NiTi形状记忆合金的功能特性及其应用发展

NiTi形状记忆合金(shape memory alloys,SMAs)作为一种智能材料,具有良好的超弹性、形状记忆效应和生物相容性等功能特性,被广泛应用于航空航天、医疗器械和工程建筑等领域。其中超弹性在宏观上表现为发生较大的变形仍能恢复原形状,且其远大于常见金属可恢复的弹性应变。形状记忆效应则是温度激励下奥氏体和马氏体两相的相互转变,根据宏观变形分为单程、双程和全程形状记忆效应。而NiTi SMAs的生物相容性体现在低弹性模量和低生物毒性等方面,可应用于正畸、矫正、心血管支架等医疗器件。为充分发挥NiTi SMAs的功能,研究者们不断开发NiTi SMAs相关的智能结构。本文简要综述了近年来研究和发展NiTi SMAs的不同功能特性及其对应的智能结构典型应用,详细介绍和讨论了NiTi SMAs的功能特性、关注问题和应用领域。同时,也对NiTi SMAs阻尼性能和储氢特性进行了阐述。最后,展望了NiTi SMAs在各领域应用上尚需重点关注的问题:利用增材制造技术调控微观结构实现超弹性的稳定性提升;通过建立本构模型为形状记忆效应的稳定应用提供理论指导,并进一步优化结构实现形状记忆效应的宏观放大;提高NiTi SMAs在生物环境里的耐腐蚀性和医疗应用推广。因此,推动NiTi SMAs在不同应用领域的个性化和功能定制化,尚需大量的跨学科研究。

形状记忆合金混凝土框架建筑抗震性能研究

地震作用会造成钢筋混凝土框架发生平面和垂直方向的变形,导致其结构受到更大的地震力,加剧损伤程度。形状记忆合金(SMA)材料在外力作用下能够快速恢复变形前形状,降低框架损伤程度,进一步提高框架结构的承载能力和稳定性。基于此,有必要研究形状记忆合金混凝土框架建筑的抗震性能。以某实际工程为例,采用ANSYS软件建立钢筋混凝土框架有限元模型,选取天津地震波、北岭地震波、印度洋地震波及人工地震波作为地震震动输入,记录地震震动下时程结果。研究结果表明,预应力筋断裂后,该结构在地震作用下的滞回曲线为饱满的旗帜形,最大层间位移为1/125,残余变形在±10 mm之间,最高峰值荷载为211 kN,水平承载力较强,表明其自复位性能较高、地震响应效果较优、抗震承载力较强,可以有效提高建筑结构的安全性和可靠性。

退火工艺对Ti-Ni-V形状记忆合金相变和形变行为的影响

利用差示扫描量热仪和拉伸试验研究了400℃×10~120 min和500℃×10~120 min退火态Ti-50.8Ni-0.5V合金的相变行为、拉伸性能和形状记忆行为。结果表明:随退火温度和时间变化,合金的相变类型、R相变温度T_(R)和热滞ΔT_(R)、马氏体相变温度T_(M)和热滞ΔT_(M)、抗拉强度R_(m)、伸长率A、应力诱发马氏体相变临界应力σ_(M)、加载-卸载残余应变ε_(R)和能耗W_(D)的变化规律如下:400和500℃退火态Ti-50.8Ni-0.5V合金皆发生B2→R→B19’/B19’→R→B2(B2-母相,CsCl型结构;R-R相,菱方结构;B19’-马氏体相,单斜结构)型相变;T_(R)^(400℃)>T_(R)^(500℃),T_(M)^(500℃)>T_(M)^(400℃),ΔT_(M)^(400℃)>ΔT_(M)^(500℃)≥ΔT_(R)^(400℃)≈ΔT_(R)^(500℃)≈4℃;R_(m)^(400℃)>R_(m)^(500℃),A^(500℃)>A^(400℃);400℃退火态合金的超弹性(SE)稳定性高于500℃退火态合金。随退火时间延长,T_(R)^(400℃)、T_(R)^(500℃)、T_(M)^(400℃)和T_(M)^(500℃)升高,ΔT_(M)^(400℃)和ΔT_(M)^(500℃)减小,ΔT_(R)^(400℃)和ΔT_(R)^(500℃)在3.5~4.6℃之间变化;400℃退火态合金保持SE,500℃退火态合金由SE向SE+SME(形状记忆效应)转变;σ_(M)^(400℃)和σ_(M)^(500℃)降低;W_(D)^(400℃)和W_(D)^(500℃)增加;ε_(R)^(500℃)先降后升;ε_(R)^(400℃)在0.64%~1.36%之间变化。要使Ti-50.8Ni-0.5V合金获得较高的T_(R),可对其进行400℃退火;要使该合金获得较高的T_(M),可对其进行500℃退火;要使该合金在室温下获得超弹性,可对其进行400℃×10~120 min或500℃×10~60 min退火。

退火和变形温度对Ti-Ni-Cr形状记忆合金弹簧低温超弹性的影响

利用拉伸试验研究了350~800℃退火态Ti-50.8Ni-0.3Cr合金弹簧在-20~20℃温度范围变形时的低温超弹性。结果表明,在350~800℃温度范围退火时,随退火温度升高,该合金弹簧对外输出应力先降低再升高,而后趋于稳定。在-20~20℃温度范围变形时,随变形温度升高,该合金弹簧对外输出应力增大。要使该合金弹簧在-20℃下获得残余应变较小的超弹性,可对其进行350~400℃或550~800℃退火处理;要使该合金弹簧在-10~20℃下获得残余应变较小的超弹性,可对其进行350~500℃退火处理;要使该合金弹簧在-20~20℃下获得较大的能耗,可对其进行450~800℃退火处理。随退火温度升高,该合金弹簧的应变恢复率降低;随应力-应变循环次数增加,该合金弹簧的应变恢复率先降低后趋于稳定。预循环训练能明显提高该合金弹簧应变恢复率的稳定性。

超弹性形状记忆合金自恢复与耗能平衡设计理念

超弹性形状记忆合金具有优越的自恢复性能,在工程抗震应用中能够赋予结构完美的自复位性能,但由于其超弹性旗帜形本构关系,自身耗能能力十分有限,致使其难以满足结构地震下的抗震需求。探求在保留形状记忆合金自恢复性能的前提下,尝试将超弹性形状记忆合金与摩擦阻尼器组合应用,以使形状记忆合金系统的耗能能力最大化。首先,对超弹性形状记忆合金自恢复耗能平衡设计理念进行深入研究,引入系统平衡参数的概念,提出相应的配比设计公式;随后,通过开展形状记忆合金超弹性性能试验、简易摩擦阻尼器试验以及组合张拉试验,证明上述平衡设计理念的实用性以及平衡设计公式的可行性。平衡设计理念的提出以及其验证能够推进并指导形状记忆合金在工程抗震中的应用。

形状记忆合金增强水泥基复合材料及其构件研究进展

传统的水泥基材料适用性强、经济性高、用途广泛,但是容易开裂,难以恢复。通过热弹性马氏体相变及其逆相变,形状记忆合金拥有了独特的形状记忆效应、超弹性等卓越性能。因此,可以利用形状记忆合金增强水泥基材料及构件,克服传统水泥基材料抗裂性能差的缺陷,改善水泥基材料构件的开裂和变形自恢复能力。本文从形状记忆合金的材料特性与种类、形状记忆合金纤维增强水泥基复合材料及形状记忆合金筋材增强水泥基复合材料构件三个方面进行综合阐述,并指出现有研究中存在的不足,展望了形状记忆合金增强水泥基复合材料的发展前景。

CeO_(2)添加量对电弧增材制造铁基形状记忆合金组织和性能的影响

采用粉芯丝材+电弧增材制造技术制备了含不同质量分数(0,1%,2%,3%)CeO_(2)的Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni铁基形状记忆合金,研究了CeO_(2)添加量对试验合金显微组织和形状记忆性能的影响。结果表明:添加质量分数1%的CeO_(2)后,合金晶内析出相减少,晶界处析出较大尺寸的稀土化合物,组织均匀,弯曲变形后未出现ε马氏体跨晶生长现象,且马氏体交叉状态较少;当CeO_(2)质量分数增加至2%和3%时,晶内析出相增多,分布均匀性变差,且在弯曲变形后ε马氏体跨晶生长和交叉特征增多;随着CeO_(2)添加量增加,试验合金的晶粒尺寸减小,层错概率增大,形状回复率先增大后减小,当CeO_(2)质量分数为1%时晶粒尺寸较小,层错概率较大,形状回复率最大,形状记忆性能最好。

形状记忆合金驱动的人工逼尿肌系统

针对神经源性、肌源性膀胱缺乏有效治疗手段的现状,从工程学角度提出了一种新的解决方案——人工逼尿肌系统。基于形状记忆合金(SMA)弹簧的形状记忆效应,设计了由无线能量传输模块、控制模块、反馈模块和执行模块组成的系统结构,旨在实现符合人体尿动力学规律的辅助排尿。文中首先建立了人体膀胱的有限元模型,仿真分析了人体膀胱的储尿和辅助排尿过程,在仿真结果的基础上结合SMA弹簧的数学模型,对SMA弹簧致动器的结构参数进行了优化设计;其次,结合实验数据推导了SMA弹簧温度-自由高度方程;然后,结合热力学公式和弹簧数学模型推导了系统控制方程,并在此基础上提出了系统开环控制策略;最后,基于系统的反馈模块,设计了比例积分微分(PID)闭环控制策略,并搭建模拟实验平台研究了系统的尿流率特性。结果表明:系统原理可行,辅助排尿过程连续可控,在应对不同尿液容量时两种控制策略均能实现符合人体尿动力学规律的辅助排尿。文中结果可为设计适用于临床的人工逼尿肌系统提供指导,也可为其他以SMA弹簧作为致动器的植入装置的设计提供借鉴和参考。

功能梯度形状记忆合金纳米梁力学性能研究

功能梯度形状记忆合金(Functionally Graded Shape Memory Alloys,FG⁃SMA)兼具功能梯度材料和形状记忆合金的双重特性,故在航空航天、生物医疗、微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)中得到了广泛的应用。当微结构尺度达到纳米尺度,表面效应对微结构力学性能的影响是十分显著的。为了探究表面效应对功能梯度形状记忆合金纳米梁力学性能的影响规律,基于梁弯曲理论及Gurtin⁃Murdoch表面弹性理论,考虑拉压不对称、温度对FG⁃SMA纳米梁的影响,建立了考虑表面效应的FG⁃SMA纳米梁相变力学模型。分析了梯度指数、载荷、温度及拉压不对称系数对FG⁃SMA纳米梁力学性能的影响规律。研究表明,弯矩、梯度指数对截面响应影响显著,而温度和拉压不对称系数对其影响较小;忽略表面效应的影响会低估FG⁃SMA纳米梁的抗弯性;在弯矩达到一定程度后,表面效应对FG⁃SMA纳米梁中性轴偏移趋势影响不大。研究结果对FG⁃SMA纳米梁在微机电领域的设计及应用提供了一定的基础与依据。

柔性薄膜复合形状记忆合金弹簧驱动器

针对形状记忆合金(shape memory alloy,简称SMA)材料在使用过程中因其较低的响应频率而很难应用于高频率场所问题,在聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,简称PVDF)薄膜中引入锆酸铅钡(Pb_(0.8)Ba_(0.2)ZrO_(3),简称PBZ)纳米陶瓷纤维制备柔性薄膜,并与NiTi合金弹簧复合制得PBZ/PVDF@SMA复合驱动器,通过薄膜的电卡效应加热及冷却SMA丝,与传统电流加热及自然冷却方式进行了对比。结果表明,缩短了SMA丝循环周期,提高了其响应频率,有利于扩大SMA的适用场所。

温度对铁基形状记忆合金回复应力与力学性能的影响

为研究温度对铁基形状记忆合金(Fe-SMA)回复应力的影响与力学特性,开展了Fe-SMA温度相关力学性能实验及其影响规律研究。首先,通过预拉伸、激活实验研究了不同激活温度对Fe-SMA棒材回复应力的影响规律,并在实验研究的基础上,建立了Fe-SMA回复应力-温度的经验本构模型;其次,进行二次加热实验研究了不同激活温度、附加荷载和暴露温度对Fe-SMA棒材回复应力的影响;最后,通过高温后的Fe-SMA棒材单调拉伸实验,研究其高温后的力学性能。研究结果表明,建立的Fe-SMA回复应力-温度的模型,可以有效地模拟Fe-SMA的回复应力与温度的关系;在二次加热过程中,当激活温度低于200℃时,Fe-SMA具有较高的应力保持比。Fe-SMA棒材的应力损失随着附加荷载和暴露温度的增加有所增大;在经历高温后,剩余的形状记忆效应使得Fe-SMA棒材的应力高于初始应力,并且其弹性模量和极限强度保持相对稳定,而屈服强度随着暴露温度的升高而略微增加。该研究可为Fe-SMA构件的抗火设计与应用提供参考依据。

NiTi形状记忆合金弹簧电热驱动特性研究

在对NiTiSMA弹簧致动原理分析的基础上,基于所设计的测试方案和实验平台对NiTiSMA弹簧的变形速度、收缩力以及疲劳性能进行了研究。揭示了激励电流、外部负载以及拉伸长度对NiTiSMA弹簧变形速度的影响;得出实验所用弹簧的最佳拉伸范围为60 mm~90 mm以及最大拉伸长度为110 mm。实验结果表明,随着外部负载的增大,NiTiSMA弹簧的可循环使用次数显著下降。

基于形状记忆合金的软体指套设计与精确控制

提出了一种基于形状记忆合金(SMA)弹簧驱动的软体指套。设计了基于霍尔传感器的传感系统,以精确感知指套弯曲状态。通过分析人手的结构和运动特征,建立了指套的运动学模型。最后,搭建实验平台,开展传感器标定实验分析,完成锯齿状速度曲线跟踪。实验结果表明:软体指套通过高精度的位置信息和经典PID控制器,能够实现精确运动控制。

中心刚体-形状记忆合金层合功能梯度梁的动力学特性研究

文章对中心刚体-形状记忆合金层合功能梯度梁系统在平面内作大范围运动进行动力学特性研究。SMA层采用多项式的形状记忆合金的本构模型和假设的层合部分的功能梯度分布,在考虑横向变形引起纵向变形的非线性耦合量。采用假设模态法对SMA层合FGM梁系统进行离散,运用第二类Lagrange方程推导得到系统高次刚柔耦合模型,编写软件程序进行动力学仿真。研究了形状记忆合金层的在不同功能梯度下温度对动力学特性的影响以及不同温度下增加SMA层厚度对动力学特性的影响。研究结果表明温度和SMA层厚度对系统的动力学特性影响较大。

富氢环境下镍钛形状记忆合金弹簧变形行为的实验和理论研究

镍钛形状记忆合金器件在某些特定服役环境下不可避免地与氢接触,导致其力学性能发生改变.实验研究方面,通过对两种构型(弹簧指数为8.5和11.7)的镍钛合金弹簧进行异位电解充氢,随后对充氢和未充氢镍钛合金弹簧进行不同幅值的拉伸-卸载实验,揭示了氢对超弹性镍钛合金弹簧变形行为的影响.结果表明,氢会显著影响弹簧的相变硬化行为,并且使马氏体相变临界力下降地更为迅速.理论研究方面,基于实验结果,在不可逆热力学框架下构建了镍钛形状记忆合金力-扩散耦合本构模型.在该本构模型中,考虑了与弹性,马氏体相变和氢致膨胀相关的应变和氢浓度场对马氏体相变的影响.通过建立的Helmholtz自由能推导出相变行为的热力学驱动力.基于质量守恒定律和Fick定律,得到氢浓度场的演化方程.为了准确地描述充氢和未充氢镍钛合金弹簧的变形行为,在建立的本构模型基础上,进一步发展了描述弹簧力-扩散耦合变形行为并考虑其扭转、弯曲变形模式的半解析模型.通过与实验结果的对比,可以发现,提出的半解析理论模型能够很好地预测富氢环境下超弹性镍钛合金弹簧的变形行为.

基于新型冷却方式的形状记忆合金驱动系统

为了解决热积累对于形状记忆合金(SMA)驱动器响应频率的限制问题,提出一种基于新型冷却方式的SMA弹簧差动式驱动器。在传统风冷的基础上加入微孔雾化片装置,通过产生水雾提高风冷系统的冷却效率;设计了可控风道系统,可在SMA弹簧加热和冷却过程分别关闭和打开相应风道,进而提高响应速度和能量利用率。进一步,建立了系统理论模型,通过仿真得到不同条件下SMA弹簧的驱动时间。实验结果证明,相比传统风冷,新型冷却方式在低风速时使得SMA驱动器运动频率提升了26.7%,在高风速时运动频率提升了9.5%。最后,将该系统应用在一款仿生手指上,通过实验证明了应用新型冷却方式的SMA驱动系统能有效提高仿生手指的运动性能。

一种形状记忆合金半主动TMD系统的试验研究

针对调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)系统应用于轻型结构时易失调从而导致减振效果下降的问题,提出了一种新型形状记忆合金半主动TMD系统。该系统利用钢索悬吊质量块并承担其全部重量,使用有效截面为矩形的大尺寸镍钛形状记忆合金棒材,提供TMD系统水平面2个方向不同的抗弯刚度。为了研究该系统的半主动性能,进行了足尺形状记忆合金半主动TMD系统的自由振动试验,通过改变形状记忆合金的工作温度,研究了温度变化对TMD系统频率及阻尼比的影响。研究结果表明,控制形状记忆合金工作温度从-40~+80℃,TMD系统的频率随温度升高呈现升高趋势,而阻尼比随温度升高呈现下降趋势。将该新型形状记忆合金半主动TMD系统应用于受控结构中,一旦TMD失调,可以通过改变形状记忆合金的温度使其重新调谐。因此,设计的新型形状记忆合金TMD系统在轻型结构减振研究中具有一定的工程应用价值和前景。

硼元素对CuAlNiMn形状记忆合金微观组织与力学性能的影响

通过在合金中引入微量硼元素,采用真空电弧熔炼炉制备Cu-12Al-4Ni-1Mn-x B(x=0%,0.1%,0.2%,0.3%,质量分数,下同)形状记忆合金,研究硼的添加对合金微观结构、物相转变和力学性能的影响。结果表明:硼的引入可显著细化晶粒,晶粒尺寸从数百微米下降至(11±3.45)μm。硼元素添加后,物相转变温度向高温侧移动,表明相变过程需要更高的热激活能。当硼含量为0.2%时,合金显微硬度得到提升,由未添加硼元素的(301.7±2.6)HV提高至(334.3±3.4)HV,这应与晶粒细化和硬脆相硼化物的析出有关。合金拉伸断裂强度和断后伸长率得到极大提升,当硼含量为0.2%时,断裂强度由(320±2.6) MPa提高至(788±17) MPa,伸长率由(1.44±0.05)%提高至(3.74±0.12)%,固溶退火后,二者进一步提升至(856±10.7) MPa和(5.78±0.16)%。分析表明,细晶强化、硼化物颗粒的沉淀强化以及固溶强化是力学性能提升的主要机制,合金断裂模式由脆性断裂转变为韧性断裂。

形状记忆合金自复位耗能装置滞回性能及简化分析模型

将形状记忆合金(SMA)应用于耗能装置,可限制耗能装置在强震作用下的残余变形,提升装置自复位能力和结构抗震韧性。采用软钢和SMA材料,设计研发一种由内环和外环核心元件组装而成的新型自复位耗能装置。通过建立自复位耗能装置的精细化有限元分析模型和简化分析模型,分析该新型装置在不同内环和外环核心元件参数下的承载能力、耗能能力、自复位能力等滞回性能变化规律,并通过已有试验结果验证精细化有限元分析模型的有效性,进而通过该模型验证简化分析模型的准确性。设计研发的新型装置内环和外环元件可近似为独立工作,自复位耗能机制明确。当内环和外环元件均采用软钢材料时,装置的耗能能力较强,但残余位移极大;当内环元件采用SMA材料、外环元件采用软钢材料时,装置的耗能能力下降较为明显,但残余位移变化不大;当内环元件采用软钢材料、外环元件采用SMA材料时,装置耗能能力下降明显,但残余位移极小。对于内环元件采用软钢材料、外环元件采用SMA材料的装置,内环和外环元件的厚度增大均可显著提升装置的抗侧刚度、承载能力和耗能能力,残余位移会随着内环元件厚度减小或外环厚度增大而减小。在抗震设计时,可根据结构抗震需求,选取元件设计厚度。

形状记忆合金自复位减振装置研制与验证

为改善第二喉道中的可调中心体机构(简称中心体)在工作状态下的流致振动,根据形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)偏置双程驱动原理,设计制作一种能够满足中心体有限安装空间要求的SMA自复位减振装置;采用UMAT接口编制的SMA本构关系子程序实现减振装置最大压紧力的数值分析,数值分析与静态调试试验结果误差约为2.58%;搭建地面减振试验平台,测试SMA自复位减振装置分离和闭合状态下的中心体零部件振动响应。减振试验结果显示:SMA自复位减振装置闭合后,中心体振动响应明显降低,在0~100 Hz频带内,均有明显的减振效果,低频至55 Hz范围内,减振率均大于50%。