenious Archive.1982,52:2872999 C.Liang.One-dimensional Thermomechanical Constitutive Relations for shapememory materials.Journal of intell mater cyst and struct.1990,1:20723411刘淑红,杜彦良.形状记忆合金相变过程红马氏体含量的表征.材料科学与工艺.1998,6(2):131612 王利红，王金凤，形状记忆合金在智能结构中的设计与应用，机电工程技术，2004，11 13董军辉，薛素铎等，形状记忆合金在结构振动控制中的应用J，世界地震工程，2002，314阎绍泽，徐峰等，形状记忆合金智能结构的研究进展J，精密制造与自动化，200315阎绍泽，徐峰等+形状记忆合金智能结构的研究进展J，精密制造与自动化，200316 阎云聚，姜节胜等+智能材料结构及在振动控制中的应用研究评述和展望J，西北工业大学学报，2000，117 Kuribayashi K, Fujii TA new micro SMA thin film actuator prestrained by polyamideA. Proceedings of the 1998 International Symposium on Micromechatronics and Human ScienceC.Nagoya (Japan): MHS98, 1998.165 -170.18 祁恒,陈涛,左铁钏. TiNi合金薄膜的脉冲激光沉积制备与应用.微细加工技术.2005,3:1-8.19 Benard W L, Kahn H, Heuer A H,et al. Thin film shape memory alloy actuated micropumpsJ.Journal of Microelectromechanical Systems,1998,7(2):245-251.20 Makino E,Mitsuya T,Shibata T. Micromachining of TiNi shape memory thin film for fabrication ofmicropumpJ. Sensors and Actuators, 2000,79:251-259.21徐东,蔡炳初,王莉,等.形状记忆合金/硅复合膜驱动的微泵J.微细加工技术,2000,(4):50-55.22 Kohl M, Dittmann D, Quandt E,et al.Thin film s