形状记忆合金的简介、原理和应用解析

简介

形状记忆合金（Shape Memory Alloys），简称SMA，是一种能够在温度和应力作用下发生相变的新型功能材料，具有独特的形状记忆效应、相变伪弹性等特性，广泛应用于航空航天、医疗器械、机械电器等领域。

图片来源：smartlab

特性-记忆能力

形状记忆合金产生塑性变形后，加热到某一温度之上，能够回复到变形前的形状，即具有形状记忆效应（SME）。

广为人知的要数1969年7月20日，美国宇航员乘坐“阿波罗” 号在月球上首次留下了人类的脚印，并通过一个直径数米的半球形天线传输月球和地球之间的信息。这个庞然大物般的天线就是用一种形状记忆合金材料制成了天线。

右上角天线为形状记忆合金材料

图片来源：NASA

先在其转变温度以上按预定要求做好，然后降低温度把它压成一团，装进登月舱带上天去。放置于月球后，在阳光照射下，达到该合金的转变温度，天线“记”起了自己的本来面貌，变成一个半球。

特性-超弹性

形状记忆合金的另一个独特性质是在高温下（奥氏体状态）发生大的“伪弹性”或“超弹性”，即表现为这种合金的承载力比一般金属大几倍甚至几十倍的可回复应变。

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形状记忆原理

记忆合金记住材料形状的原理不同于高分子弹性物质，比如我们熟悉的橡皮圈，它恢复其形状的原理是内部交联和纠缠的橡胶大分子链的打开与分离。

而形状记忆合金之所以具有变形恢复能力，是因为变形过程中材料内部产生的热弹性马氏体相变。热弹性马氏体相变产生的低温相（马氏体）在加热时向高温相（奥氏体）进行可逆转变的结果。

形状记忆过程示意图

图片来源：smartlab

类别

已发现具有形状记忆效应的合金种类很多，可以分为镍-钛系、铜系、铁系合金三大类。目前已实用化的形状记忆合金只有Ni-Ti系合金和Cu系合金。

近日，日本东北大学的Yukiko等人发现Mg-Sc合金在-151℃呈现出4.4%的超弹性并且受热形状可以恢复，密度仅为2g/cm3左右，与实际的镍钛形状记忆合金相比要低三分之一。这种轻质镁钪形状记忆合金在对重量控制严苛的领域（如航空航天）将存在着巨大的应用潜力。

形状记忆合金的比重和最大超弹性应变的关系图

图片来源：Science

形状记忆合金的应用

航空航天

2017年12月，NASA发布了其与固特异公司（Goodyear）共同开发的一种由形状记忆合金制造的非充气式轮胎，这种轮胎除了应用在火星探测任务中之外，也可以作为传统轮胎的替代品在地球上使用。

图片来源： NASA

哈勃太空望远镜（HST）使用形状记忆合金制成的手臂，到达太空后，太阳的温度将形状记忆臂加热到临界温度以上，使它们恢复到原来的形状，自动释放太阳能电池板。

图片来源：NASA

采用形状记忆合金改变机翼外倾角，或机翼顶部和底部之间的相对角度。

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机械工业

形状各异的微型机械

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SmartFlex 合金丝

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形状记忆合金油管接头，用相变点约-150℃的Ti-Ni-Fe合金制备。这种油管接头可应用于战斗机上。

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生物工程

记忆食道架能在喉部膨胀成新的食道。必要时向食道里加上冰块，“食道”遇冷收缩就可轻易取出，提高失去进食功能的食道癌患者的生活质量。

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形状记忆合金很好地模拟人体肌肉和肌腱，利用压电材料或形状记忆合金可以制成受控制的“肌肉”。

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镍钛形状记忆合金接骨板。

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牙齿矫形丝：NiTi形状记忆合金可持续释放比其他材料更加恒定的矫正力。

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应用于髋关节置换的形状记忆合金。

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利用形状记忆合金制作血管支架。

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