未来潜力材料之形状记忆合金

形状记忆合金（shape memory alloys，SMA）是一种由两种以上金属元素构成、能够在温度和应力作用下发生相变的新型功能材料，通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有独特的形状记忆效应、相变伪弹性等特性，广泛应用于航空航天、生物医疗、机械电子、汽车工业、建筑工程等领域。

形状记忆合金按合金种类主要分为镍钛基形状记忆合金（Ni-Ti SMA）、铜基形状记忆合金（Cu SMA）、铁基形状记忆合金（Fe SMA）3类。其中，镍钛基形状记忆合金包括Ni-Ti-Cu、Ni-Ti-Co、Ni-Ti-Fe、Ni-Ti-Nb等具有较高实用价值的记忆合金；铜基形状记忆合金主要有Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Zn-Ga、Cu-Sn等种类；铁基形状记忆合金主要有Fe-Pt、Fe-Mn-Si、Fe-Ni-Co-Ti、Fe-Mn-Al-Ni、Fe-C-Mn-Si-Cr-Ni等种类。

一、形状记忆合金的研究现状

形状记忆合金因其独特的形状记忆效应一直是各主要国家的研究热点。近年来，美国、欧洲、日本等国家和地区针对形状记忆合金制备工艺、成分配比、与先进制造技术结合的研究已取得显著的进展，尤其以4D打印技术为代表的先进制造技术使用形状记忆合金作为原材料，扩展了其在软体机器人、医疗器械、航空航天等领域的应用范围。

（一）中美欧等国开发出多种形状记忆合金制备新工艺，扩大了材料应用范围

形状记忆合金/聚合物的制备方法主要有熔炼法、粉末冶金法、喷射沉积工艺、4D打印技术等，再根据应用需求配置后续的锻造、热挤压、轧制、拉拔、冷加工等成型工艺。其中，熔炼法是传统金属冶金工艺，在真空下将金属原材料通过电子束、电弧、等离子体、高频感应等方式加热后进行熔炼，易产生杂质污染、成分不均匀、能耗高等问题，且需要经过切割加工形成合金产品。而粉末冶金法则是利用金属或合金粉末进行热等静压和烧结，制备出最终形状的合金产品。

目前，中美欧等国在传统熔炼法和粉末冶金法的基础上，结合3D打印等先进制造技术，开发出选区激光熔化增材制造技术、激光粉末床融合技术、4D打印技术等材料制备与材料成型新技术，不仅提升了材料的成分精度、超弹性、形状记忆性能等特性，还拓展了合金的加工使用范围。美国得克萨斯农工大学（Texas A&M University，TAMU）的研究人员通过激光粉末床融合技术制造了一种形状记忆合金，在室温下保持了6%的拉伸超弹性，在生物医学和航空航天领域酱油更多应用。英国利物浦大学的研究人员通过选区激光熔化（SLM）工艺对镍钛合金进行加工，成型后的镍钛合金样件表现出60%-80%的变形率。中国华南理工大学的研究人员基于纳米镍粒子改性的镍钛合金粉末，采用SLM工艺获得了具有有序功能基元的Ni_50.6Ti_49.4合金，为调控镍钛合金的微观结构提供一种新的策略，进一步扩大其应用范围。华中科技大学和吉林大学的研究人员选用Cr₂₀Ni₈₀金属纤维和高性能聚醚醚酮（PEEK），通过共挤出4D打印（CE-4DP）工艺制备了手形结构和百叶窗结构，对纤维依次通电可以实现手指按顺序恢复。这些先进制造技术使得形状记忆合金/聚合物在生物医疗、航空航天、智能器件等方面具有更大的应用前景。

（二）中美等国利用形状记忆合金和形状记忆聚合物开发机器人组件，提高机器人性能

形状记忆合金/聚合物由于具有形状记忆效应、超弹性等特性，在机器人领域具有较大应用空间，各主要国家均对此加大了研究力度。新加坡国立大学（National University of Singapore）和北京交通大学的研究人员开发出一种新的杆驱动软体机器人（RDSR），通过硅管中装配的镍钛合金柔性杆实现在推拉方向上对软体机器人的控制，协调控制多根推拉杆可使机器人在任意方向上（多个自由度）运动。美国西北大学的研究人员使用形状记忆合金制造微型遥控行走机器人，可完成弯曲、扭曲、爬行、行走、转弯和跳跃等动作而无需液压或电力。麻省理工学院的研究人员使用镍钛合金开发出一种线状机器人，在磁力的操控下，可以在狭窄、蜿蜒的路径中穿行，未来可应用于治疗动脉瘤和中风等疾病。英国赫瑞-瓦特大学（Heriot-Watt University）的研究人员采用功能分级激光诱导正向转移（FG-LIFT）技术将镍、钛或铜沉积在基板上，通过控制沉积位置和层数，在材料的特定点处构建不同属性的3D微结构，使得部分部件具有形状记忆效应，并将其应用于更复杂和可控制的微型机器人。形状记忆合金/聚合物因其自身性质，在软体机器人执行系统、驱动系统、传感和控制系统等领域具有较大应用潜力。

（三）中美在航空航天领域利用形状记忆合金的形状记忆效应、质量轻等特性，提高航天器效能及稳定性

1969年，形状记忆合金在F-16战机的管接头应用中取得重大的突破后，其在航空航天领域的应用日益受到中美等航天大国的关注。美国国家航空航天局（NASA）和波音公司的研究人员利用形状记忆合金来制造可折叠机翼，在F/A-18大黄蜂战机的机翼部分安装新型镍钛铪高温形状记忆合金扭矩管执行器，可根据指令进行电加热和冷却，使机翼上下移动90度或精确移动到任何选定位置，从而提高飞机的效率和控制能力。此外，NASA还开发了可应用于月球及火星探测器的超弹性轮胎，不仅可以增加轮胎的承载能力避免扎胎和漏气的情况，还可承受显著的可逆应变，使其适用于各种复杂地形。哈尔滨工业大学研发了一款形状记忆聚合物卫星展开基板，当基板的温度达到或超过玻璃化转变温度后，基板会从收拢状态自发变形为展开状态，避免出现卡死、无法展开等故障。形状记忆合金/聚合物的优异特性可满足各国对于提高航天器操控精度、减轻航天器自身重量、减少航天器故障的需求，未来各国对于形状记忆合金/聚合物在航空航天领域的应用还将持续关注。

二、形状记忆合金的主要应用

形状记忆材料由于具有独特的形状记忆效应和超弹性，以及耐磨性、耐腐蚀性、高阻尼性、高功重比、生物相容性等优越性能，被广泛应用于航空航天、汽车工业、机械电子、建筑工程、生物医疗等领域。其中，镍钛基形状记忆合金具有抗疲劳性、低应力水平下的循环稳定性、出色的生物相容性等优异性能而成为最重要的形状记忆合金，因此其应用最为广泛，可用作医用传感器、阻尼器、夹具与植入设备、执行器等。铜基形状记忆合金价格仅为镍钛基形状记忆合金的1/10，但其记忆效应、力学性能、耐腐蚀性能都较差，发展与应用受到一定的限制，需要在合金中添加一些微量元素来改善其性能。铁基形状记忆合金的特点是马氏体起始相变温度接近室温、形状记忆效应相对较好，且由于使用元素价格低，拥有极大的成本优势。但这一类合金相对较低的起始相变温度以及明显的滞后现象限制了其应用范围。

（一）航空航天领域

在航空航天领域，形状记忆合金由于具备形状记忆效应、质量轻等特点，可减小航空器空间机构的铰接和液压管路的连接中产品的体积和质量，提高连接效能和稳定性，达到便于运输的目的。其主要应用包括飞机液压管接头、星用解锁机构和锁紧系统、易断缺口螺栓释放机构、空间桁架组装结构、固定翼飞行器机翼优化、飞行器推进系统混流装置、可展开天线、空间铰链单元、卫星基板等。

（二）汽车工业领域

形状记忆合金具备形状记忆效应、超弹性、耐磨性、高阻尼性等优异的力学性能，将其作为缓冲吸能材料应用于汽车安全领域，可有效地提高汽车碰撞吸能保护效果；同时随着无人驾驶技术的出现，对汽车传感器和执行器的要求也更加苛刻，形状记忆合金执行器可取代已使用多年的电磁执行器。其主要应用包括风扇离合器、风扇叶片控制器、自动变速箱控制用调整阀、恒温控制阀、执行器、车身抑振结构、吸能盒、超弹性轮胎、变速器补偿垫圈、减震器阀垫圈、燃油喷射器高压回路密封器等。

（三）生物医疗领域

形状记忆合金优越的反复使用稳定性、耐腐蚀性、生物相容性、超弹性、低杨氏模量等特性，为许多医学难题提供了新的解决方案。目前形状记忆合金在医学领域的应用相对成熟，主要应用有：内支架，包括食管、肠道、气管、胆道、尿道等非血管支架，镍钛合金裸支架、放射性支架、包被支架、人造血管覆盖支架等血管支架；心脏封堵器；微创医疗器械，包括圈套器、网篮、抓钳等异物取出器械，针状器械，剥离钩、牵引器、夹钳、柔性内窥镜、柔性抓钳、疝气修补夹、胃肠吻合夹、痔切除夹、溃疡堵闭球等介入内镜检查学器械，滤器、封闭器、导丝、导管、远端保护装置、缝合封闭器械等介入放射学器械，静脉瓣膜支持器、血管结扎夹、动脉血管吻合器、血管膨胀器等微创外科手术器，妇产科器械；矫形外科和脑外科材料，包括加压骑缝钉、加压修补针、聚髌器、加压接骨器、环抱内固定器、螺丝钉、框架式内固定器、髓内针、栅栏状接骨套、肩部定位锚、脊柱矫形棒等；口腔医学材料，包括牙齿矫形丝、矫形弹簧、根管预备器械、扩弓矫治器、颌骨固定针、种植体等。

（四）建筑工程领域

形状记忆合金凭借其超弹性、高阻尼性以及弹性模量随温度同步变化的特征，在建筑桥梁减震降噪、耗能阻尼方面有着突出表现。在追求建筑材料结构轻量化、先进智能化、功能多样化的趋势下，形状记忆合金及其复合材料将在建筑领域发挥更大的作用。其主要应用包括阻尼耗能装置、隔震结构、泡沫复合材料、复合树脂结构等。

三、形状记忆合金研究中存在的瓶颈及未来研究方向

各主要国家虽然在形状记忆合金的研究中取得了诸多进展，但也存在一些尚待解决的问题，对形状记忆合金的研究方向和发展趋势产生一定影响。研究中存在的主要问题有：形状记忆合金自身存在损伤和裂纹等缺陷；形状记忆合金的合金种类有限；基于形状记忆合金构建的模型在实际工程应用中存在一些缺陷；形状记忆合金的加工和制备工艺的控制难度仍然较大，且制造成本较高；形状记忆合金的各种功能均依赖于马氏体相变，需要不断对其加热、冷却或加载、卸载，且材料变化具有迟滞性，限制了合金的应用等。

形状记忆合金未来的研究方向和发展趋势主要集中在形状记忆聚合物复合材料的研究与开发、高温形状记忆合金的研究与开发、研发新的形状记忆合金系列、形状记忆合金元器件进一步微型化、降低形状记忆合金制造成本、克服材料自身缺陷等。

四、结语

形状记忆合金由于具备形状记忆效应、超弹性、高阻尼性等特性，是未来智能材料的发展方向，在汽车工业、航空航天、生物医疗、建筑等领域均得到广泛应用。目前形状记忆合金的相关技术较为成熟，但在实际工程应用中尚存诸多问题需要重点关注，如疲劳性能及响应速度有待提高、制造成本过高、控制精度有待改进、合金种类有限等。各国将持续探索更多可能的形状记忆合金配比和制备方法，从而调节材料的疲劳、响应速度等性能，消除现有的材料缺陷，降低制造成本，拓展形状记忆材料的应用范围。

美国、日本、欧盟等材料强国早已针对形状记忆合金展开研究工作，在全球形状记忆合金市场中占据绝大部分份额，并将继续保持领先地位。我国在形状记忆合金领域的研究虽然起步较晚，但是进展较快，在多个领域已达到国际领先水平，特别是在形状记忆聚合物方面，开发出超高力学性能形状记忆聚合物等多种新材料，在智能家居、航空航天和软体机器人领域应用潜力巨大。未来，我国应继续加大形状记忆材料方面的研发投入，加快技术成果转化，促进形状记忆材料在制造业中的应用。

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作者简介

李维科 国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究五室，三级分析员

研究方向：新材料、先进制造领域前沿技术跟踪及产业、政策研究

联系方式：[email protected]

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编辑丨郑实

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