TiNi系形狀記憶合金的記憶原理及其應用現狀

耿雙奇 牛建平

摘 要：TiNi合金是一種擁有良好形狀記憶效應的記憶合金，它在低溫相下發生適當的變形后，加熱到某一溫度（逆相變點）之上，發生逆相變的同時能夠回復到變形前的形狀。對TiNi合金的形狀記憶原理、特性及其在各個領域的應用進行了較為系統的描述。

關鍵詞：TiNi合金；形狀記憶效應；記憶合金

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2018.30.097

1 引言

形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，SMA）作為一種新型的功能材料，近些年受到人們廣泛的關注。形狀記憶合金主要有TiNi基，Cu基，Fe基和鐵磁SMA等，它們發生形狀記憶效應的機制不盡相同。其中熱彈性馬氏體相變機制的TiNi基形狀記憶合金因具有優良的形狀記憶特性、超彈性和循環壽命等優點，是目前研究最深入、商業應用最廣泛的SMA。TiNi合金是迄今為止發現的形狀記憶合金中記憶特性最好的一種，具有獨特的超彈性、形狀記憶性能、高強度、低模量和耐腐蝕性能。與銅基記憶合金相比，TiNi合金晶粒較小，抗疲勞性能更高，記憶性能更加穩定。對TiNi系記憶合金的研究可以追溯到1963年，美國海軍武器實驗室的Buehler等人發現等原子比的Ti-Ni合金具有非常良好的形狀記憶功能。隨后，1969年，Raychem公司第一次將Ti-Ni系記憶合金制作成管接頭，應用在美國F14戰斗機上，這一應用，掀起了國際上對記憶合金研究與開發的熱潮。近些年來，對TiNi系記憶合金及其應用的研究已經取得了非常大的突破。本文綜合評述了TiNi系記憶合金的記憶原理、優點、應用現狀以及其未來發展前景。

2 TiNi形狀記憶合金的記憶原理

形狀記憶合金（shape memory alloy）簡稱SMA，它處于正相變溫度（正相變點）以下時，受適當力產生變形之后，當加熱到臨界溫度（逆相變點）之上，發生逆相變的同時恢復其原始形狀，這種現象稱之為形狀記憶效應，它是某些呈現馬氏體相變的合金所具有的一種奇特的性能。TiNi系記憶合金可以感知到溫度的變化，并且它能隨著溫度的變化發生相變，將熱能轉化成機械能，輸出外力、位移、儲存并且釋放能量。

TiNi基形狀記憶合金在低溫下是馬氏體相，記為M相，具有B19′結構，在高溫下是母相，即奧氏體相，記為A相，具有B2結構。隨著溫度的降低，當溫度達到Ms時，馬氏體相變開始，合金由100%奧氏體相向馬氏體相轉變，馬氏體體積分數從0開始增加；當溫度達到Mf時，馬氏體相變結束，此時合金完全處于馬氏體狀態，馬氏體體積分數為100%；隨著溫度的升高，當溫度達到As時，馬氏體逆相變開始，馬氏體相開始向奧氏體相轉變，馬氏體體積分數由100%開始減??；當溫度達到Af時，馬氏體逆相變結束，此時合金完全處于奧氏體相狀態。馬氏體相變及逆相變過程中馬氏體體積分數隨溫度的變化曲線和相應的晶體結構變化如圖1所示。

當TiNi合金處于低溫（Ms以下）時，合金發生馬氏體相變，生成各種馬氏體變體，對其施加載荷會使馬氏體變體沿擇優取向方向生長，使合金發生宏觀形狀改變，然后保持溫度始終低于As進行卸載。當載荷為0時，合金發生回彈，并保留殘余變形。隨后進行升溫，當溫度達到As時，材料發生馬氏體逆相變，由于晶體學的有序性，點陣回歸到原始位置，合金發生形狀恢復。形狀記憶效應如圖2所示。

3 TiNi形狀記憶合金的優點

TiNi系記憶合金具有優良的形狀記憶效應、超彈性、抗腐蝕性能以及生物相容性，同時還具有結構輕盈等優點。

（1）形狀記憶效應。TiNi系記憶合金具有非常優異的形狀記憶效應，是迄今為止發現的形狀記憶合金中記憶特性最好的一種，它的形狀恢復量可以達到6%～8%，大大超出了Cu基，Fe基和鐵磁SMA的形狀恢復量，具有更加良好的工作性能，被廣泛應用到各個領域。

（2）超彈性。除了熱誘發馬氏體相變以外，還有一種應力誘發馬氏體相變，即當合金受到應力時，應力使奧氏體相誘發馬氏體相變，奧氏體轉變為馬氏體，形狀發生改變；卸載掉應力后，發生馬氏體逆相變，馬氏體重新轉變為母相奧氏體，形狀恢復到母相狀態，即為超彈性。

（3）抗腐蝕性能。TiNi系記憶合金具有良好的抗腐蝕性能，特別是抗鹽霧腐蝕能力極強，在海洋環境下工作的TiNi合金工件更不容易被海水腐蝕，大大加強了工作件的使用壽命，工作性能更加穩定可靠。

（4）生物相容性。TiNi系記憶合金充分的滿足化學、生物學等方面的可靠性要求，在醫學方面得到了廣泛的應用。合金在與生物體接觸后，會形成穩定性極強的鈍化膜，避免了合金與生物體接觸后溶解形成金屬陽離子，引起生物體癌變。

（5）結構輕盈。TiNi系記憶合金密度越為鋼的60%，體積效率較大，具有結構輕盈的優點，制備的TiNi合金工件更加輕巧、緊湊，大大的減小了機器的重量，更加便捷。

4 TiNi形狀記憶合金的應用現狀

TiNi形狀記憶合金擁有良好的形狀記憶效應，在航空航天、日常生活、工業工程以及醫療等多個領域都得到了非常廣泛的應用。

（1）航空航天。TiNi系記憶合金在航空航天上應用極其廣泛，因為TiNi合金連接件質量較輕，且結構相對簡單，安全性能穩定可靠，所以飛機上液壓管路的管接頭大多使用TiNi合金制造。將TiNi合金管接頭冷卻到Mf點以下，此時合金內部全部為馬氏體，對管接頭進行擴徑，然后將液壓管路的管子插入擴徑后的管接頭內，將管接頭加熱至Af點以上，此時合金內部全部為奧氏體母相，形狀回復到擴徑前，與管子緊密的連接在一起，而且這種管接頭拆卸方便，比焊接更加穩定可靠。

除此之外，衛星天線也是TiNi記憶合金的一個很典型的實例。在室溫下將TiNi絲加工成天線的形狀，然后使合金降溫冷卻轉變成馬氏體，將TiNi記憶合金絲折疊裝在狹小的空間內，當衛星到達軌道時對天線進行加熱，溫度升高發生馬氏體逆相變，恢復到其母相拋物面的形狀，完成形狀記憶效應。

（2）日常生活。TiNi合金具有良好的超彈性（偽彈性），這讓它在日常生活中有著廣泛的應用。如TiNi合金眼鏡框架，結構輕盈，不容易被外力擠壓變形，大大增加了眼鏡框架的使用壽命，被廠家廣泛應用。

還有一種插座，將TiNi合金制備成束緊環，在Mf以下時，將插頭插入，然后升溫至Af后，憑借良好的形狀記憶效應，束緊環形狀恢復，將插頭束緊，牢牢的固定在插座上。這種插座傳導特性穩定，且沒有通電損失，安全系數高，性能穩定。

（3）工業工程。TiNi合金在工業上應用也非常廣泛，各式各樣的緊固件是TiNi記憶合金的典型應用。比如海底油田輸送油管等部件上的鉚釘、套筒等都是采用TiNi記憶合金制作的，在低溫下改變工件形狀，裝配成功后對其進行加熱，使其完成形狀記憶效應，將零件牢牢的緊固在一起。

機械手也是TiNi記憶合金在工業上較為典型的應用之一。TiNi記憶合金是一種良好的驅動元件，機械手的手指用TiNi記憶合金螺旋彈簧連接，通過對彈簧加熱來使其發生相變，彈簧就會伸長或收縮，借以實現機械手的彎曲以及其他動作。

（4）醫療。牙齒矯正絲是TiNi合金在醫療領域較為常見的一種應用，具有超彈性的TiNi合金絲是最適合做矯正絲的，相對于普通的不銹鋼矯正絲材以及CoCr合金矯正絲材，TiNi合金絲材具有低模量、彈性應變高的優點，即使絲材的彈性應變達到10%，也不會發生塑性變形，這樣的矯正絲工作穩定，而且矯形速度快，最大限度的減小了患者的不適感，醫療效果明顯。

在醫療領域，形狀記憶合金血管支架的應用也越來越廣泛，它對血管堵塞以及狹窄具有良好的治療效果。其原理如下：將TiNi合金自行膨脹血管支架壓縮變形后放入裝有生理鹽水容器內，使其保持馬氏體狀態，然后將容器一起植入血管內部，撤掉容器后，人體的體溫足夠使其發生馬氏體逆相變，形狀恢復到膨脹狀態，將堵塞或者狹窄的血管撐開，由于TiNi合金具有良好的生物相容性，所以不會引起人體的炎癥反應以及刺激癥狀。

5 結語

近些年來，TiNi系記憶合金的發展非常迅速，作為一種新型功能材料，TiNi系記憶合金擁有良好的形狀記憶效應、超彈性和抗腐蝕性能等諸多優點，很難被其他材料所取代，受到國內外學者的重視，在航空航天、日常生活、工業工程以及醫療等多個領域大放光彩。隨著國內外學者的不斷研究，TiNi系記憶合金的基礎理論會日趨成熟，開發力度也會加大，應用領域也會越加廣闊。

參考文獻

[1]Webster P.， Ziebeck K.， Town S.， Peak M. Magnetic order and phase transformation in Ni2MnGa[J].Philosophical Magazine B. 1984，49（3）：295310.

[2]Ullakko K.， Huang J， Kantner C.， OHandley R.， et al. Large magnetic field induced strains in Ni2MnGa single crystals[J].Applied Physics Letters. 1996，69（13）：19661968.

[3]楊杰，吳月華.形狀記憶合金及其應用[M].合肥：中國科學技術大學出版社，1993：13.

[4]賀志榮，周超，劉琳，吳佩澤，鄒啟明.形狀記憶合金及其應用[J].鑄造技術，2017，（02）：257.

[5]Alam S.Utilizing shape memory alloys to enhance the seismic performance of RC beamcolumn joints[D].The University of Western Ontario， 2008.

[6]趙維彪.鎳鈦形狀記憶合金的材料學特征與醫學應用[J].中國組織工程研究與臨床康復，2007，（22）：11.

[7]肖恩忠.形狀記憶合金的應用現狀與發展趨勢[J].工具技術，2005，（39）：12.

[8]周海峰.形狀記憶合金及其應用[J].機電設備，2002，（5）：3841.

[9]李國慶.形狀記憶合金的原理及工業應用[J].國外金屬熱處理，1995，17（6）：5961.

[10]唐衛勝.TiNi形狀記憶合金的特性及應用[J].鈦工業進展，2000，（6）：2531.

[11]秦桂紅，嚴彪，殷俊林.Ni-Ti基形狀記憶合金的研究與應用[J].熱處理，2004，19（4）：12，16.

[12]王梓涵.形狀記憶合金在醫療領域上的應用[J].當代化工研究，2017，（07）：92.