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形状记忆合金( Shape Memory Alloy,SMA

2020-07-09


形状记忆合金( Shape Memory Alloy,SMA)(二)
台北市立第一女子高级中学化学科何镇扬老师/国立台湾师範大学化学系叶名仓教授责任编辑

三、形状记忆合金材料
至今为止,已发现有十几种记忆合金体系,可以分为:Ti-Ni-系、铜系、铁系合金三大类,包括Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-A1、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、Ni-A1、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等,它们有两个共同特点:
1. 弯曲量大,塑性高;
2. 在记忆温度以上恢复以前形状。

最早发现的记忆合金可能是50 %Ti + 50 %Ni,目前性能最佳的形状记忆合金仍然是钛镍合金。不同的合金或者同样的合金不同成分,以及採用不同的热处理技术,可以调节TMs和TAs,以便达到不同的使用要求。

四、形状记忆合金的应用
具有形状记忆效应和超弹性的合金已经发现很多,但是目前已经进入实用阶段的主要有Ti-Ni合金和Cu-Zn-A1合金,前者价格较贵,但是性能优良,并与人体有生物相容性;后者具有价廉物美的特点,普遍受到人们的青睐。
(1)在军事和航太工业方面的应用
最早报导的应用实例之一是美国国家航空和宇航航行局用形状记忆合金做成大型月面天线,有效地解决了体态庞大的天线运输问题。
(2)在工程方面的应用
形状记忆合金目前使用量最大的是用以製作管接口,在使用温度下加工的管接口,内径比管子外径略小,安装时在低温下将其机械扩张,套接完毕后由于管接口在使用温度下因形状记忆效应回复到原形而与管子紧密配合,已经在F-14战斗机油压系统、沿海或海底输送管的接口固接取得了成功的应用。

形状记忆合金作紧固件、连接件较其他材料有许多优势:
1. 夹紧力大,接触密封可靠,避免了由于焊接而产生的冶金缺陷;
2. 适于不易焊接的接头;
3. 金属与塑胶等不同材料可以通过这种连接件连成一体;
4. 安装时不需要熟练的技术。

把形状记忆合金製成的弹簧与普通弹簧安装在一起,可以製成自控元件。在高温和低温时,形状记忆合金弹簧由于发生相变,母相与马氏体强度不同,使元件向左、右不同方向运动。这种构件可以作为暖气阀门,温室门窗自动开启的控制,描笔式记录器的驱动,温度的检测、驱动。形状记忆合金对温度比双金属片敏感得多,可代替双金属片用于控制和报警装置中。

(3)在医疗方面的应用
Ti-Ni形状记忆合金对生物体有较好的相容性,可以埋入人体作为移植材料,医学上应用较多。在生物体内部作固定折断骨架的销、进行内固定接骨的接骨板,由于体内温度使Ti-Ni合金发生相变,形状改变,不但能将两段骨固定住,而且能在相变过程中产生压力,迫使断骨很快愈合。另外,义肢的连接、矫正脊柱弯曲的矫正板,都是利用形状记忆合金治疗的实例。

在内科方面,可将细的Ti-Ni丝插入血管,由于体温使其恢复到母相的网状,阻止95%的凝血块不流向心脏。用记忆合金製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,制造人工心脏。

(4)形状记忆式热发动机
在TMs以下以质量m1使得Ti-Ni合金线圈收缩之后,加大质量至m2,再把线圈加热到TAf以上,使合金发生相转变而伸长到原来长度,返走距离为(ll),所以完成上述一个循环所做的功为(m2–m1)(l0–l)。
最早发表的形状记忆热发动机为Banks热发动机,与转动轮处于偏心位置的曲轴和转动轮之间由20根弯成U字形的钛镍合金线连接着。在通过热水浴时,合金线伸直而推动偏心曲轴,其中沿切线的分量使得转动轮旋转。它属于偏心曲轴发动鸡机,此后又相继开发了汽轮发动机。斜板型发动机和场致发动机等,但其工作原理都是一样的。1973年,美国试製成第一台Ti-Ni热机,利用形状记忆合金在高温、低温时发生相变,产生形状的改变,并伴随极大的应力,实现机械能与热能之间的相互转换。

目前,形状记忆效应和超弹性已广泛用于医学和生活各个领域,如製造血栓过滤器、脊柱矫形棒、接骨板、人工关节、妇女胸罩、人造心脏等。还可以广泛地应用于各种自动调节和控制装置。形状记忆薄膜和细丝可能成为未来超微型机械手和机器人的理想材料。特别是它的质轻、高强度和耐蚀性使它备受各领域青睐。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。




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