形狀記憶合金（shape memory alloys，SMA）是一種由兩種以上金屬元素構成、能夠在溫度和應力作用下發生相變的新型功能材料，通過熱彈性與馬氏體相變及其逆變而具有獨特的形狀記憶效應、相變僞彈性等特性，廣泛應用于航空航天、生物醫療、機械電子、汽車工業、建築工程等領域。
形狀記憶合金按合金種類主要分爲鎳钛基形狀記憶合金（Ni-Ti SMA）、銅基形狀記憶合金（Cu SMA）、鐵基形狀記憶合金（Fe SMA）3類。其中，鎳钛基形狀記憶合金包括Ni-Ti-Cu、Ni-Ti-Co、Ni-Ti-Fe、Ni-Ti-Nb等具有較高實用價值的記憶合金；銅基形狀記憶合金主要有Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Zn-Ga、Cu-Sn等種類；鐵基形狀記憶合金主要有Fe-Pt、Fe-Mn-Si、Fe-Ni-Co-Ti、Fe-Mn-Al-Ni、Fe-C-Mn-Si-Cr-Ni等種類。
一、形狀記憶合金的研究現狀
形狀記憶合金因其獨特的形狀記憶效應一直是各主要國家的研究熱點。近年來，美國、歐洲、日本等國家和地區針對形狀記憶合金制備工藝、成分配比、與先進制造技術結合的研究已取得顯著的進展，尤其以4D打印技術爲代表的先進制造技術使用形狀記憶合金作爲原材料，擴展了其在軟體機器人、醫療器械、航空航天等領域的應用範圍。
（一）中美歐等國開發出多種形狀記憶合金制備新工藝，擴大了材料應用範圍
形狀記憶合金/聚合物的制備方法主要有熔煉法、粉末冶金法、噴射沉積工藝、4D打印技術等，再根據應用需求配置後續的鍛造、熱擠壓、軋制、拉拔、冷加工等成型工藝。其中，熔煉法是傳統金屬冶金工藝，在真空下將金屬原材料通過電子束、電弧、等離子體、高頻感應等方式加熱後進行熔煉，易産生雜質汙染、成分不均勻、能耗高等問題，且需要經過切割加工形成合金産品。而粉末冶金法則是利用金屬或合金粉末進行熱等靜壓和燒結，制備出最終形狀的合金産品。
目前，中美歐等國在傳統熔煉法和粉末冶金法的基礎上，結合3D打印等先進制造技術，開發出選區激光熔化增材制造技術、激光粉末床融合技術、4D打印技術等材料制備與材料成型新技術，不僅提升了材料的成分精度、超彈性、形狀記憶性能等特性，還拓展了合金的加工使用範圍。美國得克薩斯農工大學（Texas A&M University，TAMU）的研究人員通過激光粉末床融合技術制造了一種形狀記憶合金，在室溫下保持了6%的拉伸超彈性，在生物醫學和航空航天領域醬油更多應用。英國利物浦大學的研究人員通過選區激光熔化（SLM）工藝對鎳钛合金進行加工，成型後的鎳钛合金樣件表現出60%-80%的變形率。中國華南理工大學的研究人員基于納米鎳粒子改性的鎳钛合金粉末，采用SLM工藝獲得了具有有序功能基元的Ni50.6Ti49.4合金，爲調控鎳钛合金的微觀結構提供一種新的策略，進一步擴大其應用範圍。華中科技大學和吉林大學的研究人員選用Cr20Ni80金屬纖維和高性能聚醚醚酮（PEEK），通過共擠出4D打印（CE-4DP）工藝制備了手形結構和百葉窗結構，對纖維依次通電可以實現手指按順序恢複。這些先進制造技術使得形狀記憶合金/聚合物在生物醫療、航空航天、智能器件等方面具有更大的應用前景。
（二）中美等國利用形狀記憶合金和形狀記憶聚合物開發機器人組件，提高機器人性能
形狀記憶合金/聚合物由于具有形狀記憶效應、超彈性等特性，在機器人領域具有較大應用空間，各主要國家均對此加大了研究力度。新加坡國立大學（National University of Singapore）和北京交通大學的研究人員開發出一種新的杆驅動軟體機器人（RDSR），通過硅管中裝配的鎳钛合金柔性杆實現在推拉方向上對軟體機器人的控制，協調控制多根推拉杆可使機器人在任意方向上（多個自由度）運動。美國西北大學的研究人員使用形狀記憶合金制造微型遙控行走機器人，可完成彎曲、扭曲、爬行、行走、轉彎和跳躍等動作而無需液壓或電力。麻省理工學院的研究人員使用鎳钛合金開發出一種線狀機器人，在磁力的操控下，可以在狹窄、蜿蜒的路徑中穿行，未來可應用于治療動脈瘤和中風等疾病。英國赫瑞-瓦特大學（Heriot-Watt University）的研究人員采用功能分級激光誘導正向轉移（FG-LIFT）技術將鎳、钛或銅沉積在基板上，通過控制沉積位置和層數，在材料的特定點處構建不同屬性的3D微結構，使得部分部件具有形狀記憶效應，並將其應用于更複雜和可控制的微型機器人。形狀記憶合金/聚合物因其自身性質，在軟體機器人執行系統、驅動系統、傳感和控制系統等領域具有較大應用潛力。
（三）中美在航空航天領域利用形狀記憶合金的形狀記憶效應、質量輕等特性，提高航天器效能及穩定性
1969年，形狀記憶合金在F-16戰機的管接頭應用中取得重大的突破後，其在航空航天領域的應用日益受到中美等航天大國的關注。美國國家航空航天局（NASA）和波音公司的研究人員利用形狀記憶合金來制造可折疊機翼，在F/A-18大黃蜂戰機的機翼部分安裝新型鎳钛铪高溫形狀記憶合金扭矩管執行器，可根據指令進行電加熱和冷卻，使機翼上下移動90度或精確移動到任何選定位置，從而提高飛機的效率和控制能力。此外，NASA還開發了可應用于月球及火星探測器的超彈性輪胎，不僅可以增加輪胎的承載能力避免紮胎和漏氣的情況，還可承受顯著的可逆應變，使其適用于各種複雜地形。哈爾濱工業大學研發了一款形狀記憶聚合物衛星展開基板，當基板的溫度達到或超過玻璃化轉變溫度後，基板會從收攏狀態自發變形爲展開狀態，避免出現卡死、無法展開等故障。形狀記憶合金/聚合物的優異特性可滿足各國對于提高航天器操控精度、減輕航天器自身重量、減少航天器故障的需求，未來各國對于形狀記憶合金/聚合物在航空航天領域的應用還將持續關注。
二、形狀記憶合金的主要應用
形狀記憶材料由于具有獨特的形狀記憶效應和超彈性，以及耐磨性、耐腐蝕性、高阻尼性、高功重比、生物相容性等優越性能，被廣泛應用于航空航天、汽車工業、機械電子、建築工程、生物醫療等領域。其中，鎳钛基形狀記憶合金具有抗疲勞性、低應力水平下的循環穩定性、出色的生物相容性等優異性能而成爲最重要的形狀記憶合金，因此其應用最爲廣泛，可用作醫用傳感器、阻尼器、夾具與植入設備、執行器等。銅基形狀記憶合金價格僅爲鎳钛基形狀記憶合金的1/10，但其記憶效應、力學性能、耐腐蝕性能都較差，發展與應用受到一定的限制，需要在合金中添加一些微量元素來改善其性能。鐵基形狀記憶合金的特點是馬氏體起始相變溫度接近室溫、形狀記憶效應相對較好，且由于使用元素價格低，擁有極大的成本優勢。但這一類合金相對較低的起始相變溫度以及明顯的滯後現象限制了其應用範圍。
（一）航空航天領域
在航空航天領域，形狀記憶合金由于具備形狀記憶效應、質量輕等特點，可減小航空器空間機構的鉸接和液壓管路的連接中産品的體積和質量，提高連接效能和穩定性，達到便于運輸的目的。其主要應用包括飛機液壓管接頭、星用解鎖機構和鎖緊系統、易斷缺口螺栓釋放機構、空間桁架組裝結構、固定翼飛行器機翼優化、飛行器推進系統混流裝置、可展開天線、空間鉸鏈單元、衛星基板等。
（二）汽車工業領域
形狀記憶合金具備形狀記憶效應、超彈性、耐磨性、高阻尼性等優異的力學性能，將其作爲緩沖吸能材料應用于汽車安全領域，可有效地提高汽車碰撞吸能保護效果；同時隨著無人駕駛技術的出現，對汽車傳感器和執行器的要求也更加苛刻，形狀記憶合金執行器可取代已使用多年的電磁執行器。其主要應用包括風扇離合器、風扇葉片控制器、自動變速箱控制用調整閥、恒溫控制閥、執行器、車身抑振結構、吸能盒、超彈性輪胎、變速器補償墊圈、減震器閥墊圈、燃油噴射器高壓回路密封器等。
（三）生物醫療領域
形狀記憶合金優越的反複使用穩定性、耐腐蝕性、生物相容性、超彈性、低楊氏模量等特性，爲許多醫學難題提供了新的解決方案。目前形狀記憶合金在醫學領域的應用相對成熟，主要應用有：內支架，包括食管、腸道、氣管、膽道、尿道等非血管支架，鎳钛合金裸支架、放射性支架、包被支架、人造血管覆蓋支架等血管支架；心髒封堵器；微創醫療器械，包括圈套器、網籃、抓鉗等異物取出器械，針狀器械，剝離鈎、牽引器、夾鉗、柔性內窺鏡、柔性抓鉗、疝氣修補夾、胃腸吻合夾、痔切除夾、潰瘍堵閉球等介入內鏡檢查學器械，濾器、封閉器、導絲、導管、遠端保護裝置、縫合封閉器械等介入放射學器械，靜脈瓣膜支持器、血管結紮夾、動脈血管吻合器、血管膨脹器等微創外科手術器，婦産科器械；矯形外科和腦外科材料，包括加壓騎縫釘、加壓修補針、聚髌器、加壓接骨器、環抱內固定器、螺絲釘、框架式內固定器、髓內針、柵欄狀接骨套、肩部定位錨、脊柱矯形棒等；口腔醫學材料，包括牙齒矯形絲、矯形彈簧、根管預備器械、擴弓矯治器、颌骨固定針、種植體等。
（四）建築工程領域
形狀記憶合金憑借其超彈性、高阻尼性以及彈性模量隨溫度同步變化的特征，在建築橋梁減震降噪、耗能阻尼方面有著突出表現。在追求建築材料結構輕量化、先進智能化、功能多樣化的趨勢下，形狀記憶合金及其複合材料將在建築領域發揮更大的作用。其主要應用包括阻尼耗能裝置、隔震結構、泡沫複合材料、複合樹脂結構等。
三、形狀記憶合金研究中存在的瓶頸及未來研究方向
各主要國家雖然在形狀記憶合金的研究中取得了諸多進展，但也存在一些尚待解決的問題，對形狀記憶合金的研究方向和發展趨勢産生一定影響。研究中存在的主要問題有：形狀記憶合金自身存在損傷和裂紋等缺陷；形狀記憶合金的合金種類有限；基于形狀記憶合金構建的模型在實際工程應用中存在一些缺陷；形狀記憶合金的加工和制備工藝的控制難度仍然較大，且制造成本較高；形狀記憶合金的各種功能均依賴于馬氏體相變，需要不斷對其加熱、冷卻或加載、卸載，且材料變化具有遲滯性，限制了合金的應用等。
形狀記憶合金未來的研究方向和發展趨勢主要集中在形狀記憶聚合物複合材料的研究與開發、高溫形狀記憶合金的研究與開發、研發新的形狀記憶合金系列、形狀記憶合金元器件進一步微型化、降低形狀記憶合金制造成本、克服材料自身缺陷等。
四、結語
形狀記憶合金由于具備形狀記憶效應、超彈性、高阻尼性等特性，是未來智能材料的發展方向，在汽車工業、航空航天、生物醫療、建築等領域均得到廣泛應用。目前形狀記憶合金的相關技術較爲成熟，但在實際工程應用中尚存諸多問題需要重點關注，如疲勞性能及響應速度有待提高、制造成本過高、控制精度有待改進、合金種類有限等。各國將持續探索更多可能的形狀記憶合金配比和制備方法，從而調節材料的疲勞、響應速度等性能，消除現有的材料缺陷，降低制造成本，拓展形狀記憶材料的應用範圍。
美國、日本、歐盟等材料強國早已針對形狀記憶合金展開研究工作，在全球形狀記憶合金市場中占據絕大部分份額，並將繼續保持領先地位。我國在形狀記憶合金領域的研究雖然起步較晚，但是進展較快，在多個領域已達到國際領先水平，特別是在形狀記憶聚合物方面，開發出超高力學性能形狀記憶聚合物等多種新材料，在智能家居、航空航天和軟體機器人領域應用潛力巨大。未來，我國應繼續加大形狀記憶材料方面的研發投入，加快技術成果轉化，促進形狀記憶材料在制造業中的應用。
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作者簡介
李維科 國務院發展研究中心國際技術經濟研究所研究五室，三級分析員
研究方向：新材料、先進制造領域前沿技術跟蹤及産業、政策研究
聯系方式：[email protected]
編輯丨鄭實
研究所簡介
國際技術經濟研究所（IITE）成立于1985年11月，是隸屬于國務院發展研究中心的非營利性研究機構，主要職能是研究我國經濟、科技社會發展中的重大政策性、戰略性、前瞻性問題，跟蹤和分析世界科技、經濟發展態勢，爲中央和有關部委提供決策咨詢服務。“全球技術地圖”爲國際技術經濟研究所官方微信賬號，致力于向公衆傳遞前沿技術資訊和科技創新洞見。
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