形状记忆合金的研究与应用

2000年　10月MetallicFunctionalMaterialsOctober,　2000

形状记忆合金的研究与应用*

杨　凯　辜承林

(华中理工大学　电力系　武汉　430074)

摘　要　本文综述了形状记忆合金的发现历史、相变晶体学和热力学特性及当前的应用与研究的若干热点。

关键词　形状记忆合金(SMA)　形状记忆效应(SME)中图分类号　TG139+16;TB381文献标识码　A

ResearchandApplicationoftheShapeMemoryAlloy

YangKai　GuChenglin

(HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan　430074)

ABSTRACT　Thegeneralcharacteristicsandthermomechanicalbehaviorofshapememoryalloyarede2scribed.Theapplicationofshapememoryalloyandsomelatestprogressontheresearchofthealloyarealsopresented.

KEYWORDS　shapememoryalloy(SMA),shapememoryeffect(SME)

前　言

有一种特殊的金属材料,经适当的热处理后即具有回复形状的能力,这种材料被称为形状记忆合金(Shape　MemoryAlloy,简称为SMA),这种能力亦称为形状记忆效应(ShapeMemoryEffect,简称为SME)。通常,SMA低温时因外加应力产生塑性变形,温度升高后,克服塑性变形回复到所记忆的形状。研究表明,很多合金材料都具有SME,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti合金和铜基合金(CuZnAl和CuAlNi)。1　发现历史

*国家自然科学基金资助项目(59877004)

最先在合金相变过程中观察到形状记忆效应的是Chang和Read,他们通过对AuCd

的相变可逆性研究发现相变过程中发生了电阻率的变化。1958年,在铜(CuZn)中也发现了类似的现象。直到1962年,当Buehlerh和其同事们在等原子的Ni2Ti合金中发现了SME后,对SMA冶金学和应用的研究才蔚

然兴起。随后的十年中,市场上出现了大量的利用SMA制造的产品。经过广泛研究,到目前为止,具有SME的合金可归纳为以下几类:

a)Ni2Ti系,包括等原子Ni2Ti,Ti2Ni2X(X=Fe,Al,Co);

b)铜系,包括Cu2Zn系,如Cu2Zn,Cu2

作者简介:杨凯,男,1976年生,武汉,华中理工大学电力工程系(430074),硕士研究生主要研究方向:内嵌式形状记忆合金电机及柔性伺服系统的研究

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

8金属功能材料　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2000年

Zn2X(X=Si,Al,Sn);Cu2Al系,如Cu2Al2,Cu2Al2Ni;

c)其他有色金属系,如Co2Ni,Ti2Nb,Au2Cu2Zn,Au2Cd,Ag2Cd,In2Ti等;

d)铁基合金,如Fe2Pt,Fe2Ni2Co,Fe2Mn2Si,Fe2Ni2Co2Ti,Fe2Mn2C及不锈钢等。

虽然目前已经发现的形状记忆合金有30余种。但正式作为商品生产的只有Ni系

和Cu基两大类。一般来说,Ni2Ti合金反复使用的稳定性、耐蚀性、对生物体的适应性(界面相互作用)、以及超弹性和制备加工性等都比Cu基合金优越,但成本较高。Cu基合金尽管在这些方面略微逊色,但价格便宜,在反复使用频率不太高、条件不太苛刻情况下,应用前景非常广泛。2　晶体学特性

SME的本质是合金中的热弹性马氏体相变〔1〕。马氏体相变发生的能量条件是马氏体的化学自由能必须比母相的低。也就是说,只有当母相过冷到马氏体相与母相化学自由能平衡温度T0以下适当温度Ms时,马氏体将长大,直到热化学自由能和弹性非化学自由能两者之差最小时,马氏体的生长过程才告结束。同样,只有当马氏体过热到T0以上温度As时,在相变驱动力作用下,马氏体缩小的逆转变过程才能开始。这种马氏体的长大或缩小受热效应和弹性效应两因素平衡条件的制约的相变称为“热弹性马氏体相变”。相变并不是发生在某一温度点,而是一个温度范围,不同的合金系具有不同的温度范围。图(1)显示了相变特性及相变循环中的关键点,其中Ms,Mf为马氏体相变的开始和结束时的温度,As,Af为逆相变的起始和结束温度,人们通常用相变温度Af表征合金的特性。大多数的合金,相变发生在较窄的温度范围内,而且伴随着滞后现象,以致加热与冷却的转变过程并不交迭,相变的滞后程度因合金系的不同而不同。通常,SMA能够完全恢复的形变量可达6%～8%(远非一般材料所能比拟),它的形变温度范围一般在

图1　相变温度曲线

Fig11　Typicaltransformationversus

temperaturecurve

-100～200℃之间,主要受合金成份及热处理制度等因素影响。在形变回复时还会产生很大的回复力(有的高达200MPa)。3　热力学特性随着相变的进行,SMA的机械特性有较大的变化。图2给出了Ni2Ti合金在拉力作用下的应力-应变曲线。马氏体在较低的应力下就能产生塑性变形,而高温奥氏体具有很高的屈服应力。马氏体曲线上的虚线表明,去除应力的马氏体经加热后转化为奥氏体,回复到它所记忆的形状。而奥氏体经形变后加热却没有类似的现象。从图2(c)中,

图2　应力-应变曲线

Fig12　Typicalstress2straincurvesat

differenttemperatures

我们还可以看到一种有趣的应力应变行为,

当材料温度比其相变温度稍高时,应力可以

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

第5期　　　　　　　　　　　　　　杨凯等:形状记忆合金的研究与应用9

诱发马氏体相变。在恒定的应力作用下,应变不断增大,如曲线AB。解除负荷,减小应力,马氏体转化为奥氏体,形状记忆发生了,如曲线CD。这种形状记忆不是通过加热而是通过应力的减小,使材料具有完全弹性,这就是我们所说的伪弹性(超弹性)。伪弹性具有非线性,其杨氏模量与温度和应变有关,在相变过程中较难测定。

大多数情况下,SME是单程的,也就是说,冷却过程中,虽然有相变发生,但SMA不能产生形状变化。马氏体因承受应力而发生的塑性变形,只有当它加热时才能消除。再冷却时,马氏体并不自发地发生形变,如果要再得到形状回复的效果,必须人为地使其发生形变,所以实际应用中多用偏置弹簧与SMA配合使用。一些合金经过特殊的热处理和机械训练,也能具有双程的SME,即加热和冷却时都能产生形状的变化。但与单程的SME相比,双程SME所产生的回复应变和形状回复力都要小一些。4　应　用

迄今为止,形状记忆合金在空间技术、医疗器械、机械器具、电子设备、能源开发、汽车工业及日常生活各方面都得到了广泛的应用,总的来说,按使用特性的不同,可归纳为下面几类:

(1)自由回复。SMA在马氏体相时产生塑性形变,温度升高自由回复到记忆的形状。自由回复的典型例子是人造卫星的天线和血栓过滤器。美国航空航天局(NASA)将Ti2Ni合金板或棒卷成竹笋状或旋涡状发条,收缩后安装在卫星内。发射卫星并进入轨道后,利用加热器或太阳能加热天线,使之向宇宙空间撑开。血栓过滤器把Ni2Ti合金记忆成网状,低温下拉直,通过导管插入静脉腔,经体温加热后,形状变为网状,可以阻止凝血块流动。有人设想,利用形状记忆合金制作宇宙空间站的可展机构,即以小体积发射,于空间展开成所需的形状,这是很有吸引力的机构。

(2)强制回复。强制回复最成功的例子

是SMA管接头。事先把内径加工成比被接管外径小4%,当进行连接操作时,首先把管接头浸泡在液态空气中,在低温保温状态下扩径后,把被接管从两端插入,升高温度,内径回复到扩径前的状态,把被接管牢牢箍紧。利用SMA制作的脑动脉瘤夹可夹住动脉瘤根部,防止血液流入,使动脉瘤缺血坏死。本田等人用厚度为015mm的Ti2Ni板制作的Ag2TiNi复合夹满足小而轻、装卸简便等要求,效果良好。此外,类似的用途还有电源连接器、自紧固螺钉、自紧固夹板、固定销、密封垫圈、接骨板和脊柱侧弯娇形哈伦顿棒等。

(3)动力装置。有些应用领域,要求形状记忆元件在多次循环往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、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。1997年美国航空航天局(NASA)的科学家利用长3cm,直径0115mm(01006″)的Ni2TiSMA驱动火星探测器上的太阳能电池挡板,加热SMA,使其收缩,通过传动装置,打开太阳能电池上的玻璃挡板,电池充电。充电结束后,偏置弹簧重新使挡板复位。挡板的有效开合可起到防尘的目的。

(4)精密控制。因为SMA的相变发生在一定温度范围而不是某一固定温度点,我们往往只利用一部分形状回复,使机械装置定位于指定的位姿。微型机器人、昆虫型生物机械、机器人手抓及微型调节器、笔尖记录器及医用内窥镜都属于这一类。形状记忆合金用作机器智能人的执行器,集传感、控制、换能、制动于一身,具有仿真性好、控制灵活、动作柔顺、无振动噪声、易于结构微型集成化等优点。日本的日立公司已研制出具有13个自由度的能拣取鸡蛋的机器人。俄罗斯St1Petersburg机器人及控制技术学院在Cu2Al2Ni基合金材料的研究基础上,研制出了

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

10金属功能材料　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2000年

拟人机械手(115m长),其手爪能移动200kg

的物体。该研究小组还给出了手爪的精确控制系统。医学上用到的具有多自由度能弯曲转入肠道内诊断疾病,进行手术的机器人也属于这一类型(图3)。现有的大肠镜的直径为10～20mm,这种内窥镜的直径为13mm,因此它特别适用于作大肠镜。诊断过程中,医生一边看纤维镜中的图象,一边移动操纵杆给出前端的第1,2节弯曲角指令和内窥镜前进、后退指令,通过计算机进行柔性控制,使内窥镜能够平滑地沿着通路前进或后退,大大减小了患者的痛苦,也增加了诊断的准确性。随着目前超大规模集成电路技术的飞速发展,可进一步制成微米级甚至更小的超微仿生物。

就其应用来说,进一步微型化,提高反应速度和控制精度,仍有很多的工作要做。近年来,有关SMA的研究成果以美国居多,其中美国航天航空局(NASA)、得克萨斯A&M大学、加利福尼亚大学伯克利分校、斯坦福大学等居于领先位置。国内的大连理工大学、华南理工大学、沈阳自动化研究所、四川联合大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学等一些高校和科研机构也做了大量的工作。当前的研究热点和发展趋势可归纳为以下几方2〕〔3〕面〔:

(1)Cu基SMA的开发与研究。我们知道,Ni2Ti合金的稳定性、耐蚀性、抗疲劳性及记忆性能都比Cu基合金强,但成本较高,不利于批量生产,限制了SMA产品的普及。因此提高Cu基SMA的疲劳强度,延性指标及热与应力循环引起的记忆性能不稳定问题是影响Cu系SMA实用化的重要因素。如果能通过材料学和晶体学上的研究解决上述问题,对降低SMA产品成本,拓宽SMA的应用范围将产生深远影响。

(2)Fe基形状记忆合金(主要是Fe2Mn2

4〕

Si)的开发问题〔。Fe基形状记忆合金不仅原料便宜(批量生产后,估计价格可降至Ni2Ti的1/10),而且容易进行焊接,切削等加工。在某些场合,并不需要明显的SME,且只需一次性记忆效应,如管接头,开发廉价的铁基SMA就很有必要了。有数据表明,28Mn26Si2Fe合金管接头的拉拔强度很高,壁厚2mm、长60mm的大型接头可超过1147×103N。另外也有用Fe228Mn26Si25Cr(质量百分比)SMA作为高级自行车赛车框架的连接件的报道。铁基SMA成本低廉,市场潜力大,很有开发价值。

(3)SMA薄膜的研究与应用。迄今为止,实际得到应用的合金形式有丝(直径可小于01025mm)、带(厚度可小于01025mm)、微型管道(外径范围012mm～31125mm)、薄膜(厚度可小于010175mm,宽度可达8715～100mm)等形式。其中薄膜有较大的比表面

图3　SMA医用内窥镜结构图

Fig13　Configurationofthe

medicineendoscope

(5)超弹性应用。SMA的伪弹性在医学

上和日常生活中得到了广泛的应用,市场上

的很多产品都应用了SMA的伪弹性(超弹性)性质。主要有牙齿娇形丝、人工关节用自固定杆、接骨用超弹性Ni2Ti丝、玩具及塑料眼镜镜框等。Ni2Ti丝用于娇形上,即使应变量高达10%也不会产生塑性变形,而且应力诱发马氏体相变的过程中,应变增大较多时矫正力却增加很少。故能保持适宜的矫正力,既可保证疗效,也可减轻患者的不适感。5　形状记忆合金的研究热点

SMA作为一种新型的功能性材料,就材

料本身来说,其加工和制备较难控制,没有形成一条SMA自动生产线,材料成本昂贵。

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

第5期　　　　　　　　　　　　　　杨凯等:形状记忆合金的研究与应用11

和较高的电阻率,因此加热和冷却速度提高,具有较快的响应。若把Ni2Ti薄膜加工成弹簧用于驱动器,可以大大降低整个结构的尺

5〕

寸。J1A1Walker〔等人采用刻蚀法制备Ti2Ni薄膜微弹簧,用电流加热驱动,响应速度可以高到20Hz。当前,国内外的学者们正积极发展新的测试技术和热力学分析方法,以揭示SMA薄膜相变2温度2应力2应变的内在联系,为驱动和传感元件的设计提供依据。同时开展SMA薄膜驱动器2传感器一体化研究。

(4)SMA纤维的研究与应用。图4是一SMA纤维式驱动器的结构图,它由靠预压弹

一种智能材料结构。该结构具有自检测,自诊断,自结论,自指令和自恢复的功能。安装在SMA缆索端部的电子测定仪或传感器用来测定结构内部应力或温度的变化。当出现异常时,系统将自动在SMA管道内通入热水或高温蒸气。SMA的回复将提高整个结构强度,防止事故的发生。

图5　智能结构桥

Fig15　Configurationoftheintellectualizedbridge簧连接的圆盘组成,圆盘周围编织了多根

SMA纤维。加热纤维使其收缩,回复力克服弹簧弹力使支撑盘靠拢,冷却纤维,在预压缩

6〕

弹簧的作用下,支撑盘张开。Danny〔选用

μm的SMA纤维,驱动器重6g,直径为100

长25mm,直径17mm,最大拉力为4N,输出的最大位移为215mm,响应频率可达20Hz,纤维SMA驱动器响应快速,结构紧凑,很有应用前景。

(6)内嵌式SMA驱动器的研究。内嵌

式形状记忆合金驱动器的主要思路是,用硅橡胶取代偏置弹簧,在硅橡胶制成的弹性棒内嵌入Ni2TiSMA线材,使棒体在通电时产生的弹性变形在断电后自行恢复。日本学者三轮敬之已研制出一种微型机械手,这种机械手是把直径012mm的Ni2Ti合金丝记忆处理成圆弧形状后包覆在硅橡胶中做成的,其可动行程达6mm。近几年,得克萨斯

7〕〔8〕

A&M大学的LagoudasDC〔教授领导的

研究小组对内嵌SMA合金丝的硅橡胶弹性棒进行了大量的研究,他们采用的硅橡胶为RTV664,SMA线材为Ni2Ti合金丝。试验

图4　纤维驱动器结构图

(a)左视图　(b)正视图

中,合金丝采用不同的嵌入方式,通入5A的电流,相变过程中可产生6%或415%(单程或双程)的回复应变,从而使棒体产生不同的弯曲,SMA平行棒体的轴线嵌入可使弹性棒产生‘U’型弯曲,SMA斜交于棒体轴线嵌入可使弹性棒产生‘S’型扭曲,两根SMA丝对称于棒体轴线径向嵌入可使弹性棒产生二维或三维的弯曲。由内嵌式SMA驱动器可构成最简洁的微型机电一体化双程可逆致动元件,也是诸如机器人关节、手爪、人工肌肉一类有任意维仿生意义柔性运动驱动控制需求的理想致动器。

Fig14　ConfigurationoftheSMA

fiberactuator

(5)SMA复合智能材料。智能材料是具

有感知2反馈2响应功能的材料。它能感知到

外界环境(如压力、温度)或内部状态(如微裂纹的出现)所发生的变化,然后通过材料本身或外界的某种反馈机制,促使材料作出反应,采取对策,或者调整其性能适应所发生的变化,亦或启动保护备用机制,以防止灾难性事故的发生。图5是SMA与建筑材料组成的

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

12金属功能材料　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2000年

(7)提高SMA驱动器反应速度。迄今

针对SMA驱动器的诸多不足所做的改进取得了若干进展,例如利用温度传感器提高反

9〕

应速度〔。一般的驱动器PWM控制响应速度较慢,为防止SMA丝过热熔断,势必就要对加热电压有所限制。而利用温度传感器后,可随时测定温度,在SMA丝温度低于其相变温度时,对加热电压没有限制,可在很短时间内使合金丝的温度达到相变温度以上,

实验证明,利用温度传感器大大提高了反应速度。我们知道,反应速度的快慢,与散热条件有很大关系,故可利用散热器提高反应速度。图6是利用散热器的设计方法。加热一侧的SMA,关节旋转,散热器靠近另一侧的SMA丝进行冷却,加速其马氏体相变的进行,使其迅速变“软”,从而提高反应速度。此外,还可改进结构(如Z型结构),在提高响应速度的同时可提高换能效率。

图6　带有散热装置的SMA旋转驱动器示意图Fig16　SketchmapoftherotationSMAactuatorwithheatsink6　前景展望

4　富　莉1铁基形状记忆合金的开发与应用1国外金属

在形状记忆合金的实用化进程中,急需积累并分析关于材料特性、功能可靠性、生物

相容性和细胞毒性等方面的基础数据资料。可以预言,随着对SMA研究的进一步深化,传统的机电一体化系统完全有可能发展成为材料电子一体化系统。

参考资料

1　舟久保,熙康1形状记忆合金1北京:机械工业出版社,

199219

2　ReynaertsDominiekandVanBrusselHendrik1Designas2pectsofshapememoryactuators1Mechatronics,1998,8(6):635～656

3　刘蓉生1形状记忆合金的应用研究现状1机械,1997124(2):48～50

材料,1991,3:4～10

5　吴建生,吴晓东,王征1形状记忆合金薄膜的研究与发

展1材料研究学报,1997,11(5):449～454

6　DannyGrantandVincentHayward1Designofshapemem2oryalloyactuatorwithhighstrainandvariablestructurecontrol1Proceedingof1995IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation,1995,3:344～350

7　PfaeffleHJ,ClagoudasD,TadjbakhshIGandCraigK

C1DesignofflexiblerodswithembeddedSMAactua2tors1ProceedingsofSPIE,1993,1917(2):762～7738　BlonkBDe,KurdilaAJ,IagoudasDCandWebb

G1IdentificationofthetransientresponseofSMAembed2dedflexiblerods1SPIE,1995,2443:335～346

9　KatsutoshiKuribayashi1Improvementoftheresponseofan

SMAactuatorusingatemperaturesensor1IntJRoboticsResearch,1991,10(1):13～20

修改稿收到日期:2000-04-20

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net