板材加工

什么是形状记忆合金？特性和应用指南

12 月 25, 2024

SMA 是形状记忆合金的缩写，是一种可以记忆形状并随热量变化的智能材料。作者的这篇文章将向读者介绍什么是 SMA、SMA 的工作原理、一些常见材料（如镍钛诺）以及在航空航天领域的应用、机器人在这些领域中的研究方向、挑战和正在进行的研究。

形状记忆合金的魔力：记忆形状的材料

SMA 或形状记忆合金是一种特殊的金属，可随温度变化而改变形状。SMA 中的原子往往排列成两种不同的晶体结构。

原子结构

马氏体金刚石由非常微小的原子组成，这些原子以称为晶体结构的模式排列在一起。在某一温度下，原子喜欢紧密结合在一起，形成一种称为马氏体的挤压结构。在较高的温度下，它们会分散开来，形成一种叫做奥氏体的开放结构。能够在这些原子排列之间切换是 SMA 具有特殊形状记忆合金的原因。

加热改变形状

如果 SMA 在马氏体结构中被弯曲变形，它会记住新的形状。但当加热到某一点以上时，它就会转变为奥氏体结构，并弹回原来未弯曲的形状。这就是所谓的形状记忆效应。例如，SMA 金属丝可以弯曲，但用热水加热后又会变直。

被弯曲的形状困住

某些马氏体金刚石还表现出另一种冷效应，称为超弹性或假弹性。如果它们在冷态下弯曲超过一点，其原子会突然转向马氏体结构，以适应新的形状而不会断裂。但当不弯曲时，它们又会顺利变回奥氏体，无需加热。这就好比金属被卡在弯曲形状记忆合金中，直到松开为止。

镍钛诺如何帮助人体

镍钛诺是一种独特的 3D 打印金属的形状记忆合金。医生在人体中使用镍钛诺，是因为它具有一种被称为金属形状记忆合金的记忆功能。它有助于解决问题和提供药物。

打开动脉狭窄部位

有时，脂肪沉积物会在动脉内堆积，阻碍血液流动，这就是所谓的堵塞。医生会插入称为支架的细小网管，推开堵塞的动脉。支架由镍钛诺制成。它们被挤压得很小，用一根叫做导管的细软管放入动脉。植入后，支架会被体温加热并弹开，恢复到未堵塞的形状，从而保持动脉血流畅通。

关节置换缓解疼痛

另一种应用是用镍钛诺替代已磨损的关节部位，如膝关节或髋关节。镍钛诺植入物是弯曲的，因此可以像真正的骨头一样活动。镍钛诺假体具有弯曲性，因此可以像真正的骨头一样活动。在手术过程中，假体的形状与身体相适应，然后记住这种形状。这有助于植入物长期使用而不会磨损。

按时用药

医生们正在用镍钛诺制造微型容器，用于在体内携带药物。药物被储存在里面，直到需要释放剂量时才会释放。这些容器被设计成在人体某个部位的特定温度下打开。这有助于在正确的时间释放正确的药量，而无需动手术更换容器。镍钛诺的形状记忆合金可以精确定时帮助治疗疾病。

可改变形状的镍钛诺翼

工程师们在飞机机翼和部件中使用镍钛诺，因为它可以自行改变形状。镍钛诺可以 "记住 "两种形状--直的和弯曲的。这有助于飞机在不同天气下更好地飞行。

适应风的翅膀

航空工程师正在用镍钛诺制造特殊的飞机机翼。这些机翼可以在飞行过程中调整其形状记忆合金，这要归功于内部微小的镍钛诺丝。当风向不稳定时，这些金属丝会因为与空气的摩擦而发热。然后，镍钛诺 "知道 "将机翼弯曲一些。这样，机翼的形状就会保持恰到好处，使空气在机翼上顺畅流动。即使在暴风雨中，飞机也能平稳飞行。

自行移动的机翼襟翼

普通飞机上的襟翼是由人或马达驱动的。但镍钛诺襟翼可以自行改变角度！工程师们用镍钛诺制造襟翼。在飞机起飞和着陆时，襟翼需要向下倾斜，以帮助飞机减速或加速。襟翼中的镍钛诺丝能感知飞行快慢带来的温度变化。它们会自动将襟翼向下拉到合适的位置，而不需要任何电机。这样可以节省燃料，提高飞行效率。

从喷嘴到支架 - 可改变形状的部件

飞机和火箭上的许多小型驱动部件都使用镍钛诺材料。例如，火箭发动机喷嘴可以根据不同的速度改变出口面积。镍钛诺铰链可使可移动支架在不使用螺钉的情况下锁定到位。通过其形状记忆合金，镍钛诺有助于航天在需要时，组件会立即改变形状，使飞行更安全、更平稳。

利用形状记忆移动的机器人

工程师们利用形状记忆合金或 SMA 使机器人在没有电池或电线的情况下自行移动。SMA 能 "记住 "两种形状，并能根据温度变化在两种形状之间切换。这种特殊性能使它们能够像机器人系统的肌肉一样运动。

SMA 执行器为机器人运动提供动力

许多机器人使用 SMA 线或带作为独立的执行器。当施加电压或热水时，SMA 会 "记住 "弯曲或拉伸。通过这种运动，机器人关节可以摆动，抓手可以打开和关闭，等等。例如，一个机器人的每根手指都装有 SMA 执行器，可以将手指卷曲到抓取位置。水下或太空中的遥控机器人也可以在没有电子设备的情况下使用 SMA 执行器。

设计更逼真的 "软 "机器人

有了 SMA，机器人就能拥有类似动物或人类的更加灵活、轻巧的身体。工程师们在制造 "软 "机器人时，将硅涂层 SMA 线嵌入柔性管或片中。加热时，SMA 会局部收缩，从而在没有刚性部件的情况下启动复杂的运动，如蠕动、弯曲或抓取。有朝一日，这些软机器人可能会通过在异常环境中导航来帮助执行救援任务或医疗程序。

SMA 的形状记忆合金效应使其能够驱动栩栩如生的机器人运动。这为陆地、海洋、空中、太空甚至人体内部的自动化开辟了新的可能性。

利用形状记忆确保建筑安全

土木工程师在结构上使用形状记忆合金，以帮助抵御地震、监测基础设施磨损等。形状记忆合金能 "记住 "自己的形状，并随热变化，这对建筑工程大有裨益。

缓冲地震的阻尼器

SMA 有助于建筑物的防震。工程师在建筑物的地板和地基之间安装由 SMA 驱动的阻尼器。在地震发生时，地板和地基会以不同的频率振动。通常情况下，这种振动会随着时间的推移而造成损坏。但 SMA 阻尼器可以检测振动。它们会收缩，以吸收和消散震动产生的能量。这样就能在不增加额外动力的情况下，使结构免受地震应变的影响。

检查金属疲劳

SMA 线卷可以评估桥梁、隧道和其他基础设施的疲劳状况。放置在关键金属位置的线圈会在多次负载循环中缓慢收缩。工程师会定期检查线圈。如果线圈的收缩超过预期，就会向附近的设备发出信号金属板制造重复加载的应力可能会比计划的时间更早减弱。这就需要在故障发生前进行更仔细的检查。

感知灾后变形

地震或洪水发生后，放置在道路和建筑裂缝中的 SMA 包裹传感器可让当局远程跟踪裂缝的扩大情况。如果裂缝随着时间的推移不断扩大，则表明存在更多的不稳定性，需要进行昂贵的维修。小型 SMA 传感器无需进行繁琐的现场测量，即可帮助确定最紧迫的重建需求的优先次序。

使用形状记忆合金的挑战

虽然 SMA 具有令人难以置信的适应性，但要充分发挥其潜力，就必须解决耐久性方面的挑战、热力学、和生产。

SMA 每次在原子结构之间转换时都会承受应力。这种疲劳会在多次连续循环过程中造成减弱或退化。因此，提高使用寿命仍然非常重要。

形状记忆合金的效果还精确地依赖于加热和冷却机制。精心的热管理可确保 SMA 达到所需的均匀温度，从而实现稳定的性能。现实条件会影响热控制。

生产具有精确、复杂几何形状的 SMA 以满足不同的机械性能要求，需要采用精细且通常成本高昂的制造方法。工程师们正在研究新技术，以经济高效地配置 SMA 性能。

总之，形状记忆合金具有显著的适应性，可实现多种应用。持续的研究旨在应对这些 "智能 "材料所面临的挑战并提高其应用可能性。未来的应用仍然取决于 SMA 如何通过其固有的形状记忆功能满足不断发展的需求。

结论

总之，形状记忆合金显示出真正独特的性能，在各个领域引发了巨大的创新应用。它们能够自动 "记忆 "并随温度变化而改变形状，具有与传统材料不同的实用性。SMA 改善了医疗设备，提高了机器人和自动化技术的可靠性，增强了航空航天和土木工程结构解决方案，等等。

然而，要充分利用它们的适应能力，还需要不断努力解决各种挑战。全世界的研究人员都在继续努力，以更好地了解形状记忆合金的材料行为、改进制造工艺、提高机械性能和耐用性，以及推进精确热控制和能量传递的方法。解决这些领域的问题将有助于推动 "智能 "SMA 技术的发展。随着对这些非凡技术的了解不断加深，我们的未来依然充满光明。合金材料以及它们赋予更具影响力和改变生活的应用的潜力。