有趣的形状记忆材料

2022-08-02 16:07:42 作者：材易通来源：材易通分享至：

1 记忆材料的发现

1932年，瑞典人奥兰德首次在金镉合金中观察到“记忆“效应，而最早关于形状记忆材料的报道则是 Chang及 Read等人在1952年作出的，当金锡(Au 一Cd)合金的形状被改变之后，一旦加热到一定温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状。1962年，美国海军的一个研究小组从仓库领来一些镍钛合金丝做试验，他们发现这些合金丝弯弯曲曲，使用起来很不方便，于是就把它们一根根拉直。之后，奇怪的现象发生了，他们发现，当温度升到一定的数值时，这些已经拉直的镍钦合金丝突然又恢复到原来的弯曲状态，这一现象引起了他们的兴趣，于是反复做了试验，结果证实了这些细丝确实具有这种回弹的“记忆”功能。他们的这一发现，引起了科学界的极大兴趣，大量科学家开始对此现象进行深入研究。后来发现铜锌合金、铜铝镍合金、铜钥镍合金、铜金锌合金等众多合金也具有这种奇特的本领。这些合金的“改变一恢复”可以多次重复，不管怎么改变，它们总是能记忆自己当时的形状，人们把这种合金叫做形状记忆合金。

形状记忆材料的开发迄今不过20余年，但由于其特殊性能和在各领域的应用，已经广为世人所瞩目。现在的形状记忆材料更加智能化，在外力作用下变形后，可以根据需要在热、光、电等物理或化学刺激下，使其恢复到初始形状。

2 形状记忆合金

具有形状记忆效应的材料广泛存在于金属、陶瓷和聚合物等材料中。形状记忆合金是记忆材料中最早发现和被广泛应用的一种，在记忆材料中一直处于主流地位。

图1 形状记忆合金分类 a单向形状记忆；b双向形状记忆；c全方位形状记忆

形状记忆现象的产生主要是由相变引起，大部分形状记忆合金相变是热弹性，即低温时在外力作用下变形，高温时金属发生自动恢复。一般称高温相为母相(奥氏体)，低温相为马氏体相。将母相在低温下经外力变形，再重新加热时马氏体会逐渐消失，随后样品完全恢复母相形状，这种现象称为单向形状记忆（图1a）；有些合金不但对母相有记忆效应，而且再次冷却时它还会自动恢复原马氏体的形状，这种现象称为双向形状记忆（图1b）；第三种形状记忆效应最初是在Ti一Ni 合金中发现的，这种Ti-Ni合金在冷热循环过程中，形状可恢复到与母相刚好相反的形状，这种现象为全方位形状记忆（图1c）。至今为止发现的记忆合金体系Au一Cd、Ag一Cd、Cu一Zn、Cu一Zn一Al、Cu一Zn一Sn 和Fe一Mn一Si等多种。

Ti一Ni合金是迄今为止发现的形状记忆合金中记忆特性最好的一种。这种合金在热循环或外力作用下循环性能比较稳定，反复循环的寿命比较长，合金的平均晶粒大小只有数十个微米，因此它不容易产生破裂，成形性能比较好。如果Ti一Ni合金的平均粒径尺寸再减少一个数量级，达到几个微米，则可使其反复循环的寿命更长，强度更大，形状回复效率更高。

在后来的研究中发现，形状记忆合金中马氏体相变，不仅可以由温度引起，也可以由外力等其他因素引起，由外引起的相变叫做应力诱发相变。记忆合金以其良好的记忆性能、超弹性功能及良好的生物相容性，在生物医学领域有着广泛的应用。近几年来，Ni一Ti形状记忆合金在医学中的应用领域不断扩大，其潜在的应用前景已受到了人们的广泛关注，尤其表现在各种管道狭窄部位的形状记忆支架的研制与开发方面。Ni一Ti形状记忆合金内支架可在体内长期处于超弹性状态，弹性力不随变形量的增加而增加，而可恢复变形量大，变形抗力适中，疲劳性好，利用材料的形状记忆功能可使支架制成可取回式的，这些都是其他材料所不能比拟的。动物试验表明，抛光的Ni一Ti 形状记忆合金支架与同样设计的不锈钢支架相比，血栓性明显降低。目前，临床初期试验结果显示，Ni一Ti形状记忆合金支架对于大直径血管病变和非理想病变治疗非常有效，这已成为当前重点研究方向。

随着记忆合金种类的增加，人们开始研究记忆材料在除冷热条件以外的其他条件下的相应现象，其中磁控形状记忆合金就是新发现之一。磁控形状记忆合金是具有受磁场控制的形状记忆效应的合金。主要特点是合金在磁场中会产生明显的宏观变形，而去掉作用磁场后，这种宏观变形随之消失。因此这种合金材料可以作为磁场控制的驱动器材料。首先发现了其磁控形状记忆效应，如今应用广泛的磁控形状记忆在1996年合金是 Heusler类型的Ni - Mn一Ga合金。磁控形状记忆合金中包含朝不同方向的马氏体，对这种合金沿着某个方向施加磁场作用时，马氏体的磁响应程度不同，因而会产生相应的变形。当去掉磁场后，磁场诱发的变形也会随即消失。

形状记忆合金的应用

1. 偏压式双程动作元件

这种元件常常将形状记忆合金做成螺旋弹簧形式，同时和一个普通压缩弹簧组合起来使用，在低温时，由于偏压簧的弹性作用，形状记忆合金弹簧被压缩;高温时，形状记忆合金弹簧伸长产生的恢复力比较大，使偏压弹簧向右并紧;若处反复升温降温环境，则可实现双程往复推拉的动作特性。

2. 自膨胀血管栓塞器

人工血管能起扩管作用，血管栓塞器相反是通过形状记忆效应来达到堵塞血管的作用。在血管造影下，滤血器呈线状经由小孔导管进入静脉内，到达肺静脉腔后在体热作用下恢复原来的滤网状并且永久性地锁定在该位置，捕获来自骨盆静脉或下肢静脉的血栓，预防肺栓塞的形成。

3. 抗地震材料

形状记忆合金在桥梁和建筑结构中的潜在应用包括结构支承、支柱和横梁或梁和柱间的连接部件。目前，研究人员已经能够准确地预知形状记忆合金内部温度和应力的分布，他们发现给形状记忆合金慢慢施加负荷时，合金有时间将产生的热量同周围的环境进行交换，其内部产生了均匀的应力分布；然而，向合金快速施加负荷，热量无法在短时间内与周围环境交换，从而合金内部出现非均匀应力分布。

4. 航天装置

在航天领域，美国最早将钛镍形状记忆合金用于宇宙飞船的天线，发射前折成直径5厘米的球状，待飞船进入太空后，通过加热使合金丝升温，当达到77℃相变温度后，天线就完全打开至原先设定的抛物面形状，实现与地面的信号传递和交流，起到嘴巴和耳朵的作用。

5. 牙齿矫形

传统牙齿矫形用不锈钢 Co 一Cr合金丝，但这些材料有弹性模量高、弹性应变小的缺点。为了给出适宜的矫正力，在矫正前就要加工成弓形，而且对安装固定有很高的要求。形状记忆合金不仅具有形状记忆性能，还具有超弹性，因而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，所以即使形变增大，矫正力却能保持恒定。因而结扎时即使产生很大的变形也能保持适宜的矫正力，不仅操作简便、疗效好，还能减轻患者的不适感。

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