记忆合金的发展与未来

1、合金记忆的创新导语60年代初，美国海军的一个研究小组从仓库领来一些镍钛合金丝做实验， 他们发现这些合金丝弯弯曲曲，使用起来很不方便，于是就把这些合金丝一根根 拉直。在试验过程中，奇怪的现象发生了，他们发现，当温度升到一定的数值时， 这些已经拉直的镍钛合金丝突然又恢复到原来的弯曲状态。美国海军研究所的这 一发现，引起了科学界的极大兴趣，大量科学家对此进行了深入的研究。反复做 了多次试验，结果证实了这些细丝确实具有记忆。人们把这种现象叫作形状记 忆效应，把具有这种形状记忆效应的金属叫作形状记忆合金，简称记忆合金。什么是记忆合金？科学定义：记忆合金是一种原子排列很有规则、体积变为小于0.5%的“马

2、氏体相变”合金。马氏体相变最初是在钢中发现的：将钢加热到一定温度后经迅速冷却，得到的 能使钢变硬、增强的一种淬火组织。20世纪以来，对钢中马氏体相变的特征累 积了较多的知识目继发现在某些纯金属和合金中也具有马氏体相变，如:Ce、Co、 Hf、Hg、La、Li、Ti、Tl、Pu、V、Zr、和Ag-Cd、Ag-Zn、Au-Cd、Au-Mn、Cu-Al、 Cu-Sn、Cu-Zn、In-Tl、Ti-Ni等。目前广泛地把基本特征属马氏体相变型的目 变产物统称为马氏体。记忆合金表现形式：在外力作用下会产生变形，当把外力去掉，在一定的温 度条件下，能恢复原来的形状。具有百万次以上的恢复功能。更准确地应该称之

3、 为记忆形状的合金。记忆合金的特点：无磁性、耐磨耐蚀、无毒性。质量轻、高强度。记忆合金的产生：19世纪70年代，世界材料科学中出现了一种具有记 忆”形状功能的合金。这就叫做记忆金属（memory metal）。主要是镍钛合金。（最早关于形状记忆效应的报道是由Chang及Read等人在1952年作出的他们 观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现 象，但当时并未引起人们的广泛注意。直到1962年，Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应，才引起了 材料科学界与工业界的重视。到 70年代初，CuZn、CuZnAl、CuAl

4、Ni等合金 中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应。几十年来，有关形状记忆合 金的研究已逐渐成为国际相变会议和材料会议的重要议题，并为此召开了多次专题讨论会，不断丰富和完善了马氏体相变理论。在理论研究不断深入的 同时，形状记忆合金的应用研究也取得了长足进步。）举例分析：1）把一根螺旋状高温合金，经过高温退火后，它的形状处 于螺旋状态，在室温下，即使用很大力气把它强行拉直，但把它加热到一定 的“变态温度”时，这根合金仿佛记起了什么似的，立即恢复到它原来的螺 旋形态。这是怎么回事？2）原来只是利用某些合金在固态时其晶体结构随温度发生变化的规律而已。 这种高温合金的变态温度很高。在高温时它被做成螺

5、旋状而处于稳定状态。在室 温下强行把它拉直时，它却处于不稳定状态，因此，只要把它加热到变态温度， 它就立即恢复到原来处于稳定状态的螺旋形状了。变态温度:镍-钛合金在40 C以上和40 C以下的晶体结构是不同的，但温 度在40 C上下变化时，合金就会收缩或膨胀，使得它的形态发生变化。这里， 40 C就是镍-钛记忆合金的“变态温度”。各种合金都有自己的变态温度。形状记忆合金的分类单程记忆效应：形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形 前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。双程记忆效应：某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温 相形状，称为双程记忆效应。全程

6、记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相 反的低温相形状，称为全程记忆效应。成熟的记忆合金：现已经发现了几十种不同记忆功能的合金，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、 NiAl、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb 和 Fe-Mn-Si 等应用十分广泛的 记忆合金。目前已开发成功的形状记忆合金有TiNi基形状记忆合金、铜基形状 记忆合金、铁基形状记忆合金等。形状记忆合金的具体应用记忆合金应用十分广泛。被称为“有生命的合金”

7、，利用它在一定温度下形 状的变化，就可以设计出形形色色的自控器件。作为一类新兴的功能材料，记忆合金的很多新用途正不断被开发。其应用 范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。已经越来越融 入到我们的生产生活之中。将来还将进一步的在通讯卫星、彩色电视机、温 度控制器以及玩具等方面发挥神奇的效能，也将成为现代航海、航空、航天、交 通运输、轻纺等各条战线上的新型材料。军事战略应用：美国海军飞机的液压系统使用了 10万个这种接头，多年来 从未发生漏油和破损。船舰和海底油田管道损坏，用记忆合金配件修复起来，+ 分方便。工业生产应用：(1)利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天 线、

8、套环等。用于管道结合和自动化控制方面，用记忆合金制成套管可以代替焊 接，方法是在低温时将管端内全扩大约4%，装配时套接一起，一经加热，套管 收缩。外因性双向记忆恢复。即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升 降做反复动作，如热敏元件、机器人、接线柱等。内因性双向记忆恢复。即利用双程记忆效应随温度升降做反复动作， 如热机、热敏元件等。但这类应用记忆衰减快、可靠性差，不常用。超弹性的应用。如弹簧、接线柱、眼镜架等。医疗卫生应用：TiNi合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应在植入 人体内后靠体温的作用启动自身具有的超弹性原理，医学实例相当多。如血栓过 滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接

9、骨板、髓内针、人工关节、避 孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵、介入导丝和手术缝合线、各类腔内支 架等。最经典的应用：(1)接骨用的骨板，不但能将两段断骨固定，而且在恢复 原形状的过程中产生压缩力，迫使断骨接合在一起。血栓滤器。被拉直的滤器植入静脉后，会逐渐恢复成网状，从而阻止95%的凝血块流向心脏和肺部。人工心脏是一种结构更加复杂的脏器，用记忆合金制成的肌纤维与弹 性体薄膜心室相配合，可以模仿心室收缩运动。现在泵送水已取得成功。航空航天应用：(1) 1 9 6 9年7月2 0日，“阿波罗”11号登月舱 在月球着陆，实现了人类第一次登月旅行的梦想。宇航员登月后，在月球上 放置了一个半球形的直

10、径数米大的天线，用以向地球发送和接受信息。数米 大的天线装在小小的登月舱里送上了太空。天线就是用当时刚刚发明不久的 记忆合金制成的。用极薄的记忆合金材料先在正常情况下按预定要求做好， 然后降低温度把它压成一团，装进登月舱带上天去。放到月面上以后，在阳 光照射下温度升高，当达到转变温度时，天线又“记”起了自己的本来面貌， 变成一个巨大的半球形。(2)将钛-镍合金天线制成抛物面，然后在低温下将天线揉成一团，放入人 造卫星或宇宙飞船舱内。当人造卫星或宇宙飞船发射并进入正常运行轨道后，天 线在舱外经太阳光照射温度升高，就会自动恢复到原来的抛物面形状。日常生活应用:(1)机械上的固紧销、管接头，电子仪器

11、设备上的火灾报警 器、插接件、集成电路的钎焊记忆合金在现代医疗中正扮演着不可替代的角色。 加热会变直的勺子利用形状记忆合金弹簧可以控制浴室水管的水温，在热水温度过高时 通过记忆功能，调节或关闭供水管道，避免烫伤。也可以放在暖气的阀门内， 用以保持暖房的温度，当温度过低或过高时，自动开启或关闭暖。更可以制作成 室温自动开闭臂，能在阳光照耀的白天打开通风窗，晚间室温下降时自动关闭。消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火灾时记忆合金制成的 弹簧发生形变，启动消防报警装置，达到报警的目的。记忆合金制作的眼镜架，如果不小心被碰弯曲了，只要将其放在热水 中加热，就可以恢复原状。不久的将来，汽车的外壳也

12、可以用记忆合金制作。如 果不小心碰瘪了，只要用电吹风加加温就可恢复原状，既省钱又省力，很是方便。在一些施工不便的部位，用记忆合金制成销钉，装入孔内加热，其尾 端自动分开卷曲，形成单面装配件。应用的局限性：记忆合金特别适合于热机械和恒温自动控制，已制成记忆合 金热机的设计方案也不少，它们都能在具有低温差的两种介质间工作，从而为利 用工业冷却水、核反应堆余热、海洋温差和太阳能开辟了新途径。现在普遍存在 的问题是效率不高，只有4%6%，有待于进一步改进。高科技应用展望20世纪是机电学的时代。传感一一集成电路一一驱动是最典型的机械电子 控制系统，但复杂而庞大。形状记忆材料兼有传感和驱动的双重功能，可以

13、实现 控制系统的微型化和智能化，如全息机器人、毫米级超微型机械手等。21世纪 将成为材料电子学的时代。形状记忆合金的机器人的动作除温度外不受任何环境 条件的影响，可望在反应堆、加速器、太空实验室等高技术领域大显身手。记忆合金工作原理由于合金的形成是在高温条件下液态金属的互熔，由于液态金属的结构元排 异，导致了这种元素的结构元与另一种金属的结构元相互均布，凝固后，其微观 结构是不同种类的结构元成比例的有序排列，电磁力是构成合金物体的主要内聚 力。电磁力是由价和电子的运转所形成，而电子的运转速率随温度条件而变化 的，所以，物体内的电磁力（大小、方向、作用点）也是随温度条件而变化。 由此导致了金属物

14、体的内力随温度条件而变化，只是这些变化在小温差范 围内不明显，只有在较大温度变化（几百摄氏度）时才有表现。一般金属在受力后，能产生塑性变形，如一根铁丝被折弯了，在折弯部位， 电磁力受到外力的干扰，导致产生电磁力的价和电子的运转平面作出微量调整， 一次塑性变形就完成了。记忆合金由于是不同种类的结构元相互掺和均布，尽管结构元的个子、电磁 力的大小不同，但各自都加快了自身的价和运转，在一定的温度条件下相邻相安。 在受到外力后，电磁力受到外力的干扰，价和电子的运转平面作出微量角度调整， 物体产生塑性变形，在此塑性变形中，部分调整后的价和电子的运转是不舒展的。 当温度条件变化时价和电子的速率随之变化，当

15、温度回复到相安舒展的（转变温 度）条件时，不舒展的价和电子的运转立即回复到当时的速率，电磁力随之发生 变化，使相邻结构元的价和运转也都作出相应的调整，全部回复到原来的舒展状 态，于是整个物体也都回复到了原来的状态。这就是记忆合金的记忆过程。其实，金属的记忆早就被发现：把一根直铁丝弯成直角（90），一松开， 它就要回复一点，形成大于90的角度。把一根弯铁丝调直，必须把它折到超 过180后再松开，这样它就能正好回复到直线状态，这就是中国成语中所讲的 矫枉过正。还有记忆力更好的合金就是弹簧，（这里所说的是钢制弹簧，钢是铁 碳合金）弹簧牢牢地记住了自己的形状，外力一撤除，马上回复到自己的原来的 样子，只是弹簧的记忆温度很宽，不像记忆合金这样有一个特定的转变温度，从 而有了一些特别的功用。参考文献 TOC o 1-5 h z 杨杰，吴月华编著形状记忆合金及其应用中国科学技术大学出版社，1993蔡伟著合金的形状记忆效应与超弹性国防工业出版社2002杨大智著Ni-Ti形状记忆合金在生物医学领域的应用冶金工业出版社2003黄丽琴著形状记忆合金的应用上海电机学院机械学院