形状记忆材料应用

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形状记忆合金由于具有许多优异的 性能，因而广泛应用于航空航天、机械 电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业

及日常生活等多个领域。 (1)工程应用 形状记忆合金在工程上的应用很多，最早 的应用就是作各种结构件，如紧固件、连接件、 密封垫等。另外，也可以用于一些控制元件， 如一些与温度有关的传感及自动控制。 形状记忆合金 一面世，就为航空工业立了一 功。如美国F-14战斗机平均每架要用800个形 状记忆合金接头。自1970年以来美国海军飞 机使用了几十万个这样的管接头，没出现过一 次失败的记录。用形状记忆合金做管接头的办 法：先在转变温度以上，把镍钛合金管接头按 密封要求尺寸进行加工，使它的内径比所要连 接管子的外径小4%;然后在液氮低温下将管 接头直径扩大，使它的内径比所要连接管子的 外径稍大点(大4%),并把两根要连接的管 子从

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两端对准插入接头；最后，当管子处于工作状态，温度回升到转变温 度以上，镍钛合金发挥形状记忆效应，管接头自动收缩，管径变细， 回复第一次加工的尺寸，它就把两根管子紧紧地连在一起。 还可用于制造探索宇宙奥秘的月球天线，人们利用形状记忆合金 在高温环境下制做好天线，再在低温下把它压缩成一个小铁球，使它 的体积缩小到原来的千分之一，这样很容易运上月球，太阳的强烈的 辐射使它恢复原来的形状，按照需求向地球发回宝贵的宇宙信息。另 外，在卫星中使用一种可打开容器的形状记忆释放装置，该容器用于 保护灵敏的锗探测器免受装配和发射期间的污染。

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用形状记忆合金作紧固件、连接件的优点是： 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，如严禁明火的管道连接、 焊接工艺难以进行的海底输油管道修补等。 ③金属与塑料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。 把形状记忆合金制成的弹簧与普通弹簧安装， 可以制成自控元件，在高温(Af以上温度)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。

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1970 年美国用形状记忆合金制作 F-14 战斗上的低温配合连接器，随后有 数以百万以上的连件的应用。形状记忆合金作为低温配合连接在飞机的液压 系统中及体积较小的石油、石化、电工业产品

中应用。另一种连接件的形状 是焊接的网状金属丝，用于制造导体的金属丝编织层的安全接头。这种接件 已经用于密封装置、电气连接装置、电子工程机械装置，并能在-65~300℃可 靠地工作。已开出的密封系统装置可在严酷的环境中用作电气件连接。 将形状记忆合金制作成一个可打开和关闭快门的弹簧，用于保护雾灯免 于飞行碎片的击坏。用于制造精密仪器或精密车床，一旦由于震动、碰撞等 原因变形，只需加热即可排除故障。在机械制造过程中，各种冲压和机械操 作常需将零件从一台机器转移到另一台机器上，现在利用形状记忆合金开发 了一种取代手动或液压夹具，这种装置叫驱动汽缸，它具有效率高灵活，装 夹力大等特点。 1973年，美国试制成第一台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。尽管这种热机只产生了0.5w的功率(1983年功率已达20w),但 发展前景十分诱人，可以利用这种装置实现利用海水温差发电的梦想。

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(2) 医学应用 利用Ti-Ni合金与生物体良好的相容性，可制造医学上的凝血过滤 器、脊椎矫正棒、骨折固定板等。

(a)牙齿矫形丝 用超弹性 TiNi 合金丝和不锈钢丝做的牙齿矫正丝，其中用超弹 性 TiNi 合金丝是最适宜的。通常牙齿矫形用不锈钢丝 CoCr 合金丝， 但这些材料有弹性模量高，弹性应变小的缺点。为了给出适宜的矫正 力，在矫正前就要加工成弓形，而且结扎固定要求熟练。如果用 TiNi 合金作牙齿矫形丝，即使应变高达10%也不会产生塑性变形，而 且应力诱发马氏体相变(stress-induced martensite)使弹性模量呈现 非线型特性，即应变增大时矫正力波动很少。这种材料不仅操作简单，

疗效好，也可减轻患者不适感。。

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(b) 脊柱侧弯矫形 各种脊柱侧弯症(先天性、习惯性、神经性、佝偻病性、特 发性等)疾病，不仅身心受到严重损伤，而且内脏也受到压迫， 所以有必要进行外科手术矫形。目前这种手术采用不锈钢制哈伦 敦棒矫形，在手术中安放矫形棒时，要求固定后脊柱受到的矫正 力保持在30~40kg以下，一但受力过大，矫形棒就会破坏，结果 不仅是脊柱，而且连神经也有受损伤的危险。同时存 在矫形棒安放后矫正力会随时间变化，大约矫正 力降到初始时的30%时，就需要再进行手术调整 矫正力，这样给患者在精神和肉体上都造成极 大痛苦。采用形状记忆合金制作的哈伦顿棒， 只需要进行一次安放矫形棒固定。如果矫形棒的 矫正力有变化，以通过体外加热形状记忆合金， 把温度升高到比体温约高5℃,就

能恢复足够的 矫正力。

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形状记忆合金材料还能代替石膏夹板(如下左图所示) 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。用形状记忆合 金制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。给患者带来了福音。随着形状记忆的发展，医学应用将会更加广泛。

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(3)日常生活应用 (a) 防烫伤阀 在家庭生活中，已开发的形状记忆阀 可用来防止洗涤槽中、浴盆和浴室的热水意外烫伤；这些阀 门也可用于旅馆和其他适宜的地方。如果水龙头流出的水温 达到可能烫伤人的温度(大约 48℃)时，形状记忆合金驱动阀门 关闭，直到水温降到安全温度，阀门才重新打开。 (b) 眼镜框架 在眼镜框架的鼻梁和耳部装配 TiNi 合金可使人感到舒适并抗磨损， 由于 TiNi 合金所具有的柔韧性已使它们广泛用于改变眼镜时尚界。用超 弹性 TiNi 合金丝做眼镜框架，即使镜片热膨胀，该形状记忆合金丝也能 靠超弹性的恒定力夹牢镜片。这些超弹性合金制造的眼镜框架的变形能力很 大，而普通的眼镜框则不能做到。 (c) 移动电话天线和火灾检查阀门 使用超弹性TiNi金属丝做蜂窝状电话天线是形状记忆合金的另一个应 用。过去使用不锈钢天线，由于弯曲常常出现损坏问题。使用TiNi形状记忆 合金丝移动电话天线，具有高抗破坏性受到人们普遍欢迎。因此常用来制作 蜂窝状电话天线和火灾检查阀门。火灾中，当局部地方升温时阀门会自动关 闭，防止了危险气体进入。这种特殊结构设计的优点是，它具有检查阀门的 操作，然后又能复位到安全状态；这种火灾检查阀门在半导体制造业中得到 使用，在半导体制造的扩散过程中使用了有毒的气体；这种火灾检查阀也可 在化学和石油工厂应用。

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近年来，日本研制出一种形状记忆塑料——苯 乙烯和丁二烯聚合物。当加热至60℃时，丁二烯部 分开始软化，而苯乙烯仍保持坚硬，以此来保 持形状记忆功能。现状记忆塑料制成的连接器 加热变软，连接两段管子，冷却后变硬恢复原有直 径，这种连接器可产生很高的结合度，可以在家庭内使用。 日本几家汽车甚至设想把形状记忆塑料制成汽车的保险杠和易 撞伤部位，一旦汽车撞瘪，只要稍加热(如用电吹风),就会 恢复原形。 总之，聚合物形状记忆材料具有广阔的应用前景。

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形状记忆材料是 一种集感知和驱动双 重功能为一体的新型 材料。 你还能想到能用 形状记忆材料来做什 么有益于人们的生产 和生活吗？

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试想一下，酷暑难当，挥汗如雨之

际，如果你的衬衣居然善解人 意地自动把袖子卷起来让你凉快一下，是不是一件很酷的事？意大利 一家公司新近就用形状记忆合金纤维造出了一件这样的衬衫。据报道， 这种衬衣使用镍钛记忆合金纤维和尼龙混织而成，比例为五根尼龙丝 配一根镍钛合金丝。在周围温度升高时，这件衬衣的袖子会立即自动 卷起。据称，这衬衣还不怕起皱，即使揉成乱糟糟的一团，用电吹风 吹一下，马上就能复原，甚至人的体温也可以自动把它“烫平”。此 外，它还可水洗，不易引起皮肤过敏。但由于含有合金纤维，衣服不 可避免地带着一些金属特有的灰色。鉴于这件衬衣样品的制作成本高 达2500英镑，爱好追逐时尚的消费者在短期内不太可能在服装店里见 到它。

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用它做成“金属食道支架”,能在患者喉部膨胀成新 的食道，必要时只要想食道里加冰块，食道又会遇冷收缩， 从而课轻易取出。 在工程和建筑领域用 TiNi 形状记忆合金作为隔音材 料及探测地震损害控制的潜力已显示出来。已试验了桥梁 和建筑物中的应用，因此作为隔音材料及探测损害控制的 应用已成为一个新的应用领域。 随着薄膜形状记忆合金材料的出现和开发利用，形状 记忆合金在智能材料系统中受到高度重视，应用前景更广 阔。

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高科技应用展望： 20世纪是机电学的时代。传感——集 成电路——驱动是最典型的机械电子控制 系统，但复杂而庞大。形状记忆材料兼有 传感和驱动的双重功能，可以实现控制系 统的微型化和智能化，如全息机器人、毫 米级超微型机械手等。21世纪将成为材料 电子学的时代。形状记忆合金的机器人的 动作除温度外不受任何环境条件的影响， 可望在反应堆、加速器、太空实验室等高 技术领域大显身手。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5m61.html