科普大赛 | 能“记住”你的合金

学术   2024-10-18 09:00   吉林  

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图1 形状记忆合金(中国科学院金属研究所科普网站)用作封面图



摘要:形状记忆合金作为一种新型的功能材料,因其独特的形状记忆效应、超弹性以及优异的力学性能而备受关注。自其发现以来,形状记忆合金已在航空航天、生物医学、汽车工程、能源和智能材料等多个领域展现出广泛的应用前景。本文旨在概述形状记忆合金的记忆原理,形变机制,分析现有问题并展望了未来的发展。


关键词:金属功能材料;形状记忆合金;形变机制;技术现状




1 引言

形状记忆合金(Shape Memory Alloys, SMAs)是一种具有独特性质的金属材料,其能够在经历一定的形变后,通过加热或其他方式恢复到原状[1]。SMAs的微观结构主要由两种相组成:马氏体相和奥氏体相。在高温状态下,记忆合金呈现奥氏体相。奥氏体是一种具有面心立方(FCC)晶体结构的相,通常具有较高的韧性和延展性。当记忆合金受到外部刺激(如温度、应力等)时,会触发从奥氏体结构到马氏体结构的相变。这种相变通常伴随着形状的改变,因为马氏体相通常具有与奥氏体相不同的晶体结构和体积。马氏体相是一种具有体心四方(BCC)或六方(HCP)晶体结构的相,通常表现出较高的硬度和较低的韧性。这种相变使得记忆合金能够在外部刺激下改变形状。当外部刺激消失后,记忆合金会经历一个从马氏体结构恢复到奥氏体结构的过程。这种恢复过程通常伴随着形状的恢复,使得记忆合金能够回到其原始形状。

图2 马氏体与奥氏体结构晶体结构(http://www.cmiw.cn/thread-1014964-1-1.html)


记忆合金的微观相变机制主要基于热弹性马氏体相变。这种相变是一种在温度和应力作用下发生的可逆转变,即低温相(马氏体)在加热时向高温相(奥氏体)进行可逆转变。这种转变伴随着合金形状的改变并被记忆合金“记住”,温度改变也可以恢复到原始形状,这种恢复过程可逆,并且可以在多次循环中重复进行。


这种相变使得记忆合金具有独特的形状记忆效应和其他特殊功能,随着智能材料和智能机构研究的兴起,形状记忆合金的应用领域将进一步扩大,从而在航空航天、医疗器械、机械电器等领域具有广泛的应用前景。目前得到应用的有钛基、铜基和铁基形状记忆合金,其中镍钛形状记忆合金因其优异的性能而备受关注。形状记忆合金的研究仍在不断深入,新的合金体系和新的应用领域仍在不断被探索和开发。

图3 可控制形状记忆合金(SMAs)的柔性夹具[2]



2 发展历程

首先,关于形状记忆合金的最早发现,确实可以追溯到1932年。美国的Greninger和Mooradian在Cu-Zn合金中观察到了马氏体(Martensite)的热弹性转变。马氏体是一种金属或合金中的亚稳态相,其晶体结构会随着温度或应力的变化而发生可逆的相变。这一发现为形状记忆合金的研究奠定了基础。随后,前苏联的Kurdiumov和美国的Chang、Read等人对这一现象进行了更深入的研究。他们在Au-Cd合金中观察到了更为明显的形状记忆效应。这一效应表现为合金在受到塑性变形后,在加热到一定温度时能够恢复其原始形状。然而,这些发现并未立即引起广泛的关注,直到Ti-Ni合金(Nitinol)的发现和其优良的形状记忆功能被证实。1963年,美国海军武器实验室的Buehler等人成功研制出Nitinol合金,这标志着形状记忆合金的研究进入了一个新时代。随后,形状记忆合金开始被应用于各种领域,航空航天领域,形状记忆合金被用于制造智能结构、自适应机翼等部件,如F14战斗机上的管接头、宇宙飞船用天线等。在生物医学领域,它们被用于制造牙齿矫正器、血管支架等医疗器械。此外,形状记忆合金还在智能传感器、驱动器等领域展现出广泛的应用潜力。1970年随着研究的深入,多种新型的形状记忆合金被开发出来,如Cu-Al-Ni基、Cu-Zn-Al基和Fe-Mn-Si基等。随着科技的不断进步和应用领域的不断拓展,形状记忆合金将在未来发挥更加重要的作用。




发展前景

SMAs 作为一种新材料,应用前景十分广阔。但目前的研究不够全面和深入,如镍钛合金(Ni-Ti SMAs),其功能在很大程度上依赖于马氏体相变[3]。在需要快速响应的应用中,SMAs可能会因为迟滞性而无法及时完成相变并产生所需的形状变化、SMAs本身有损伤和裂纹等缺陷、需要高精确度的模型来准确的地模拟出材料行为、SMAs的生物相容性和细胞毒性还需要进一步的研究[4]、加工和制备工艺也需要提高,因此,本文将在几个方面进行展望:


①技术改进,随着科学技术的不断进步,SMAs的生产工艺正在逐步改善,制造成本大幅降低,产品质量得到提高。Niedbalski团队[5]如在这项工作中采用的选择性激光熔化(SLM)显示出能够产生高密度的Cu-Al-Ni SMA。


②应用领域拓展,形状记忆合金已经在医疗、航空航天、汽车等领域有了广泛的应用。随着对形状记忆合金性能的深入研究,其在软体机器人、生物医疗、智能材料等领域的应用可能会得到进一步拓展。Muralidharan团队[6]制造了一种由形状记忆合金(SMA)驱动的新型柔性聚酰亚胺软水母机器人,并模仿了水母的脉冲和恢复过程。


③新型合金开发,目前已经发现具有形状记忆效应的合金有50多种,但还有更多的可能性等待开发。通过组合不同的金属元素,可以创造出具有不同性能的新型形状记忆合金,以满足不同领域的需求。磁性形状记忆合金(MSMA),它是一种结合了形状记忆效应和磁致伸缩效应的新型金属功能材料。Álvarez-Alonso团队[7]制造了具有 Heusler 结构的 Ga 掺杂 NiMnIn -MSMA 马氏体相变 (MT) 和磁热 (MC) 响应的可逆性,不仅具有形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性,还具有磁致伸缩材料的磁场响应性能。


④智能化发展,随着智能材料的兴起,形状记忆合金的智能化发展也成为可能。例如,通过集成传感器、执行器等智能元件,可以实现形状记忆合金对外部环境的感知和响应,从而使其具有更高级的功能和更广泛的应用。Pradeep Kumar团队[8]研究了铁磁性形状记忆合金集成的高柔性表面声波延迟线磁传感器,是一种基于FSMA材料特性的新型磁场传感器。


⑤环保与可持续性,在环保和可持续性成为全球关注焦点的背景下,形状记忆合金的环保和可持续性也将成为其发展的重要方向。通过优化生产工艺、降低能耗、提高材料利用率等方式,可以减少形状记忆合金对环境的影响,并推动其可持续发展。M Muniraju 团队[9]利用生物电介质、采用干式或近干式 EDM 工艺以及掺入导电粉末是减轻 EDM 操作中环境危害、提高效率和提高表面质量的有效策略。他们还强调了可持续且环保的 EDM 方法在镍钛诺 SMA 加工中未来应用的巨大潜力

图4 合金蝴蝶和18K金天鹅




结论

SMAs是一种新型的功能材料,本文概述了SMAs的记忆原理,形变机制,国内外发展以及分析现有发展问题并提出了解决方法。为了克服这些问题,研究者们正在不断探索新的制备工艺、改进材料性能以及优化机构模型等方面的研究。同时,随着科技的进步和跨学科研究的深入,相信未来SMAs在各个领域的应用将会更加广泛和深入,让SMAs不止出现在科研领域,使其普惠大众。





参考文献

[1]魏铖. 超弹性NiTi形状记忆合金马氏体相变的相场法研究[D]. 华南理工大学, 2020.

[2]Wang, Wei, Yunxi Tang, and Cong Li. Controlling bending
deformation of a shape memory alloy-based soft planar gripper to gripdeformable objects[J].International Journal of Mechanical Sciences, 2021, 193:106181.

[3]刘闪. NiTi形状记忆合金形变热处理与电脉冲微观组织调控及超弹性研究[D]. 山东大学, 2022.

[4]聂永胜,张镭,闫鹏伟,等. 镍钛形状记忆合金内固定器械标准的发展现状 [J]. 医疗装备, 2024, 37 (03): 22-26.

[5]Stefan Niedbalski,Alicia Durán,Magdalena Walczak,A Jorge,Ramos-GrezS. Laser-Assisted Synthesis of Cu-Al-Ni ShapeMemory Alloys: Effect of Inert Gas Pressure and Ni Content[J].Materials, 2019,12(5):794.

[6]Muralidharan M, Saini Parvesh, Ameta Preshit, Palani I. A.Bio-inspired soft jellyfish robot: a novel polyimide-based structure actuated by shape memory alloy[J].International journal of intelligent robotics and applications, 2023,7(4):671–682.

[7]P. Álvarez-Alonso, J.P.Camarillo-García, D.Salazar,J.López-García, C. Echevarria-Bonet, P. Lázpita, K. Padrón-Alemán, J.L. Sánchez Llamazares, H. Flores-Zúñiga, V. Chernenko. "Investigating the reversible nature of the magnetocaloric effect under cyclic conditions of the Ni50Mn34In15Ga1 magnetic shape memory alloy." Journal of Alloys and
Compounds 2024, 993(25): 174576.

[8]Pradeep Kumar, Jitendra Singh, Davinder Kaur.Ferromagnetic shape memory alloy integrated highly flexible SAW delay line magnetic sensor[J]. IEEE Sensors Journal, 2023,24(13): 2664 - 2670.

[9]Muniraju M, Talla G. Exploring sustainable machining processes for nitinol shape memory alloy: a review of eco-friendly EDM and other techniques[J].Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and
Engineering, 2024, 46(85):2-49.




审稿人意见

文章主要介绍了形状记忆合金(SMAs)的发展历程、应用领域以及面临的挑战,强调了其在航空航天、生物医学等领域的广泛应用,并指出未来研究将集中在材料优化、新合金开发、智能化和可持续性等方面,以拓展其更多潜在用途。然而该论文依然存在一些进步空间,论文应该在修改后发表。
1.论文内容太过于浅显,欠缺科学性。建议增加在描述材料科学原理时,可以更深入地探讨形状记忆合金的微观结构和相变机制。可以解释不同合金系统的特点和性能差异,以及这些差异对应用的影响。
2.文字过于生硬,不够流畅自然。需要大篇幅进行改善。
3.发展前景和研究方向的内容太过于泛泛而谈,需要更加深入细化。



作者:暴雪

作者单位:西北师范大学

作者邮箱:245117229@qq.com

推荐人:莫尊理

指导老师:莫尊理
审稿人:洪标

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