形状记忆合金在机械工程中的研究与应用

摘要: 回顾了镍钛合金自1963 年发现形状记忆效应至今40 年的发展历程、应用领域和产业状况。(作者:赵连城, 郑玉峰)

第２１卷第１期２００８年１月

机电产品开发与创新

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆ＩｎｎｏｖａｔｉｏｎｏｆＭａｃｈｉｎｅｒｙ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＰｒｏｄｕｃｔｓ

Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．１ 开发与创新Ｊａｎ．，２００８

形状记忆合金在机械工程中的研究与应用

孙双双１，董静１，任勇生２

（１．青岛科技大学机电学院，山东青岛２６６０６１；２．山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛２６６５１０）

摘要：重点介绍了形状记忆合金在机械结构主、被动控制和被用作微机电系统中微器件的研究进展情

况及形状记忆合金在军用机械、医疗器械和微机电系统等方面的应用情况，并对今后形状记忆合金在机械工程中的研究和发展方向做了展望。

关键词：形状记忆合金；机械工程；主被动控制；微机电系统中图分类号：ＴＨ７０１

文献标识码：Ａ

文章编号：１００２－６６７３（２００８）０１－０２５－０３

０引言

形状记忆合金（ＳｈａｐｅＭｅｍｏｒｙＡｌｌｏｙｓ，简称ＳＭＡ）是一类具有形状记忆性能的合金。作为一种新型功能材料，它为人们所认识并成为一个独立的学科分支可以追溯到１９６３年美国海军武器实验室Ｂｕｅｈｌｅｒ等发现等原子比Ｎｉ－Ｔｉ合金具有良好的形状记忆效应。

机械工程是有关ＳＭＡ研究和应用中较为活跃的重要工程领域之一。早在２０世纪７０年代初，美国Ｒａｙ－

１．２ＳＭＡ用作微机电系统（ＭＥＭＳ）中微器件的研究

近年来，ＭＥＭＳ的迅猛发展对微器件的使用和发展也提出了较高的要求。由于ＳＭＡ薄膜不仅具有体材料的诸多优点，还具有表面积大、散热能力高、响应速度快等优点，是理想的微驱动元件和力敏、热敏的微传感元件，因而在ＭＥＭＳ领域具有广阔的应用前景。

目前在这方面的研究：一是集中在对ＳＭＡ薄膜自身的研究，包括用于ＭＥＭＳ的ＳＭＡ薄膜的制备工艺研究，ＳＭＡ薄膜力学性能的测试、模拟与表征的研究，以及ＳＭＡ薄膜的加工性能研究等；二是集中在对ＳＭＡ薄膜微传感元件和微驱动元件的设计与模拟的研究。

在ＳＭＡ薄膜的制备工艺研究方面，如ＳｅｋｉｇｕｃｈｉＹ等最早采用真空蒸发法制备形状记忆合金薄膜，但由这种方法制备的ＴｉＮｉ薄膜在深度分布上不均匀，有一个从富Ｎｉ到富Ｔｉ的过程。为了解决传统方法的弊端，Ｅｉｊｉ

ｃｈｅｍ公司就成功研制了ＮｉＴｉＦｅ航空用液压管路接头和

紧固件，并应用于Ｆ１４战斗机中。本文将对ＳＭＡ用于机械结构主被动控制和ＳＭＡ被用作微机电系统（Ｍｉｃｒｏ－

Ｅｌｅｃｔｒｏ－ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ，简称ＭＥＭＳ）中微器件的研

究进展及ＳＭＡ在军用机械、医疗器械和ＭＥＭＳ等方面的应用情况进行比较详细的介绍，并对今后ＳＭＡ在机械工程中的研究和发展方向进行展望。

Ｍａｋｉｎｏ小组采用闪蒸法来制备ＴｉＮｉ薄膜。利用该法所

制备的薄膜具有比传统方法制备的薄膜更好的记忆效应，但薄膜呈层状结构，可能与间断性沉积有关。研究者还发展了许多其它制备ＳＭＡ薄膜的方法，如离子束增强沉积的方法、激光熔融方法、直流和射频磁控溅射方法。研究表明，溅射方法是目前获得性能良好的ＳＭＡ薄膜的最佳方法。

在ＳＭＡ薄膜力学性能的测试、模拟与表征的研究方面，如宫峰飞等利用溅射法制备了ＮｉＴｉ合金薄膜，并通过实验研究了其弯曲和拉伸性能。张丛春等利用磁控溅射法制备了ＮｉＴｉＰｄ记忆合金薄膜，并对晶化后薄膜的相变特性和力学特性进行了测量。Ｍａｓｓａｄ和Ｓｍｉｔｈ的研究发现，随薄膜厚度的减小，ＳＭＡ薄膜伪弹性滞后环的面积逐渐减小。Ｊｉｎ和Ｗｅｎｇ的研究指出，薄膜ＳＭＡ的相变区间比块体材料的窄，而且应力－应变曲线较体材料呈现出低的冷作硬化现象。Ｎａｍａｚｕ等的研究表明，

１ＳＭＡ在机械工程中的研究进展

１．１ＳＭＡ用于机械结构主被动控制研究

ＳＭＡ用于机械结构主被动控制的基础主要是ＳＭＡ

的形状记忆效应、伪弹效应和电阻特性。这些特性使

ＳＭＡ既具有感知、驱动的双重功效，又具有阻尼功能，

因而ＳＭＡ在机械工程中常用作力敏、热敏驱动元件和阻尼元件。而且ＳＭＡ基本都作为体材料如丝、板、棒等被使用。有关ＳＭＡ体材料自身特性的研究，自ＳＭＡ问世以来这方面的研究就没有停止过。

收稿日期：２００７－１１－１６

作者简介：孙双双（１９７１－），女，山东青岛人，工学博士，副教授。主要从事复合材料结构及智能材料与结构的力学性能研究；董静（１９８３－），女，山东莱西人，硕士研究生。主要从事化工机械设备设计及智能材料力学性能研究。

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