形状记忆合金介绍

现代新型材料与纳米材料NewMaterialsandNanometer Materials 5 材料科学与工程学院刘颖教授主讲 1 2 第五讲形状记忆合金 ShapeMemoryAlloy 3 主要内容形状记忆合金的发展形状记忆合金的原理形状记忆合金的分类形状记忆合金的制备形状记忆合金的应用 4 金属具有记忆能力人们把具有 记忆能力 的合金 ShapeMemeoryAlloy SMA 做成花 鸟 鱼 虫等各种造型 只要浸入一定温度的水中 可以出现花开放 鸟展翅 鱼摆尾 虫蠕动等现象 栩栩如生 如魔术般使人惊叹 用CuZnAl记忆合金片制备的金属花 以热水或热风为热源 开放温度为65 85 闭合温度为室温 花蕾直径80mm 展开直径200mm 5 人们对形状记忆效应的物理本质及其影响因素已有较为清晰的认识 形状记忆合金已被确认为一种热驱动功能材料 人们利用其形状记忆效应 在仪器仪表 自动控制 航空航天 医疗器具 汽车工程以及机器人等领域中实现广泛应用 形状记忆合金的应用 6 形状记忆合金的发展 7 形状记忆效应源自材料中发生的马氏体相变 德国金属学家Martens发现 钢在奥氏体高温区淬火时 原来面心立方的奥氏体晶粒内以原子无扩散形式转变为体心立方结构 得到的组织以他的名字被命名为马氏体 板条马氏体 钢的淬火 8 1938年 美国的格里奈哥和穆拉迪安在Cu Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变 他们的研究在当时并没有受到世界的重视 1951年 美国的里德等人在Au Cd合金的研究中首次发现该合金具有形状记忆效应 随后 在InTi合金中也发现了形状记忆效应 这些合金价格昂贵 难以实现应用 人们开始寻找成本低廉的形状记忆合金 9 低成本形状记忆合金的发现完全是偶然的 1962年 美国海军军械研究所将NiTi合金作为对温度敏感的振动衰减合金加以研究 在讨论该项研究经费分配时 某一成员用手将这种材料制成的细丝一端弯曲 无意中靠近手中点燃的雪茄 忽然发现靠近火焰部分的细丝伸直了 1963年 军械研究所宣布在NiTi合金丝中发现了形状记忆效应 NiTi合金具有强度高 塑性大 耐腐蚀性好 成本相对低廉等许多特点而引起极大关注 人们开始考虑形状记忆合金的广泛应用 10 1970年 人们又在成本更为低廉的CuAlNi合金中也发现形状记忆现象 并明确这种现象是能产生热弹性马氏体相变的合金所共有的特性 以此为转折点 迄今人们己在许多合金中相继发现这种现象 如表所示 现在 人们发现一些有机高分子材料 无机陶瓷等都具有形状记忆的功能 11 形状记忆合金的成分范围和Ms 马氏体相变开始温度 点 12 形状记忆合金的原理 13 Fe在910 以下为体心立方晶格结构的 Fe 910 以上为面心立方晶格结构的 Fe 碳溶解到 Fe中形成的固溶体为铁素体 F 碳溶解到 Fe中形成的固溶体为奥氏体 A 如果奥氏体以较大的冷却速度过冷 奥氏体中的碳原子没有扩散的可能 奥氏体将直接转变成一种含碳过饱和的固溶体 称为马氏体 M 由于含碳量过饱和 马氏体的强度和硬度高 塑性低 脆性大 奥氏体和马氏体 14 形状记忆效应 具有一定形状的固体材料 通常是具有热弹性马氏体相变的材料 在某一温度下 处于马氏体状态Mf 进行一定限度的塑性变形后 通过加热到某一温度 通常是该材料马氏体完全消失温度Af 上时 材料恢复到变形前的初始形状 具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金 15 形状记忆效应实验 原始形状 拉直 加热后恢复变形前形状 16 热弹性马氏体相变 面心立方的奥氏体晶粒内的原子经无扩散位移 产生形状改变和表面浮凸 这种呈现不变平面特征的一级相变 形核长大型相变称为马氏体相变 相变后形成体心立方的马氏体 把马氏体相变开始和相变结束的温度表示为Ms和Mf 把马氏体逆相变 转变成奥氏体 的温度表示为As和Af 钢的马氏体转变 17 为使A 母相 M 马氏体相 相变产生 M相的化学自由能必须低于A相 相变需要驱动力 不过冷到适当低于T0 A相和M相化学自由能达到平衡 的温度 相变不能进行 逆相变也需驱动力 必须过热到适当高于T0的温度 相变才能进行 马氏体相和母相化学自由能差随温度变化与马氏体相变的关系 18 低于Ms温度下 马氏体形成以后 界面上的弹性变形随着马氏体的长大而增加 当表面能 弹性变形能及共格界面能等能量消耗的增加与相变化学自由能的减少相等时 马氏体和母相间达到热弹性平衡状态 马氏体停止长大 CuAlNi合金冷却过程中热弹性马氏体相变 马氏体长大 19 温度继续下降 马氏体相变驱动力增加 马氏体又继续长大 也可能出现新的马氏体生长 温度升高 相变驱动力减小 马氏体出现收缩 热效应和弹性效应之间的平衡态是热弹性的由来 具有这种行为的马氏体为热弹性马氏体 相变为热弹性马氏体相变 CuAlNi合金加热过程中热弹性马氏体相变 马氏体缩小 20 形状记忆效应原理 形状记忆合金在一定范围内发生塑性变形后 经加热到某一温度后能够恢复变形 实质是热弹性马氏体相变 马氏体在外力下变形成某一特定形状 加热时已发生形变的马氏体会回到原来奥氏体状态 这就是宏观形状记忆现象 如右图所示 形状记忆效应过程的示意图 21 形状恢复完全可逆需具备以下条件 马氏体相变是热弹性的 母相和马氏体呈现有序的点阵结构 马氏体点阵的不变切变为孪生 亚结构为孪晶或层错 马氏体相变在晶体学上是可逆的 22 出现热弹马氏体相变的条件 母相与马氏体的比容差小 母相的弹性极限高 母相原子排列规律性强 热弹性马氏体相变确保不破坏母相与新相之间的共格联系 新相在加热条件下容易向母相转变 23 有序点阵结构相变时母相的晶体位向自动得到保存 两相间的点阵对应关系单一 相变时点阵应变非常小 逆相变时必然选取原位向的母相 有序化材料具有较高的弹性极限 热弹性马氏体相变产生的小尺度畸变不会超过材料的弹性极限 逆相变中母相和马氏体相的界面保持弹性共格 为逆相变时重新构成原母相的结构提供有利条件 24 马氏体内的亚结构是孪晶或层错外力作用下 通过孪晶移动 某一取向的马氏体长大 其它不利取向的马氏体缩小 择优取向马氏体 保证马氏体变形时不会出现太多母相的等效晶体位向 逆相变时 马氏体中只形成几个甚至一个母相的等效晶体位向 只有特定取向的母相晶核才能不断长大 马氏体恢复成原母相晶体 宏观变形也得到恢复 晶体学上相变可逆性通过逆相变 不仅在晶体结构上 而且在晶体位向上都恢复到相变前的母相状态 晶体学上的相变可逆性保证逆相变后形成有序性很高的原母相晶体 宏观变形也完全恢复 25 随着形状记忆材料研究的不断深入 发现不完全具备上述条件的合金也可以显示形状记忆效应 温度场可以诱导形状记忆效应 磁场 应力场等也可诱导马氏体相变 出现形状记忆效应 传统热诱导形状记忆合金 磁诱导形状记忆合金 Magneticfield 26 传统形状记忆合金具有较大的可逆恢复应变和大的恢复力 但必须通过改变合金的温度来获得应变 响应速度慢 响应频率低 约为1Hz左右 磁性形状记忆合金的优势就在于它兼具铁磁性和热弹性马氏体相变 并且结合了形状记忆合金应变大和磁致伸缩材料响应快的优点 27 利用磁场对合金中的马氏体变体施加静磁力 促使有利取向的马氏体变体长大 吞并不利取向的变体 表现为孪晶界的移动 从而产生宏观变形 磁场强度减小或撤去时 孪晶界又回到初始位置 磁致形状记忆效应只存在具有热弹性马氏体相变的磁性合金中 典型磁致形状记忆合金有NiMnGa NiFeGa Fe基和Co基合金等 目前 已在Ni48 8Mn29 7Ga21 5单晶中得到约10 的可恢复磁感生应变 28 相变伪弹性和超弹性 外加应力也可引起马氏体消长 这样形成的马氏体叫应力诱发马氏体 SIM Af温度以上的马氏体只在应力下稳定 随应力增加或减小 马氏体也相应长大或缩小 应力除去后 应力诱发马氏体当即逆转变为稳定母相 相变引起的变形消失 这种不通过加热即恢复到原先形状的相变 看起来像弹性变形 但其应力应变曲线是非线性的 称为相变伪弹性 应变完全恢复时称为超弹性 29 伪弹性仅与应力诱发相变和热弹性相变有关 AB段 奥氏体相的弹性变形 BC段 B点为应力诱发马氏体的最小应力 C点相变结束 奥氏体向马氏体的转变使应变增加 其斜率远小于AB段 说明相变容易进行 CD段 相变结束后 应力作用下马氏体发生弹性变形 伪弹性应力应变示意图 30 在D点之前应力被取消 例如在点C 应变通过几步可恢复 C F段 马氏体的弹性恢复 FG段 马氏体向奥氏体转变后引起的应变恢复 F点是卸载中马氏体能存在的最大应力 在该点开始发生马氏体向奥氏体的逆相变 随后马氏体量不断减少直到奥氏体完全恢复 G点 GH段 奥氏体的弹性恢复 31 就形状记忆而言 试样在As点下受到的应变一且加热到Af点以上即可消失 就相变伪弹性而言 试样在Af点以上受到的应变一旦卸载即可消失 两种形状恢复的起因都是逆相变 本质上两者是同一现象 只不过诱发逆相变的方法不同 在Ms以下温度对合金进行变形 只产生形状记忆 在Af以上温度对合金施加应力 只出现伪弹性 形状记忆效应与伪弹性产生条件示意图 32 形状记忆合金的分类 33 合金成分 呈现形状记忆效应的合金 其基本合金系就有10种以上 如果把相互组合的合金或者添加适当元素的合金都算在内 则有100种以上 得到实际应用的只有Ti基合金 Cu基合金以及Fe基合金 其余合金则因为有些化学成分不是常用元素而导致价格昂贵 或者有些只能在单晶状态下使用 不适于工业生产 34 TiNi合金是目前形状记忆合金中研究最全面 记忆性能最好的合金材料 TiNi合金强度高 塑性大 耐蚀性好 稳定性好 具有优异的生物相容性 在医学上的应用是其它形状记忆合金不能替代的形状记忆合金的经济性是一个重要因素 Cu基合金的记忆性能 耐蚀性能 力学性能等都比TiNi合金差 但价格仅为TiNi合金的l 10 在性能要求不高 反复使用次数少 特别是要降低成本的情况下使用 Fe基合金价格低 加工性能好 力学强度高 在应用方面具有明显的竞争优势 但其形状记忆效应不是很好 35 TiNi合金与CuZnAl合金性能对比 36 形状记忆效应 形状记忆合金的形状记忆效应按形状恢复情况可以分为三类 单程形状记忆效应双程形状记忆效应全程记忆效应 形状记忆效应的三种形式 a 单程 b 双程 c 全程 冷却 37 单程记忆效应将母相在高温下制成某种形状 再将母相冷却 使之发生马氏体相变 然后对马氏体进行任意变形 当温度升至Af点 马氏体完全消失 材料恢复母相形状 重新冷却时不能恢复低温相时的形状 双程记忆效应加热时恢复高温相形状 冷却时恢复低温相形状 通过温度升降自发可逆地反复恢复高低温相形状的现象称为双程记忆效应 又称可逆记忆效应 全程形状记忆效应加热时恢复高温形状 冷却时变为形状相同而取向相反的高温相的现象 38 a 马氏体状态下未变形 b 马氏体状态下已变形 c 放入热水中 高温下恢复奥氏体状态 形状完全恢复 单程TiNi记忆合金弹簧的动作变化情况 39 没放入热水前 放入热水后 冷却至室温后 再次放入热水后 双程CuZnAl记忆合金花的动作变化情况 40 把受过强迫时效的四条薄带在其中心位置上以45度的夹角捆扎在一起 在约100 开水中 加热 呈现具有凸透镜曲率的近圆形 如a所示 从开水中缓慢提起来时自行变化成b形状 完全提上来且于室温下时 变化成近直线形状c ac之间的自发形变是由奥氏体向马氏体相变引起 TiNi合金的全程记忆效应 100 室温 41 浸泡在冰水中时 下部变化成d形状 在干冰 酒精液中冷却到约 40 时 冷却 奥氏体全部转变成马氏体 变化成e形状 同a相比完全是其相反的形状 再次返回到开水 重新加热 马氏体全部转变成奥氏体 中时 立刻变化成f形状 其形状与a完全相同 TiNi合金的全程记忆效应 低温 100 42 形状记忆合金的制备 43 形状记忆处理 形状记忆合金的制备通常是先制备合金锭 之后进行热轧 模锻 挤压 然后进行冷加工 为把形状记忆合金用做元件 有必要使它记住给定形状 形状记忆处理 一定的热处理 是实现合金形状记忆功能方面不可或缺 至关重要的一环 44 TiNi合金单程形状记忆处理 单程记忆处理方法有三种中温处理低温处理时效处理中温处理是将轧制或拉丝加工后充分加工硬化的合金成形成给定形状 在400 500 温度下保温儿分钟到几小时 使之记住形状的方法 此方法由于工艺简单而被广泛采用 45 低温处理是在高于800 的温度下保温后进行完全退火 然后在室温下制成特定形状 在200 300 的低温下保温一定时间 以记忆其形状的方法 由于在完全退火的软状态下进行加工 有利于合金记住复杂形状或曲率很小的形状 时效处理是一种在800 1000 温度下固溶处理后进行淬火 然后在400 500 的温度下进行几小时时效处理的方法 只对Ni含量高于50 5at 的富Ni合金有效 46 TiNi合金双程记忆处理 合金具有双程记忆效应是因为合金中存在方向性的应力场或晶体缺陷 相变时马氏体容易在这种缺陷处形核 同时发生择优生长 通过记忆训练 强制变形 获得双程记忆能力 先获得单程记忆效应 记忆高温相的形状 随后在低于Ms温度 根据需要形状进行一定限度的可恢复变形 加热到As以上温度 试样恢复到高温态形状后 又降低到Ms以下 再变形试件 使之成为低温所需形状 如此反复多次后 就可获得双向记忆效应 47 TiNi合金全程记忆处理 全程记忆效应的出现是由于与基体共格的Ti11Ni14析出相产生的某种固定的内应力所导致 应力场控制了马氏体可逆相变的路径 使马氏体的可逆相变按固定路径进行 全程记忆处理的关键是限制性时效 必须根据需要选择合适的约束时效工艺 48 形状记忆合金使用中的问题 形状记忆合金并不是无论承受怎样的变形只要受热就能恢复原状 有时可残留永久变形 为保持良好形状记忆特性 形变量不能超过一定值 循环使用次数少时 TiNi合金约为6 CuZnAl合金约为2 循环使用次数多时 分别低于2 和0 5 TiNi形状记忆合金的应力应变曲线 49 形状记忆合金要避免过热 即在形状记忆合金受约束状态下 不要达到比Af点高很多的温度 线圈过热 相变引起的形状恢复应力超过丝材本身的屈服应力 合金的形状记忆特性变坏 合金长时间置于高温 产生不能完全记住该温度下形状的现象 即记忆力减退 当TiNi合金和CuZnAl合金长时间分别置于250 和90 以上的温度时 不管载荷大小如何 都出现不良影响 50 形状记忆合金的应用 51 工业应用 宇航天线 NiTI形状记忆合金折叠发射自动张开的宇航天线原理图 52 宇航天线可由NiTi合金丝制成 将TiNi合金天线冷至低温 使其转变为马氏体 将TiNi合金板或棒变形加工成竹笋状或旋涡状发条 收缩后安装在卫星内 卫星进入轨道后 团状天线弹出 在太阳照射下 温度升高到As以上 团状天线自动张开 恢复到原来形状 温度升高到Af温度以上时 完全恢复到原来的形状 天线向宇宙空间撑开 美国宇航局根据达一想法研制了安放在月球表面上的抛物面天线组件 53 连接件和紧固件 形状记忆合金管接头用相变点约 150 的TiNiFe合金制备 合金内径加工成比被接管径约小4 5 把管接头浸泡在液态空气中 在低温状态下使内径扩大约7 8 扩径后管接头用保温材料保持低温 被接管从管接头两侧插入 去掉保温材料 管接头温度上升到室温 内径恢复到扩径前状态 牢牢箍紧被接管 形状记忆管接头 54 形状记忆合金管接头具有高度的可靠性 不需熔焊的高温高热 不会损害周围材料 在低温下易拆卸 便于检修检查 这种管接头在F 14战斗机上使用了10万个以上 从未出现过漏油等事故 这类管接头在核潜艇的管路连接上也可大量应用 150mm大口径管接头在海底输油管道及其修补工程上得到应用 F14战斗机 战略核潜艇 55 密闭中空结构件中很难进行紧固操作 形状记忆紧固铆钉依靠形状恢复可进行这种操作 Af点低于室温的合金用来制造紧固铆钉 尾部形状记忆处理成开口形状 进行紧固操作前 把紧固铆钉浸泡在干冰或液态空气中进行充分冷却 然后把尾部拉直 插入被紧固孔 温度回升后产生形状恢复 铆钉尾部叉开把物体固紧 形状记忆紧固螺钉 56 智能机器人 形状记忆合金可制成驱动器 控制器等应用在智能机器人中 形状记忆驱动器通过适当加热和控制 可完成往返或旋转运动 兼之具有感温功能 形状记忆控制机构同传统伺服控制机构相比 一个形状记忆元件就可起到传统机构中传感 驱动和传递三系统功能的作用 智能控制器 57 下图为具有相当于肩 肘 腕 指等的5维自由度的微型机器人试制品 形状记忆合金可应用于其中 靠形状记忆合金动作的微型机器人结构图 58 手指和手腕是靠TiNi合金线圈的伸缩 肘部和肩是靠直线状TiNi合金丝的伸缩 分别实现开闭和屈曲动作 每个元件通过控制电流来调节其位置和动作速度 这种机器人结构小巧 动作柔软自如 可实现抓举盛水纸杯之类的柔软物体 这是因为通过元件控制量 电流 控制的不是位置 而是形状恢复力 作用接近人体肌肉 59 低于Mf点温度下 把重M的重物挂在形状记忆线圈上 丝材伸长到屈服力和重力达到平衡 把线圈加热到Af点以上 温度上升使合金产生形状恢复 形状恢复力大于重力 丝材在弹性应变的状态下收缩L 提起重物做MgL的功 重物提上去后降低温度 丝材伸长 接上重物 再升高温度把重物提上去 实现热机循环 形状记忆热机原理 能量转换热机 60 涡轮型热机中 TiNi合金线圈通过空转轮在温水槽 冷水槽和差动滑轮之间穿引连接 形成连续环路 温水侧线圈产生缩短收缩 冷水侧线圈产生伸长松弛 使差动滑轮受到很大的转矩 产生转动 两者对滑轮的转矩差成为热机输出功率 采用直径为0 5mm的TiNi合金线圈 转速可达750r min 输出功率为0 4 0 5W 形状记忆合金制备的涡轮形热机 61 保险器和继电器 用形状记忆合金制造的温度保险器不同于熔断保险丝 可产生很强的力拉断接点 消弧效应明显 适合于作大功率 高电压用保险器 形状记忆合金温度保险器 62 形状记忆合金可制造电接触器的接触棒 当冷却剂喷到接触棒上时 作开关的记忆合金与电路触点无接触 将棒加热到室温时 合金棒因形状记忆改变形状 产生与电路触点接触 这种接触器可通过控制温度使其自动断路或通路 同时还可远距离操作 广泛用于接触器很小或人员难以接近的场合 形状记忆电接触器 63 医学应用 金属埋植入人体内时必须考虑其生物相容性 如果埋植体对人体组织是一种活性物质 那么它会造成周围的组织和细胞发生变性 出现炎症充血循环障碍 导致人体组织坏死 如果埋植体是一种非活性物质 那么由纤维细胞分泌的骨胶原纤维在它周围形成纤维组织 这种纤维组织在埋植体上生成薄膜 使它在人体组织中能够稳定存在 TiNi合金的生物相容性 64 覆膜形状覆膜厚度和形状随埋植时间不同出现一定差异 埋植12月后 覆膜厚度十分不均匀 许多地方形成滑液囊 埋植17月后 覆膜变成薄而光滑致密的纤维结缔组织 只在接骨板螺钉部存在少量不均匀覆膜 NiTi合金接骨板 65 覆膜组织 埋植3个月后 TiNi合金接骨板上形成的覆膜主要由细胞质和骨胶原纤维组织构成 埋植6个月后 覆膜中的细胞质减少 主要由致密的骨胶原纤维组织构成 形成的覆膜厚度比3个月的薄 埋植17个月后 细胞质减少到在由骨胶原纤维构成的致密结缔组织中仅存一点的程度 66 埋植周围的骨骼和肌肉 没观察到骨骼形状变化 在埋植周围和接触部位的骨胳上也未发现成骨细胞变化 剥离接骨板后 在剥离部位看到成骨细胞和新生骨膜的生成 埋植后没有产生结缔组织变性或脂肪变性 埋植17个月后在螺钉头部所接触的部位上形成薄肌纤维束 最引人注目的是这些组织中具有许多富含脂肪的细胞和血管 67 耐蚀性 在接骨板表面上没发现任何均匀腐蚀和局部腐蚀现象 表明对动物组织液的耐蚀性非常好 游离原子 Ni原子游离在骨内的有效误差微小 同样也研究了渗在各内脏器官内的游离原子状态 其结果表明 埋植期间内积累起来的游离原子的有效误差等于零 这些结果表明 TiNi合金的生物相容性很好 在医学领域具有巨大的应用价值 68 牙科领域 矫治牙颌畸形 通常利用金属丝材进行矫正 牙齿矫形用金属丝有不锈钢丝和CoCr合金丝 这些材料具有弹性模量高 弹性应变小 微小变形可获得很大的矫正力 对患者造成疼痛和不适 同时还容易产生塑性变形 利用NiTi形状记忆合金的超弹性使得在加载和卸载过程中压力恒定 即使应变高达10 也不会产生塑性变形 牙齿矫形丝 69 应力诱发马氏体相变使弹性模量呈现非线性特性 即使应变增大 矫正力却增加很少 永久应变远远小于不锈钢丝 在大变形范围内可持续释放比其他材料更加恒定的矫正力 NiTi合金牙齿矫形丝 70 NiTi矫形丝不仅操作简便 而且疗效也好 可减轻患者的不适感 1980年 中国就开始研制NiTi合金矫形丝 北京有色金属研究总院与北京口腔医院合作 研制出NiTi合金牙弓丝 称为 中国NiTi牙弓丝 NiTi牙齿矫形丝 71 牙根种植体 对于缺少牙齿的病人来说 齿根修复是使其咀嚼功能恢复到最接近自然功能的一种方法 日本用NiTi形状记忆合金制作了薄板结构型牙根 使用时先在低温下将牙根端部加压并使之并拢 将其埋入颚骨 在口腔中不停灌漱热水 使牙根温度上升 此时牙根端部分别向两侧张开 实现固定的结合力 避免咀嚼时因牙根张开而脱落 并因其支持力强 可持续时间大大延长 72 矫形外科 采用 形脊柱人造关节可在颈椎治疗中替代传统骨融合 先在低温下将 形器的弓形臂展平 图a 并置于颈椎椎体的中间部位 图b 由于体温的影响 形器的臂部恢复原状 保持颈椎高度 图c 这种关节成形术提高病人功能恢复的程度 最大程度减小病情的进一步恶化 同时避免并发症的发生 形脊柱人造关节 形脊柱人造关节应用示意图 73 脊柱侧弯矫形用哈伦顿棒 各种脊柱侧弯一旦导致高度畸变 不仅身心受到剧烈痛苦 而且内脏也受到压迫 所以必须进行外科矫形手术 脊柱侧弯病症 74 目前 这种矫形手术采用不锈钢哈伦顿棒 不锈钢矫形棒安装固定后使脊柱受到的矫正力在30 40kg以下 固定20min后矫正力就下降20 不久就会下降到仅有最初固定力的30 一到这时必须再进行手术 调整矫形力 使患者在精神和肉体上受到极大痛苦 脊柱内固定系统 75 形状记忆合金哈伦顿棒只要进行一次安放固定手术就行 不需要第二次手术 先将NiTi合金矫形棒在低温下弯折 使其变为弓形或s形 曲率与脊柱吻合 将NiTi合金矫形棒固定在椎板的棘突上 在温生理盐水作用下 NiTi合金矫形棒恢复原来形状 产生较大的恢复力推动脊柱进行矫正 达到治疗目的 利用NiTi记忆合金矫形体进行脊柱矫形的最大特点是体内始终有一个较大的弯曲力矩作用在脊柱上 使畸形得到矫正 无骨折 无神经损伤等严重并发症 术后不用牵引 也不用石膏固定 76 NiTi合金聚髌器 治疗粉碎性髌骨骨折比较困难 我国设计了一种用于治疗髌骨骨折的形状记忆NiTi聚髌器 现已成功用于临床治疗之中 聚髌器由功能爪和连接腰组成 能从多个方向产生恢复力并作用于髌骨 持续地以纵向聚合加压 将粉碎的髌骨聚合于解剖位置直至骨折愈合 聚髌器 77 临床应用中 通常在低温下将爪渐渐展开 使爪间距稍大于髌骨纵向直径 骨折复位后 爪的自由端固定在髌骨周围 用热生理盐水升温 聚髌器的形状恢复 髌骨周围产生的会聚压力使骨折碎片牢牢聚合在一起 加快骨折愈合 关节运动时 聚髌器的会聚压力抵消股四头肌的张力 骨折部位可得到稳固保护 NiTi合金聚髌器应用示意图 78 接骨用骑缝钉 连接碎骨 治疗骨折 有时要使用起绊紧作用的U字形骑缝钉 现用骑缝钉插进后使骨骼不分离 只起固定作用 经不住身体运动所产生的剪切力 有时固定力在人体活动过程中甚至减半 用形状记忆加压U形钉对治疗关节骨折具有独特优势 形状记忆加压骑缝钉 79 先在低温下将加压部分展开 延长两爪间跨距 骨折复位后 将U形钉插入钻好的孔中 用热纱布对手术部位进行热敷 使其升温 U形钉恢复到原始形状 对骨折部分施加恒定压力 将骨折碎片牢牢固定 关节运动产生压力或张力时 U形钉也能牢牢地压在骨折部位 这种骑缝钉在德国已实现应用 没有出现任何事故 形状记忆加压骑缝钉 80 形状记忆锯齿臂环抱固定器 在长管状骨的骨折治疗中 除稳定固定外 还要求能有效地抗弯曲 抗剪切 抗扭转 同时保持轴向压缩力 促进骨折愈合及骨重塑 形状记忆锯齿臂环抱固定器具有固定抓紧功能 特别适合治疗十分困难的长骨骨折 形状记忆锯齿臂环抱内固定器 81 根据X光片 选择合适长度的环抱器 环抱固定器的内径比患者的骨直径小约10 20 将环抱器消毒后 置于0 5 的消毒冰盐水中 用撑开钳逐渐均匀地撑开各锯齿臂 每对锯齿臂之间的距离略大于骨干直径 迅速置入已整复好的骨折段 使骨折部位于环抱器中部 用热盐水冲洗各锯齿臂 由于形状记忆效应 环抱器迅速恢复原状 锯齿臂闭合 抱紧患骨 各种尺寸的形状记忆锯齿臂环抱内固定器 82 医疗装置 当心脏出现毛病 不可能用手术治疗时 不得不依赖于心脏移植或人工心脏 可以用形状记忆合金制造人工心脏用人造肌肉 用以充当人造心脏的驱动源 人工心脏用人造肌肉 人造心脏 83 直径0 5mm的TiNi合金丝记忆处理成正弦曲线形状 以6根TiNi丝构成一个驱动节 以平行或并联形式贴在弹性质 乙烯基醋酸脂橡