形狀記憶合金（SMA）是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經(jīng)塑性變形并固定成另一種形狀后，通過加熱到某一臨界溫度以上又可以恢復(fù)成初始形狀的一類合金。作為集感 知與驅(qū)動(dòng)一體的智能材料，形狀記憶合金的研究工作受到了來自學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的廣泛重視。形狀記憶合金的相關(guān)產(chǎn)品也已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如航空航天、機(jī)械、電 子、能源、交通以及建筑等，并取得了良好的效果。形狀記憶與超彈性鎳鈦（NiTi）合金是目前工程領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛的一類功能金屬材料，作為智能結(jié)構(gòu)的敏感元件和驅(qū)動(dòng)器等器件，其應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了機(jī)械、電子、汽車、航空航天、礦業(yè)、能源、土木工程、核工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。

1、研究進(jìn)展及研發(fā)機(jī)構(gòu)

1.1 研究進(jìn)展

國際上，NiTi形狀記憶合金的研究熱潮始于1963年，美國海軍軍械研究室的Buehler等人在NiTi合金中發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)。早期的研究集中在歐美等發(fā)達(dá)國家。我國從20世紀(jì)70 年代后期開始研究形狀記憶合金，自“七五”起便列入國家攻關(guān)計(jì)劃。經(jīng)過近幾十年的努力，NiTi形狀記憶合金的基礎(chǔ)理論研究與材料加工工藝與技術(shù)已獲得長(zhǎng)足發(fā)展，在工程應(yīng)用領(lǐng)域也取得了較大進(jìn)展。

近年來，NiTi形狀記憶合金的基礎(chǔ)理論與工程應(yīng)用取得許多新進(jìn)展。①鎳鈦合金多步相變行為研究新成果 ；②鎳鈦合金性能預(yù)測(cè)與調(diào)控新方法與理論 ；③新型NiTi基三元合金，寬滯后NiTiNb合金、高溫NiTiHf合金、窄滯后NiTiCu合金工程實(shí)際中的新應(yīng)用 ；④大量新穎結(jié)構(gòu)NiTi合金，例如NiTi合金薄膜薄帶、NiTi合金毛細(xì)管、塊狀納米晶NiTi合金等 ；⑤NiTi合金新的制備工藝，例如多孔結(jié)構(gòu)NiTi合金、NiTi合金粉末等。

1.2 主要研究機(jī)構(gòu)

國外從事形狀記憶合金研究的單位主要集中在美國、德國、日本等國家，如美國國家航空航天局（NASA）格倫研究中心、德國馬普金屬所、德國波鴻魯爾大學(xué)、日本筑波大學(xué)、日本國立材料科學(xué)研究所、比利時(shí)魯汶天主教大學(xué)、俄羅斯烏法國立航空技術(shù)大學(xué)等。國內(nèi)從事形狀記憶合金研究的單位主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、大連理工大學(xué)、北京有色金屬研究總院、北京科技大學(xué)等。表1總結(jié)了目前活躍在形狀記憶合金領(lǐng)域的國內(nèi)外主要研究機(jī)構(gòu)的基本情況。這些科研機(jī)構(gòu)對(duì)推進(jìn)我國記憶合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。

2、應(yīng)用情況及主要企業(yè)

2.1 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用

NiTi形狀記憶合金在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，如高耐腐蝕性，生物相容性，非磁性，可以復(fù)制人體組織和骨骼的獨(dú)特能力，以及可以在人體溫度下做出反應(yīng)和改變等。在復(fù)雜醫(yī)療和外科手術(shù)中，常需要精確可靠的微型儀器來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，為其進(jìn)一步應(yīng)用提供了巨大的優(yōu)勢(shì)及機(jī)會(huì)。形狀記憶合金的超彈性特性與人體骨骼和肌腱的應(yīng)力應(yīng)變特性 相適應(yīng)，使其成為一種良好的材料，用以解決支架手術(shù)中遇到的難題。形狀記憶合金的超彈性滯回特性可以在正常生理活動(dòng)中提供徑向阻力，并在恢復(fù)過程中對(duì)血管施加較小的外力，是支架應(yīng)用的理想選擇。自從1983年第一個(gè)形狀記憶合金支架制作成功，迄今已有顯著的發(fā)展，全球近一半的支架產(chǎn)品是由形狀記憶合金制造，并將其應(yīng)用擴(kuò)展到人體的其他部位。表2總結(jié)了NiTi記憶合金在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的主要應(yīng)用。

2.2 工程領(lǐng)域應(yīng)用

20世紀(jì)70年代初，美國Raychem公司研制了NiTiFe航空用液壓管路接頭和緊固件，并應(yīng)用于F14戰(zhàn)斗機(jī)，成為N i T i合金第一個(gè)成功的工業(yè)應(yīng)用案例。至今，在美國各種型號(hào)的飛機(jī)上已成功使用數(shù)百萬只，無一失效，現(xiàn)在美國軍方已規(guī)定記憶合金管接頭作為軍用液壓管路連接的唯一許用系統(tǒng)。之后，研究者根據(jù)NiTi記憶合金的特性發(fā)展了種類繁多的工程 應(yīng)用產(chǎn)品，應(yīng)用范圍涉及交通、土木建筑、航空航天、能源、機(jī)械、電子等眾多的領(lǐng)域。

NiTi基記憶合金構(gòu)件依據(jù)其工作原理可以分為3類 ：一類是利用其應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變及其逆相變所誘發(fā)的超彈性，用于建筑物的自復(fù)位裝置、恒彈力結(jié)構(gòu)和均載連接等場(chǎng)合 ；一類是基于其溫度誘發(fā)馬氏體相變及其逆相變所導(dǎo)致的形狀記憶效應(yīng)，在達(dá)到某一特定的溫度后，發(fā)生形狀回復(fù)并對(duì)外做功，制作各種驅(qū)動(dòng)器與緊固連接件等 ；最后一類是利用 NiTi基記憶合金高阻尼特性，用于土木結(jié)構(gòu)抵御自然災(zāi)害的阻尼器等。其中第2類應(yīng)用最為廣泛，應(yīng)用形式也最為多樣。表3總結(jié)了NiTi記憶合金在工程領(lǐng)域的主要應(yīng)用。

2.3 主要企業(yè)

隨著研究工作的深入，NiTi基形狀記憶合金的產(chǎn)品逐漸走向市場(chǎng)，應(yīng)用范圍涉及到航空、航天、機(jī)械、電子、化工、能源、建筑等工程、民用和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。形狀記憶合金主要企業(yè)有新日本制鐵、美國冶聯(lián)科技（ATI）、古河 電 器 工 業(yè) 株 式 會(huì) 所、美 國TiNiAerospace和美國TiNi Alloy這幾家公司。表4總結(jié)了全球NiTi形狀記憶合金主要公司的情況。

3、結(jié)語

NiTi合金作為綜合性能最好的形狀記憶與超彈性材料，長(zhǎng)期成為形狀記憶合金研究中的重中之重。從傳統(tǒng)的絲材、板材到新穎結(jié)構(gòu)的薄壁管、薄膜，從傳統(tǒng)的微米晶到通過大塑性變形獲得的納米晶和非晶態(tài)，從單純的NiTi二元合金到NiTi基三元和四元合金，NiTi合金的應(yīng)用探索仍在不斷深入。也許從事形狀記憶合金應(yīng)用研究的人員所面臨的最大挑戰(zhàn)不是發(fā)現(xiàn)新的合金，而是考慮如何全面地利用好現(xiàn)有合金。 《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》提出，支持工業(yè)設(shè)計(jì)中心建設(shè)，設(shè)立國家工業(yè)設(shè)計(jì)研究院。 《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出，聚焦提高產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新力，加快發(fā)展研發(fā)設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)等服務(wù)業(yè)。這為形狀記憶合金的應(yīng) 用發(fā)展創(chuàng)造了良好的政策環(huán)境。包括中國在內(nèi)的全球由形狀記憶與超彈性NiTi合金發(fā)展起來的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)正方興未艾。Global IndustryAnalysts,Inc報(bào)告顯示，2020—2027 年，全球形狀記憶合金市場(chǎng)規(guī)模將從144億美元增加到 310億美元，年均增長(zhǎng)11.6%。其中，NiTi合金市場(chǎng)規(guī)模從73億美元增加到171億美元，年均增長(zhǎng)12.9%；銅基合金市場(chǎng)規(guī)模從52億美元增加到112億美元，年均增長(zhǎng) 11.6%；Fe基合金市場(chǎng)規(guī)模從 19億美元增加到 36億美元，年均增長(zhǎng)9.4%。分區(qū)域看，2020—2027年，中國、日本、加拿大、德國市場(chǎng)年均增長(zhǎng)率分別達(dá)到 11.1%、10.4%、9.7%和8.3%，其中，中國市場(chǎng)規(guī)模將從26億美元增加到54億美元。

相關(guān)鏈接