形狀記憶合金的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

形狀記憶合金（shape memory alloys，SMA）是一種由兩種以上金屬元素構(gòu)成、能夠在溫度和應(yīng)力作用下發(fā)生相變的新型功能材料，通過熱彈性與馬氏體相變及其逆變而具有獨(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、生物醫(yī)療、機(jī)械電子、汽車工業(yè)、建筑工程等領(lǐng)域。

形狀記憶合金按合金種類主要分為鎳鈦基形狀記憶合金（Ni-Ti SMA）、銅基形狀記憶合金（Cu SMA）、鐵基形狀記憶合金（Fe SMA）3類。其中，鎳鈦基形狀記憶合金包括Ni-Ti-Cu、Ni-Ti-Co、Ni-Ti-Fe、Ni-Ti-Nb等具有較高實(shí)用價值的記憶合金；銅基形狀記憶合金主要有Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Zn-Ga、Cu-Sn等種類；鐵基形狀記憶合金主要有Fe-Pt、Fe-Mn-Si、Fe-Ni-Co-Ti、Fe-Mn-Al-Ni、Fe-C-Mn-Si-Cr-Ni等種類。

1/形狀記憶合金的研究現(xiàn)狀

形狀記憶合金因其獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)一直是各主要國家的研究熱點(diǎn)。近年來，美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)針對形狀記憶合金制備工藝、成分配比、與先進(jìn)制造技術(shù)結(jié)合的研究已取得顯著的進(jìn)展，尤其以4D打印技術(shù)為代表的先進(jìn)制造技術(shù)使用形狀記憶合金作為原材料，擴(kuò)展了其在軟體機(jī)器人、醫(yī)療器械、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

（一）中美歐等國開發(fā)出多種形狀記憶合金制備新工藝，擴(kuò)大了材料應(yīng)用范圍

形狀記憶合金/聚合物的制備方法主要有熔煉法、粉末冶金法、噴射沉積工藝、4D打印技術(shù)等，再根據(jù)應(yīng)用需求配置后續(xù)的鍛造、熱擠壓、軋制、拉拔、冷加工等成型工藝。

其中，熔煉法是傳統(tǒng)金屬冶金工藝，在真空下將金屬原材料通過電子束、電弧、等離子體、高頻感應(yīng)等方式加熱后進(jìn)行熔煉，易產(chǎn)生雜質(zhì)污染、成分不均勻、能耗高等問題，且需要經(jīng)過切割加工形成合金產(chǎn)品。

而粉末冶金法則是利用金屬或合金粉末進(jìn)行熱等靜壓和燒結(jié)，制備出最終形狀的合金產(chǎn)品。

目前，中美歐等國在傳統(tǒng)熔煉法和粉末冶金法的基礎(chǔ)上，結(jié)合3D打印等先進(jìn)制造技術(shù)，開發(fā)出選區(qū)激光熔化增材制造技術(shù)、激光粉末床融合技術(shù)、4D打印技術(shù)等材料制備與材料成型新技術(shù)，不僅提升了材料的成分精度、超彈性、形狀記憶性能等特性，還拓展了合金的加工使用范圍。

美國得克薩斯農(nóng)工大學(xué)（Texas A&M University，TAMU）的研究人員通過激光粉末床融合技術(shù)制造了一種形狀記憶合金，在室溫下保持了6%的拉伸超彈性，在生物醫(yī)學(xué)和航空航天領(lǐng)域醬油更多應(yīng)用。英國利物浦大學(xué)的研究人員通過選區(qū)激光熔化（SLM）工藝對鎳鈦合金進(jìn)行加工，成型后的鎳鈦合金樣件表現(xiàn)出60%-80%的變形率。

中國華南理工大學(xué)的研究人員基于納米鎳粒子改性的鎳鈦合金粉末，采用SLM工藝獲得了具有有序功能基元的Ni50.6Ti49.4合金，為調(diào)控鎳鈦合金的微觀結(jié)構(gòu)提供一種新的策略，進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

華中科技大學(xué)和吉林大學(xué)的研究人員選用Cr20Ni80金屬纖維和高性能聚醚醚酮（PEEK），通過共擠出4D打印（CE-4DP）工藝制備了手形結(jié)構(gòu)和百葉窗結(jié)構(gòu)，對纖維依次通電可以實(shí)現(xiàn)手指按順序恢復(fù)。這些先進(jìn)制造技術(shù)使得形狀記憶合金/聚合物在生物醫(yī)療、航空航天、智能器件等方面具有更大的應(yīng)用前景。

（二）中美等國利用形狀記憶合金和形狀記憶聚合物開發(fā)機(jī)器人組件，提高機(jī)器人性能

形狀記憶合金/聚合物由于具有形狀記憶效應(yīng)、超彈性等特性，在機(jī)器人領(lǐng)域具有較大應(yīng)用空間，各主要國家均對此加大了研究力度。

新加坡國立大學(xué)（National University of Singapore）和北京交通大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新的桿驅(qū)動軟體機(jī)器人（RDSR），通過硅管中裝配的鎳鈦合金柔性桿實(shí)現(xiàn)在推拉方向上對軟體機(jī)器人的控制，協(xié)調(diào)控制多根推拉桿可使機(jī)器人在任意方向上（多個自由度）運(yùn)動。

美國西北大學(xué)的研究人員使用形狀記憶合金制造微型遙控行走機(jī)器人，可完成彎曲、扭曲、爬行、行走、轉(zhuǎn)彎和跳躍等動作而無需液壓或電力。

麻省理工學(xué)院的研究人員使用鎳鈦合金開發(fā)出一種線狀機(jī)器人，在磁力的操控下，可以在狹窄、蜿蜒的路徑中穿行，未來可應(yīng)用于治療動脈瘤和中風(fēng)等疾病。

英國赫瑞-瓦特大學(xué)（Heriot-Watt University）的研究人員采用功能分級激光誘導(dǎo)正向轉(zhuǎn)移（FG-LIFT）技術(shù)將鎳、鈦或銅沉積在基板上，通過控制沉積位置和層數(shù)，在材料的特定點(diǎn)處構(gòu)建不同屬性的3D微結(jié)構(gòu)，使得部分部件具有形狀記憶效應(yīng)，并將其應(yīng)用于更復(fù)雜和可控制的微型機(jī)器人。

形狀記憶合金/聚合物因其自身性質(zhì)，在軟體機(jī)器人執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、傳感和控制系統(tǒng)等領(lǐng)域具有較大應(yīng)用潛力。

（三）中美在航空航天領(lǐng)域利用形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)、質(zhì)量輕等特性，提高航天器效能及穩(wěn)定性

1969年，形狀記憶合金在F-16戰(zhàn)機(jī)的管接頭應(yīng)用中取得重大的突破后，其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用日益受到中美等航天大國的關(guān)注。

美國國家航空航天局（NASA）和波音公司的研究人員利用形狀記憶合金來制造可折疊機(jī)翼，在F/A-18大黃蜂戰(zhàn)機(jī)的機(jī)翼部分安裝新型鎳鈦鉿高溫形狀記憶合金扭矩管執(zhí)行器，可根據(jù)指令進(jìn)行電加熱和冷卻，使機(jī)翼上下移動90度或精確移動到任何選定位置，從而提高飛機(jī)的效率和控制能力。

此外，NASA還開發(fā)了可應(yīng)用于月球及火星探測器的超彈性輪胎，不僅可以增加輪胎的承載能力避免扎胎和漏氣的情況，還可承受顯著的可逆應(yīng)變，使其適用于各種復(fù)雜地形。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)了一款形狀記憶聚合物衛(wèi)星展開基板，當(dāng)基板的溫度達(dá)到或超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度后，基板會從收攏狀態(tài)自發(fā)變形為展開狀態(tài)，避免出現(xiàn)卡死、無法展開等故障。

形狀記憶合金/聚合物的優(yōu)異特性可滿足各國對于提高航天器操控精度、減輕航天器自身重量、減少航天器故障的需求，未來各國對于形狀記憶合金/聚合物在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用還將持續(xù)關(guān)注。

2/形狀記憶合金的主要應(yīng)用

形狀記憶材料由于具有獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)和超彈性，以及耐磨性、耐腐蝕性、高阻尼性、高功重比、生物相容性等優(yōu)越性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、機(jī)械電子、建筑工程、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。

其中，鎳鈦基形狀記憶合金具有抗疲勞性、低應(yīng)力水平下的循環(huán)穩(wěn)定性、出色的生物相容性等優(yōu)異性能而成為最重要的形狀記憶合金，因此其應(yīng)用最為廣泛，可用作醫(yī)用傳感器、阻尼器、夾具與植入設(shè)備、執(zhí)行器等。

銅基形狀記憶合金價格僅為鎳鈦基形狀記憶合金的1/10，但其記憶效應(yīng)、力學(xué)性能、耐腐蝕性能都較差，發(fā)展與應(yīng)用受到一定的限制，需要在合金中添加一些微量元素來改善其性能。

鐵基形狀記憶合金的特點(diǎn)是馬氏體起始相變溫度接近室溫、形狀記憶效應(yīng)相對較好，且由于使用元素價格低，擁有極大的成本優(yōu)勢。但這一類合金相對較低的起始相變溫度以及明顯的滯后現(xiàn)象限制了其應(yīng)用范圍。

（一）航空航天領(lǐng)域

在航空航天領(lǐng)域，形狀記憶合金由于具備形狀記憶效應(yīng)、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，可減小航空器空間機(jī)構(gòu)的鉸接和液壓管路的連接中產(chǎn)品的體積和質(zhì)量，提高連接效能和穩(wěn)定性，達(dá)到便于運(yùn)輸?shù)哪康摹?

其主要應(yīng)用包括飛機(jī)液壓管接頭、星用解鎖機(jī)構(gòu)和鎖緊系統(tǒng)、易斷缺口螺栓釋放機(jī)構(gòu)、空間桁架組裝結(jié)構(gòu)、固定翼飛行器機(jī)翼優(yōu)化、飛行器推進(jìn)系統(tǒng)混流裝置、可展開天線、空間鉸鏈單元、衛(wèi)星基板等。

（二）汽車工業(yè)領(lǐng)域

形狀記憶合金具備形狀記憶效應(yīng)、超彈性、耐磨性、高阻尼性等優(yōu)異的力學(xué)性能，將其作為緩沖吸能材料應(yīng)用于汽車安全領(lǐng)域，可有效地提高汽車碰撞吸能保護(hù)效果；同時隨著無人駕駛技術(shù)的出現(xiàn)，對汽車傳感器和執(zhí)行器的要求也更加苛刻，形狀記憶合金執(zhí)行器可取代已使用多年的電磁執(zhí)行器。

其主要應(yīng)用包括風(fēng)扇離合器、風(fēng)扇葉片控制器、自動變速箱控制用調(diào)整閥、恒溫控制閥、執(zhí)行器、車身抑振結(jié)構(gòu)、吸能盒、超彈性輪胎、變速器補(bǔ)償墊圈、減震器閥墊圈、燃油噴射器高壓回路密封器等。

（三）生物醫(yī)療領(lǐng)域

形狀記憶合金優(yōu)越的反復(fù)使用穩(wěn)定性、耐腐蝕性、生物相容性、超彈性、低楊氏模量等特性，為許多醫(yī)學(xué)難題提供了新的解決方案。 目前形狀記憶合金在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用相對成熟，主要應(yīng)用有：內(nèi)支架，包括食管、腸道、氣管、膽道、尿道等非血管支架，鎳鈦合金裸支架、放射性支架、包被支架、人造血管覆蓋支架等血管支架；心臟封堵器；微創(chuàng)醫(yī)療器械，包括圈套器、網(wǎng)籃、抓鉗等異物取出器械，針狀器械，剝離鉤、牽引器、夾鉗、柔性內(nèi)窺鏡、柔性抓鉗、疝氣修補(bǔ)夾、胃腸吻合夾、痔切除夾、潰瘍堵閉球等介入內(nèi)鏡檢查學(xué)器械，濾器、封閉器、導(dǎo)絲、導(dǎo)管、遠(yuǎn)端保護(hù)裝置、縫合封閉器械等介入放射學(xué)器械，靜脈瓣膜支持器、血管結(jié)扎夾、動脈血管吻合器、血管膨脹器等微創(chuàng)外科手術(shù)器，婦產(chǎn)科器械；矯形外科和腦外科材料，包括加壓騎縫釘、加壓修補(bǔ)針、聚髕器、加壓接骨器、環(huán)抱內(nèi)固定器、螺絲釘、框架式內(nèi)固定器、髓內(nèi)針、柵欄狀接骨套、肩部定位錨、脊柱矯形棒等；口腔醫(yī)學(xué)材料，包括牙齒矯形絲、矯形彈簧、根管預(yù)備器械、擴(kuò)弓矯治器、頜骨固定針、種植體等。

（四）建筑工程領(lǐng)域

形狀記憶合金憑借其超彈性、高阻尼性以及彈性模量隨溫度同步變化的特征，在建筑橋梁減震降噪、耗能阻尼方面有著突出表現(xiàn)。 在追求建筑材料結(jié)構(gòu)輕量化、先進(jìn)智能化、功能多樣化的趨勢下，形狀記憶合金及其復(fù)合材料將在建筑領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。其主要應(yīng)用包括阻尼耗能裝置、隔震結(jié)構(gòu)、泡沫復(fù)合材料、復(fù)合樹脂結(jié)構(gòu)等。

三、形狀記憶合金研究中存在的瓶頸及未來研究方向

各主要國家雖然在形狀記憶合金的研究中取得了諸多進(jìn)展，但也存在一些尚待解決的問題，對形狀記憶合金的研究方向和發(fā)展趨勢產(chǎn)生一定影響。

研究中存在的主要問題有：形狀記憶合金自身存在損傷和裂紋等缺陷；形狀記憶合金的合金種類有限；基于形狀記憶合金構(gòu)建的模型在實(shí)際工程應(yīng)用中存在一些缺陷；形狀記憶合金的加工和制備工藝的控制難度仍然較大，且制造成本較高；形狀記憶合金的各種功能均依賴于馬氏體相變，需要不斷對其加熱、冷卻或加載、卸載，且材料變化具有遲滯性，限制了合金的應(yīng)用等。

形狀記憶合金未來的研究方向和發(fā)展趨勢主要集中在形狀記憶聚合物復(fù)合材料的研究與開發(fā)、高溫形狀記憶合金的研究與開發(fā)、研發(fā)新的形狀記憶合金系列、形狀記憶合金元器件進(jìn)一步微型化、降低形狀記憶合金制造成本、克服材料自身缺陷等。

四、結(jié)語

形狀記憶合金由于具備形狀記憶效應(yīng)、超彈性、高阻尼性等特性，是未來智能材料的發(fā)展方向，在汽車工業(yè)、航空航天、生物醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用。

目前形狀記憶合金的相關(guān)技術(shù)較為成熟，但在實(shí)際工程應(yīng)用中尚存諸多問題需要重點(diǎn)關(guān)注，如疲勞性能及響應(yīng)速度有待提高、制造成本過高、控制精度有待改進(jìn)、合金種類有限等。

各國將持續(xù)探索更多可能的形狀記憶合金配比和制備方法，從而調(diào)節(jié)材料的疲勞、響應(yīng)速度等性能，消除現(xiàn)有的材料缺陷，降低制造成本，拓展形狀記憶材料的應(yīng)用范圍。

美國、日本、歐盟等材料強(qiáng)國早已針對形狀記憶合金展開研究工作，在全球形狀記憶合金市場中占據(jù)絕大部分份額，并將繼續(xù)保持領(lǐng)先地位。

我國在形狀記憶合金領(lǐng)域的研究雖然起步較晚，但是進(jìn)展較快，在多個領(lǐng)域已達(dá)到國際領(lǐng)先水平，特別是在形狀記憶聚合物方面，開發(fā)出超高力學(xué)性能形狀記憶聚合物等多種新材料，在智能家居、航空航天和軟體機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。

未來，我國應(yīng)繼續(xù)加大形狀記憶材料方面的研發(fā)投入，加快技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，促進(jìn)形狀記憶材料在制造業(yè)中的應(yīng)用。

審核編輯：劉清