形狀記憶合金的簡介、原理和應用解析

簡介

形狀記憶合金（Shape Memory Alloys），簡稱SMA，是一種能夠在溫度和應力作用下發生相變的新型功能材料，具有獨特的形狀記憶效應、相變偽彈性等特性，廣泛應用于航空航天、醫療器械、機械電器等領域。

圖片來源：smartlab

特性-記憶能力

形狀記憶合金產生塑性變形后，加熱到某一溫度之上，能夠回復到變形前的形狀，即具有形狀記憶效應（SME）。

廣為人知的要數1969年7月20日，美國宇航員乘坐“阿波羅” 號在月球上首次留下了人類的腳印，并通過一個直徑數米的半球形天線傳輸月球和地球之間的信息。這個龐然大物般的天線就是用一種形狀記憶合金材料制成了天線。

右上角天線為形狀記憶合金材料

圖片來源：NASA

先在其轉變溫度以上按預定要求做好，然后降低溫度把它壓成一團，裝進登月艙帶上天去。放置于月球后，在陽光照射下，達到該合金的轉變溫度，天線“記”起了自己的本來面貌，變成一個半球。

特性-超彈性

形狀記憶合金的另一個獨特性質是在高溫下（奧氏體狀態）發生大的“偽彈性”或“超彈性”，即表現為這種合金的承載力比一般金屬大幾倍甚至幾十倍的可回復應變。

圖片來源：science.jrank

形狀記憶原理

記憶合金記住材料形狀的原理不同于高分子彈性物質，比如我們熟悉的橡皮圈，它恢復其形狀的原理是內部交聯和糾纏的橡膠大分子鏈的打開與分離。

而形狀記憶合金之所以具有變形恢復能力，是因為變形過程中材料內部產生的熱彈性馬氏體相變。熱彈性馬氏體相變產生的低溫相（馬氏體）在加熱時向高溫相（奧氏體）進行可逆轉變的結果。

形狀記憶過程示意圖

圖片來源：smartlab

類別

已發現具有形狀記憶效應的合金種類很多，可以分為鎳-鈦系、銅系、鐵系合金三大類。目前已實用化的形狀記憶合金只有Ni-Ti系合金和Cu系合金。

近日，日本東北大學的Yukiko等人發現Mg-Sc合金在-151℃呈現出4.4%的超彈性并且受熱形狀可以恢復，密度僅為2g/cm3左右，與實際的鎳鈦形狀記憶合金相比要低三分之一。這種輕質鎂鈧形狀記憶合金在對重量控制嚴苛的領域（如航空航天）將存在著巨大的應用潛力。

形狀記憶合金的比重和最大超彈性應變的關系圖

圖片來源：Science

形狀記憶合金的應用

航空航天

2017年12月，NASA發布了其與固特異公司（Goodyear）共同開發的一種由形狀記憶合金制造的非充氣式輪胎，這種輪胎除了應用在火星探測任務中之外，也可以作為傳統輪胎的替代品在地球上使用。

圖片來源： NASA

哈勃太空望遠鏡（HST）使用形狀記憶合金制成的手臂，到達太空后，太陽的溫度將形狀記憶臂加熱到臨界溫度以上，使它們恢復到原來的形狀，自動釋放太陽能電池板。

圖片來源：NASA

采用形狀記憶合金改變機翼外傾角，或機翼頂部和底部之間的相對角度。

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機械工業

形狀各異的微型機械

圖片來源：JohnsonMatthey

SmartFlex 合金絲

圖片來源：SAES Getters

形狀記憶合金油管接頭，用相變點約-150℃的Ti-Ni-Fe合金制備。這種油管接頭可應用于戰斗機上。

圖片來源：JohnsonMatthey

圖片來源：uzone.univs

生物工程

記憶食道架能在喉部膨脹成新的食道。必要時向食道里加上冰塊，“食道”遇冷收縮就可輕易取出，提高失去進食功能的食道癌患者的生活質量。

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形狀記憶合金很好地模擬人體肌肉和肌腱，利用壓電材料或形狀記憶合金可以制成受控制的“肌肉”。

圖片來源：University of cornell

鎳鈦形狀記憶合金接骨板。

圖片來源：斯邁爾

牙齒矯形絲：NiTi形狀記憶合金可持續釋放比其他材料更加恒定的矯正力。

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應用于髖關節置換的形狀記憶合金。

圖片來源：washington.edu

利用形狀記憶合金制作血管支架。

圖片來源：Lakeview Center