【马氏体相变及形状记忆合金】
拼译：martensite transformation and shape memory alloy
某些具有热弹性马氏体相变的合金，处于马氏体状态进行一定限度的变形或变形诱发马氏体后，在随后的加热过程中，当超过马氏体相消失的温度时，该效应就能完全恢复到变形前的形状，这种现象称为形状记忆效应。具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金。它是集感知和驱动为一体的新型功能材料，具有应用和理论研究的重要价值，是当前国内外固态相变领域中内容丰富又十分活跃的研究领域。主要研究热弹性马氏体相变特性；形状记忆效应的基本原理；形状记忆合金的晶体结构；形状记忆合金的特性；形状记忆效应和相变超弹性；形状记忆合金的阻尼；形状记忆合金的研制和应用。
形状记忆效应是在对马氏体相变研究的过程中发现的。1932年美国A．Olander在Au-Cd合金中首先发现马氏体随温度升降而消长的现象。1938年美国A．B．Greninger和V．G．Mooradian等在Cu-Sn、Cu-Zn合金中也发现了马氏体相变中的类胶皮特征。实际上，这是一种与形状记忆效应相关的现象，但未引起广泛注意。1948年，前苏联G．V．Kurdjumov等从热力学角度讨论了Cu－14．7%Al－(1．0～1．5)%Ni和Cu－25%Sn合金中可逆转变的热弹性马氏体。1951年美国L．C．Chang和T．A．Read在Au-Cd合金中最早观察到形状记忆效应。1953年，M．W．Burkart和T．A．Read在In-Tl合金中亦观察到了形状记忆效应。直到1962年，美国W．J．Burhler等发现了Ti-Ni合金中的形状记忆效应，才引起人们的注意，开创了形状记忆效应广泛应用的新阶段。到70年代初，又在Cu-Al、Cu-Zn、CuNi、Co-Ni，甚至在不锈钢中都发现了马氏体相变中的形状记忆效应，这才受到工业界的重视。至今已发现具有形状记忆效应的合金达30多种。随着合金成分的变化，其M。点可在很宽的范围里进行调节，热滞大小也有差异。其中应用较为普遍的是NiTi合金及CuZnAl合金和CuAlNi合金等，NiTi合金记忆性能好，耐腐蚀，抗疲劳，比重轻，生物相容性好，适于人体植入。CuZnAl合金价格低廉(仅为NiTi合金的1／10)，加工性能好，记忆性能好，可望用于各工业领域。作为一种具有广泛应用前景的新型功能材料，形状记忆合金的研究及开发应用受到各发达国家科技界和产业界的高度重视。据不完全统计，目前世界上有关形状记忆合金的专利已逾5000项，其应用的领域涉及能源、电子、机械、航天航空、医学、农业及日常用品等，尤其是在一些高技术领域如机器人及智能机械系统等方面的应用更引人注目。不仅NiTi、CuZnAl及CuAlNi等非铁合金及FeMnSi、FeNiC和FeNiCoTi等铁合金具有形状记忆效应，而且近年来在高分子聚合物、陶瓷、铁电体、超导体等非金属材料中也发现了形状记忆效应。由于形状记忆材料的性能与材料的结构及相变密切相关．有关基础理论研究涉及材料设计、相结构稳定性及控制、马氏体相变(热弹性及非热弹性)、贝氏体相变及类贝氏体相变(在陶瓷及超导体中)、有序化转变、薄膜及界面工程等多项材料科学中的研究热点，面临的许多基础问题都具有普遍意义。因此，有关形状记忆材料的研究是当前新材料研究的热门课题之一。以下仅就形状记忆合金的研究近况进行阐述。1．传统的形状记忆合金NiTi、CuZnAl及CuAlNi等工程应用基础问题的深入研究及开发应用领域的进一步拓展。近年来NiTi及CuZnAl形状记忆合金已进入工业化应用生产阶段，仍有许多应用中遇到的问题没有解决，如相变点及动作温度的精确控制、热滞的根源及控制、铜基记忆合金的相稳定性及时效效应、疲劳及失效等。这些问题直接影响形状记忆合金的开发应用，是该类合金研究的重点课题。2．探索制备形状记忆合金的新工艺、新方法、新途径。其目的在于降低合金成本，提高合金性能，为形状记忆合金的生产及应用开辟更广阔的道路。为此，近年来采用粉末冶金、机械合金化、快速凝固、自蔓燃烧、磁控溅射等方法来制备NiTi、CuZnAl及CuAlNi等记忆合金的研究十分活跃。3．研制和开发新型形状记忆合金。NiTi、CuZnAl和CuAlNi等形状记忆合金得到广泛应用，但其Ms点通常都不超过l00℃，而许多实用场合要求合金有更高的Ms点，因此急需研制高温形状记忆合金。近年来，在发展高温形状记忆合金方面进行了各种尝试。目前研制成功的高温形状记忆合金主要有：以NiTi为基础发展起来的NiTiPd、NiTiPt、NiTiHf等合金及以CuAlNi为基础发展起来的CuAlNiMnTi合金。前者Ms点最高可达619℃，后者Ms点最高可达172℃。同块状形状记忆材料相比，薄膜材料具有很多优点：热感知迅捷，循环周期短；可用于微型传感或驱动器；由于其优良的机械性能，在需要较大的力和位移的微驱动装置中，而压电陶瓷、电子器件及双金属片等无法适用时，这种薄膜材料可作为一种主要的器件材料。80年代中期以来，日本已成功地将形状记忆薄膜材料用于机器人中。Minemura等首先用溅射沉积法制备出具有良好形状记忆效应的CuZnAl薄膜。最近，Johnson和Busch等采用磁控溅射法制备了具有良好形状记忆效应的NiTi薄膜，并研制了一种很小尺寸的微阀(＜100μm)。中国也在从事这方面的研究。薄膜材料的特点使其结构与相变行为与块状材料不同，如：膜的尺寸效应及其对相变和形状记忆效应的影响，膜的显微结构及亚结构，膜的制备工艺参数对膜结构及相变行为的影响等。这些都是急待研究的问题。形状记忆合金与其他材料复合，使两种材料的良好性能互补，可构成形状记忆复合材料及形状记忆复合智能材料。最近，Jardine及Chen等分别研究了NiTi形状记忆薄膜与压电陶瓷的复合结构。这种NiTi／陶瓷(如BaTiO3)复合材料同时具有优良的形状记忆效应及压电效应。Rogers等首先提出并深入研究了形状记忆合金复合智能材料系统，还设计制作了形状记忆合金复合智能材料，如记忆合金增强板等。由于Rogers等在这方面的开创性研究工作，美国在Virginia Polytechnic Institutc和State University成立了国家智能材料及结构实验室，并定期出版有关研究报告。1993年在日本东京召开的第3届国际新材料会议上也设立了智能材料专题。中国也在进行NiTi形状记忆合金颗粒或丝在金属或其他材料基体中的复合材料或智能复合材料的相变及形状记忆行为的研究。形状记忆合金的研究，在各发达国家已成为热门学科。在国际马氏体相变会议上涉及形状记忆合金研究的文章的比例不断上升。美、日和西欧等发达国家不仅在记忆合金的研究上投入大量的人力、物力，而且在开发应用上也十分活跃。中国从70年代末开始进行形状记忆合金的研究，目前已有多所高等院校和研究所投入该领域的研究，可谓世界上阵容大的研究队伍，在NiTi、Cu基和Fe基形状记忆合金的基础理论和实用化研究方面均作了大量工作，NiTi形状记忆合金在医学上的应用研究还取得世界公认的进展。有人预言：目前盛行的机械－电子一体化将被更简单可靠的形状记忆合金－电子一体化或者说材料－电子一体化所代替。形状记忆合金的出现是材料科学的一次革命性变革。此外，有机弹性记忆材料、高分子记忆材料和功能陶瓷等，亦具有与形状记忆合金类似的功能和性质，使形状记忆合金发展成为形状记忆材料，显示出广阔的应用前景。【参考文献】：1 Burhler W J，Gilfrich J C，Wiley R C．J．Appl．Phys．，1963，34：14752 Minemura T，et al．J．of Materials Science letters，1985，4：7933 Rogers C A，Barker D K，Jaeger C A．Smart Materials，1988，1：14 Miyazaki S．Otsuka K．，ISIJ International 1989，29：3535 Moore J J，Yi H C，Materials Science Forum，1990，56～58：6376 Donner P，Euken S．Materials Science Forum，1990，56～58：7237 Busch J D，et al．Materials Science Forum，1990，56～58：7298 Jardine A．Proc of MRS，1991，246：4159 Johnson A D，et al．J．Micromech，Uicroeng，1991，1：3410 Chen J，et al．J．Am Ceramics Soc．1991，75：2891(大连理工大学博士生导师杨大智教授、陈騑騢教授撰)
畸形和口腔正畸