材料科学的重点议题:永不忘本的形状记忆合金

Brianne Christopher 2018年 5月 11日

形状记忆合金(shape memory alloy,简称 SMA)是有“记忆”的合金:它们受压力或温度变化而发生变形后,能够恢复到初始形状。SMA 有着广泛的应用,包括冶金、制造、生物医学以及儿童工艺品,其应用范围不断扩展到各个领域。

什么是形状记忆合金?

形状记忆合金是一种受到机械应力或温度变化时会发生相变的材料。SMA 会“记住”它的初始形状,并在条件恢复正常时恢复到原来的形状。

 

观看视频,了解神奇的形状记忆特性!

SMA 材料的两种晶体结构称为奥氏体 马氏体,前者是 SMA 在较高温度下的结构,后者则是在较低温度下的结构。奥氏体向马氏体的转变就是这种“记忆”特性的原因所在(反之亦然)。

形状记忆合金相变过程示意图。
SMA 中的基本相变过程。

SMA 的常用材料包括铜铝镍合金和镍钛合金,后者通常被称为镍钛诺,指的是其元素组成(ni 表示镍,ti 表示钛)以及它首次被发现的场所(nol 表示海军武器实验室,我们将在本篇博客文章稍后部分进行讨论)。

SMA 线圈照片。
镍钛合金(这是一种 SMA)制成的线圈。

如果在各种电子商务网站搜索“镍钛诺”,你会发现,不少商家都在售卖形状记忆合金丝和其他类型的记忆材料。

都是巧合:形状记忆合金的发现之旅

关于 SMA 材料特性的发现,还有一个故事。对这种材料的早期研究始于 20 世纪 30年代,当时科学家们研究了不同金属表现出的一些意想不到的特性。瑞典化学家 Arne Ölander 在观察金镉合金时发现了一种伪弹性现象,并对其进行了描述。然而,直到大约 30 年后的一次实验室事故,人们才真正开始使用“形状记忆合金”一词……

到了 20 世纪 50 年代末 60 年代初,美国海军武器实验室进行了冶金研究,如参考文献. 1所述。有一天,一位名叫 William J. Buehler 的科学家正在熔炼和铸造镍钛棒。在等待棒冷却时,他把一根冷却棒掉在了混凝土地板上,并听到了沉闷的撞击声。他觉得这很奇怪,随后又把一根还很热的镍钛棒也扔在地板上,这时他听到了像铃声一般清脆的声音。Buehler 担心铸造过程出了问题,于是他跑到饮水机旁,将这根热的镍钛棒放入凉水中进行冷却。然后又把这根刚冷却好的镍钛棒扔到地上,这时他又听到了沉闷的撞击声。

发现某些合金具有形状记忆特性的实例。
意外惊喜:把一根镍钛棒掉到地板上,从而发现了它独特的记忆特性。

这一效应后来在海军武器实验室的一次会议上得到证实。Buehler 的助手给众人分发了细细的镍钛合金条,细条已经被拉伸、弯曲和折叠,就像手风琴一样。当 David S. Muzzey 博士拿到合金条时,他拿出打火机对它加热,合金条很快展开并恢复到最初的细条形状。在认识到镍钛合金在不同温度条件下的特质和特性后,人们将这种材料称为镍钛诺,这是一种 SMA。

从近年和未来的发展趋势看,形状记忆材料已经不再局限于合金。人们已经开发出形状记忆聚合物和其他各种形式的形状记忆材料,并将它们用于不同的商业用途。

SMA 制造实现跨行业应用

SMA 独特的性能使其成为各行业制造产品和零部件极具吸引力的首选材料(参考文献. 2)。

航空航天

在航空航天工业中,SMA 用于开发轻量级、安静、高效的设计:这三个因素一直是飞行器设计的焦点。可变截面扇形喷嘴、减震器和致动器等部件都由 SMA 材料制成。这些装置在正常温度下为奥氏体,在因飞行器周围气流导致的温度变化或正常飞行过程中环境温度的变化而冷却时转变为马氏体(以及所需的形状)。

引起相变的温度变化可以由不同的方式产生,可以通过一个电子元件对 SMA 装置加热,也可以由飞机其他部件的过量空气导致。


飞行器研发中使用的形状记忆材料样本。图片由伦敦科学博物馆/科学与社会图库提供,在 CC BY-SA 2.0 许可下使用,通过 Wikimedia Commons 分享。

形状记忆材料的最新科技创新是机翼变形技术。SMA 被用于开发一种自适应性机翼,在飞行过程中可以弯曲和改变形状。

汽车

地面上的机动车也受益于 SMA,但其用途更多地体现在舒适性和易用性方面,而不是操作。比如,有些汽车带有 SMA 阀,用于座椅中的气囊,在一定的压力下,座椅上的腰托可以完美地贴合司机或乘客的腰部。

此外,SMA 还用于制造致动器,使汽车后备箱更容易关闭,以及制造阀来控制发动机中的噪声和振动(这是汽车工业中的一个重要性能指标),改善噪声、振动和声振粗糙度(noise, vibration, and harshness,简称 NVH)。

建筑

SMA 的另一个应用领域是建筑设计。举例来说,在SMA rods in concrete beams有助于对桥梁或建筑物施加预应力。从较小尺度上来说,形状记忆材料可用于在管道系统中增强管件的可靠性。

医学

将 SMA 应用于生物医学可以减少患者对医疗干预的需求。比如,医用支架可植入动脉,以微创方式改善心脏病患者的血液流动。微执行器和人造肌肉依靠 SMA 来制造机械假肢器官,帮助截肢患者更加自如地活动。

COMSOL 的生物医用支架模型。
心脏支架是一种微创心脏治疗方法,通常由 SMA 材料制成。(注:图片取自生物医用支架膨胀过程中的塑性变形教学案例,其中不包含 SMA,在这里纯粹是为了说明上面讨论的应用)。

从较小尺度上来说,SMA 也用于畸齿矫正,如牙套;还用于验光,比如眼镜。如果眼镜框是用形状记忆材料制造的,那么即使它发生弯曲变形也无需更换,你可以对镜框加热,使其恢复原来的形状。

SMA 的其他用途

近来,形状记忆材料已经应用于消费电子产品。比如,智能手机相机的自动对焦组件和某些移动天线就是用 SMA 制成的。

有些工艺品和玩具也使用了 SMA,“柔性手镯”就是一个例子,这种手镯由形状记忆材料制成,可以弯曲和扭转,然后很容易就能恢复原来的形状。(遗憾的是,Slinky® 玩具是用一种钢制成的,缠结之后无法恢复成紧密缠绕的线圈,这是各地儿童共同面临的一个问题。)

缺点和设计注意事项

在开发以 SMA 为原材料的设计或组件时,人们需要考虑一些因素和风险。SMA 的主要缺点是存在疲劳失效风险。特定 SMA 材料在弯曲变形后能大致恢复初始形状的次数是有限的(次数过多就可能会断裂)。

另一个缺点是,对于某些 SMA,相变的滞后时间相当长。如果你在网上搜索“形状记忆合金”视频,就会发现材料恢复到初始形状的速度可能很慢,并且无法预测。


滞后时间和疲劳等缺点会在 SMA 相变周期中引发问题。

从制造的角度来看,SMA 的生产成本可能很高,这限制了制造商和消费者对 SMA 的使用。不仅如此,由于这些材料大多依赖于温度产生变形,因此在不可控或不稳定温度条件下运行的设备中使用 SMA 存在一定的风险。以汽车应用中的 SMA 为例,它必须能够在汽车可能经受的所有温度条件下正常工作。

在 COMSOL Multiphysics® 中模拟形状记忆合金

由于 SMA 发生的相变非常复杂,因此它的结构很难描述。这种复杂性使建模工作变得非常困难。

从 COMSOL® 软件 5.3a 版开始,“非线性结构材料模块”包含两种最常见的 SMA 材料模型:Lagoudas 和 Souza-Auricchio。在仿真中使用这些材料模型,你可以定义 SMA 的奥氏体和马氏体属性以及相变属性。通过固体传热 和固体力学 接口之间的内置耦合,你还可以轻松地分析 SMA 中的传热。

形状记忆合金的单轴载荷教学案例演示了如何在 COMSOL Multiphysics® 软件中使用 SMA 材料模型。

在该教学案例中,镍钛诺圆筒受到轴向拉力作用,其中执行了三项独立的研究:

  1. 参数化扫描,显示不同定温下的伪弹性效应
  2. 指定位移扫描,显示伪弹性效应是一个部分卸载-部分加载的循环
  3. 形状记忆效应,在温度升高后表现出来

该模型表明 SMA 存在温度相关的应力极限。当轴向拉力达到应力极限时,材料结构从奥氏体转变为马氏体,也就是发生“正向”转变(变形)。

SMA 在不同温度下的应力应变一维绘图。
SMA 在不同温度下的应力和应变。

在轴向应力卸载过程中,材料会发生反向转变。这种“反向”转变发生在比正向转变应力极限低的应力水平,结果表现为材料恢复到原来的形状。

说明合金的形状记忆效应的一维绘图。
应力和应变曲线,阐释了合金中的形状记忆效应。

后续操作

单击下面的按钮,了解“结构力学模块”(COMSOL Multiphysics 的附加模块)中机械分析的专用特征和功能。

注:SMA 的 Lagoudas 和 Souza-Auricchio 材料模型也需要非线性结构材料模块(这是“结构力学模块”的附加模块)。

参考文献

  1. G.B. Kauffman and I. Mayo, “Chemistry and History: The Story of Nitinol: The Serendipitous Discovery of the Memory Metal and Its Applications,” Chem. Educator, 2(2), 1997.
  2. J.M. Jani et al., “A review of shape memory alloy research, applications and opportunities,” Materials and Design, 56, 2014.

Slinky 是 POOF-SLINKY, LLC. 的注册商标。


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