形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)

浏览量:151 点赞:406 收藏:260 2020-07-09

形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)(一)
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

一、形状记忆合金特点
形状记忆材料是指具有一定初始形状的材料,经形变并固定成另一种形状后,利用加热、照光、通电等物理刺激或化学刺激的处理,又可恢复成初始形状的材料,包括合金、複合材料及有机高分子材料等。1932年,瑞典人奥兰德(A. Ölander)在金镉合金中首次观察到“记忆”效应,即合金的形状被改变之后,一旦加热到一定的温度时,它又可以变回到原来的形状,人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)。记忆合金的开发时间不长,但由于其在各领域的特效应用,正广为世人所瞩目,被誉为“神奇的功能材料”。

形状记忆合金特徵可概述为,材料在某一温度下受外力而变形,当外力去除后,仍保持其变形后的形状,但当温度上升到某数值,材料会自动恢复到变形前原有的形状,似乎对以前的形状保持记忆。合金材料恢复形状所需的刺激源通常为热源,故称热致形状记忆合金。一个比较典型的例子是1969年阿波罗-11号登月舱所使用的无线通讯天线,该天线即用形状记忆合金製造。首先将Ni-Ti合金丝加热到65 ℃,使其转变为奥氏体相(austenite)(图一-a),然后将合金丝冷却到65 ℃以下,合金丝转变为马氏体相(martensite) (图一-b)。在室温下将马氏体相合金丝切成许多小段,再把这些合金丝弯成天线形状,并将各小段合金丝焊接固定成工作状态(图二-a),将天线压成小团状,体积减小到原来十分之一(图二-b),便于升空携带。太空舱登月后,利用太阳能加热到77 ℃,合金转变成奥氏体相,团状压缩天线便自动装开,恢复到压缩前的工作状态(图二-c)。

形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)

形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)

不同材料有不同的记忆特点,一般可分为三类。
一次记忆 材料加热恢复原形状后,再改变温度,物体不再改变形状,此为一次记忆能力(图三-a)。
可逆记忆 物体不但能记忆高温的形状,而且能记忆低温的形状,当温度在高低温之间反复变化时,物体的形状也自动反覆在两种形状间变化(图三-b)。全方位记忆 除具有可逆记忆特点外,当温度比较低时,物体的形状向与高温形状相反的方向变化,一般加热时的回复力比冷却时回复力大很多(图三-c)。

形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)

二、 形状记忆效应机制
SMA的形状记忆效应源于某些特殊结构合金,在特定温度下,发生的马氏体相-奥氏体相组织结构相互转换。热金属降温过程中,面心立方结构的奥氏体相逐渐转变成体心立方或体心四方结构的马氏体相,这种马氏体一旦形成,就会随着温度下降而继续生长,如果温度上升它又会减少,以完全相反的过程消失。马氏体相变是一种无扩散相变或体位移型相孪。严格地说,体位栘型相变只有在原子位移以切变方式进行,两相间以宏观弹性形变维持介面的连续与共格;其畸变能足以改变相变动力学和相变产物形貌的才是马氏体相变。

在形状记忆合金中,马氏体相远比母相软得多(这与钢恰好相反),在受到外力作用时,能够很容易的通过马氏体相内部的双晶面的移动或马氏体相之间的移动而改变形状,经过加热而回复到原来的母相时,这种形状的改变会全部消失。

微观方面,由图4可见,当形状记忆合金从高温母相奥氏体(a)冷却至马氏体相变温度TMs之后,转变成含有孪晶的低温马氏体相晶体-孪晶马氏体(b),这种马氏体与钢中淬火的马氏体不一样,通常它比母相还要软,称之为热弹性马氏体,在这种状态下,受到外力作用时,适合于变形的孪晶部分将不适合于变形的孪晶部分侵蚀掉。成为一有利于取向的有序马氏体-变形马氏体(c)。将变形马氏体加热至逆转温度TAs以上外TAf,晶体恢复到原来单一取向的奥氏体母相。

上述相变温度可以通过改变合金成分做适当调节。例如钛镍合金中镍的含量提高到50 %(原子)以上,可以使发生形状记忆的温度降低到摄氏零下几十度的低温。

如果直接对母相施加应力,也可由母相奥氏体(a)直接形成变形马氏体(c),这一过程称为应力诱发马氏体相变。应力去除后,变形马氏体又变回该温度下的稳定母相,恢复母相原来形状,应变消失,这种现象称为超弹性或伪弹性。超弹性发生于滑移变形临界应力较高时。此时,在TAs温度以上,外应力只要高于诱发马氏体相变的临界应力,就可以产生应力诱发马氏体,去除外力,马氏体立即转变为母相,变形消失。超弹性合金的弹性变形量可达百分之几到20 %,且应力与应变是非线性的。

既然形状记忆是一种由晶体相变所产生的马氏体相,因加热而逆转变为原来的奥氏体相时发生的现象,为什幺同样发生马氏体相变的一般钢材不能记忆自己的形状呢?

SMA是以两相自由能之差作为相变驱动力的,图4所示,两相自由能相等的温度TC称为平衡温度,只有当温度低于平衡温度TC时才会产生、马氏体相变,反之,只有当温度高于平衡温度TC时才会发生逆相变;钢的TAs和TMs之间的温度差(称为相变温度滞后)高达数百度,即必须过热或冷却到足以积蓄很大的亥姆霍兹自由能差(称为相变驱动力)才能发生马氏体相的转变;而Au-Cd合金和Ti-Ni合金相变温度滞后仅有10~30 ℃,也就是说只要有极小的相变驱动力就可以发生相变。因此,把后面这种类型的相变叫做热弹性型马氏相变,以示与前者的区别。

形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)

显示形状记忆效应的合金都仅限于热弹性型相变的範围之内,而且其中绝大部分温度的奥氏体相是有序晶体结构,马氏体相则呈对称性的单斜和三斜晶体结构。也就是说,由于马氏体相对称性差且相介面容易移动,所以也容易使移动路径掉转方向回走,因而也只有这种在高温下发生向有序晶格逆转变的合金才能显示形状记忆效应。

根据其转变机理,SMA应具备以下三个条件:(1)马氏体相变是热弹性类型的;(2)马氏体相变通过孪生(切变)完成,而不是通过滑移产生;(3)母相和马氏体相均属有序结构。

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