NiTi基形状记忆合金驱动器的研究进展

NiTi基形状记忆合金(SMA)驱动器存在驱动频率低、能耗高及控制精度不高的问题。综述了NiTi基SMA驱动器、一维宏观本构模型的研究进展,并提出了驱动器研究优化的方向,即异质多段型SMA驱动器的结构和制备工艺研究、传热状态的多参数宏观模型仿真及控制技术研究。

NiTi基形状记忆合金增材制造技术研究进展

NiTi基形状记忆合金具有优异的耐蚀性、生物相容性和形状记忆效应,应用非常广泛。增材制造技术能直接成形具有复杂形状的NiTi基形状记忆合金构件。目前可用于制备NiTi基形状记忆合金的增材制造技术有电子束熔炼、激光熔融沉积和选区激光熔炼。影响采用增材制造技术制备的NiTi基形状记忆合金性能的因素有增材制造工艺、化学成分和显微组织等。

基于选择性激光熔化NiTi形状记忆合金研发适用于Hybrid手术的脊柱变刚度复合内固定系统

目的基于选择性激光熔化3D打印Ni Ti形状记忆合金,研发弹性模量可调节的变刚度内固定棒,设计出适用于Hybrid手术的刚性-半刚性复合内固定系统。方法制备Ni Ti合金支架,使用扫描电镜观察其形貌,培养小鼠成骨细胞前体细胞,通过CCK-8试剂盒、Calcein/PI试剂盒和Actin-Tracker Red荧光染色检验选择性激光融化Ni Ti合金的生物相容性。利用腰椎有限元模型构建出适用于Hybrid手术的刚性-半刚性内固定棒模型,选择出对腰椎活动范围影响最小的最适弹性模量。制备最优刚性-半刚性复合内固定系统,通过ASTM F1717-21标准,验证其达到医学应用标准。结果利用选择性激光熔化3D打印技术成功制备出Ni Ti合金支架,通过扫描电子显微镜观察发现支架表面存在着未熔Ni Ti颗粒、裂纹等缺陷。利用CCK-8试剂盒、Calcein/PI试剂盒和Actin-Tracker Red荧光染色证明其生物相容性良好。有限元研究显示,6~50 GPa复合内固定系统的腰椎ROM保留效果最佳。ASTM F1717-21标准测试显示所制备的刚性-半刚性复合内固定系统符合应用标准。结论本研究证明了选择性激光熔化Ni Ti合金具有良好的生物相容性,并通过有限元分析选择出最优的刚性-半刚性复合内固定系统,根据ASTM F1717-21标准证明其达到了医学应用的标准。

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。

等径角挤压(ECAP)技术在NiTi基形状记忆合金中的研究进展

NiTi基形状记忆合金具有优异的形状记忆性能和超弹性,同时还具有强度高、抗疲劳性能优良、抗腐蚀性能好等一系列优点,已在航空航天、核电以及军工等领域取得了应用,是目前各类主流形状记忆合金中最具有实际工程应用价值的合金种类。为了提高NiTi基形状记忆合金的综合性能,人们通过各种手段开展了大量研究工作,渐渐深入认识了NiTi基合金的微观组织与相组成,以及合金相变行为、形状回复能力和力学性能等的主要影响因素,并一直尝试对合金的性能进行进一步提升。等径角挤压(ECAP)技术是目前最具有工业化应用前景的大塑性变形方法之一,该技术近年来在NiTi基形状记忆合金的研究中得到了越来越多的采用。根据目前的报道,ECAP通过显著细化合金微观组织,不仅能够实现力学性能的提高,同时还能对合金的相变行为、形状回复性能、耐磨性能等一系列性能产生有益的影响。基于此,本文整理了近年来国内外ECAP技术在NiTi基形状记忆合金中的研究成果,总结了NiTi基合金常用的ECAP参数以及该技术对合金微观组织、力学性能、相变行为以及记忆性能等各个方面的影响,分析了其优势以及目前主要存在的不足,并对日后的改进和优化方向进行了展望。

纳米晶NiTi形状记忆合金/Nb纳米线复合材料超弹应力的温度依赖性

NiTi形状记忆合金因其超弹性已经得到广泛应用,然而传统NiTi合金马氏体相变的超弹应力随温度的降低而快速减小(6~7 MPa/K),显著制约了其在宽温域中的应用。本文通过熔炼、锻造及拔丝获得纳米晶NiTi/Nb丝材,然后采用透射电子显微镜、差示扫描量热仪及拉伸试验机分别研究丝材的显微组织、相变行为及超弹性能。结果表明:纳米晶NiTi/Nb丝材中NiTi合金的平均晶粒尺寸为14 nm,丝材在降温和升温过程中分别发生热诱发B2→R相变和R→B2相变。在328~376 K温度范围内,纳米晶NiTi/Nb丝材应力诱发B2→B19′相变超弹应力的平均值为1002 MPa,超弹应力的温度依赖性为4.1 MPa/K。

NiTi形状记忆合金中的氢效应研究进展

NiTi形状记忆合金应用于牙齿正畸弓丝、心血管支架、流体阀门等场景时受应力与化学腐蚀的双重作用,导致合金出现一定程度的氢脆并影响构件的可靠性与安全性。本文围绕NiTi合金中的氢效应问题,综述氢在NiTi合金中的占位、存在状态与扩散行为。总结NiTi合金中氢的含量、状态、分布和扩散系数的表征方法,介绍氢对NiTi合金马氏体相变、阻尼行为的影响,重点讨论NiTi合金的氢脆行为、氢脆影响因素及氢脆机制,并总结用于避免或延迟NiTi合金氢脆发生的措施与方法。最后,提出氢在NiTi合金各相中的扩散行为研究、氢分布的可视化表征以及氢-马氏体相变相互作用等研究方向,以期为NiTi形状记忆合金的研究人员提供有益参考。

带孔形状记忆合金薄板弹热性能的实验和理论研究

NiTi形状记忆合金因其优异的弹热效应在新兴固态制冷领域具备广阔的应用前景.然而,该类合金较高的相变临界应力使得其弹热效应需要很高的机械载荷来驱动,对固态制冷器件的小型化和大规模应用带来了挑战.文章通过在NiTi形状记忆合金薄板上引入孔洞,揭示了孔洞体积分数、分布形式对薄板弹热性能的影响.结果表明,孔洞造成的应力集中效应能够在显著降低薄板相变驱动力的同时,有效增加薄板的整体制冷温度和吸热量.薄板在变形过程中的整体力-位移响应和温度演化强烈依赖于孔洞体积分数,孔洞分布形式仅仅影响薄板的局部应力-应变-温度场,而对整体的热-力响应影响较小.进一步地,基于应力对数客观率,在不可逆热力学框架下建立了形状记忆合金有限变形热-力耦合本构模型,并完成了模型的有限元移植.通过与实验结果的对比发现,提出的本构模型能够很好地预测孔洞对NiTi形状记忆合金薄板变形行为和弹热性能的影响,从而为该类合金带孔薄板的设计提供理论工具.

织构对激光定向能量沉积Ni_(50.8)Ti形状记忆合金超弹性的影响

NiTi形状记忆合金由于热弹性马氏体相变而表现出优异的超弹性和形状记忆效应,被广泛应用在医疗器械、航空航天等领域。采用激光定向能量沉积工艺制备Ni_(50.8)Ti形状记忆合金,通过室温压缩实验和循环压缩实验分析成形角度对合金超弹性及其稳定性的影响规律,借助X射线衍射分析、电子背散射衍射等表征手段分析不同成形角度合金的微观组织和织构特征,进而深入研究微观组织和织构对Ni_(50.8)Ti形状记忆合金超弹性及其稳定性的影响。结果表明:采用激光定向能量沉积制备的Ni_(50.8)Ti形状记忆合金由B2奥氏体相组成,基体成分均匀,无开裂现象。与Y轴呈90°的合金在室温下呈现出最佳的超弹性,0°的合金超弹性最差。同时,45°的合金呈现出强〈112〉织构,90°的合金呈现出强〈110〉织构,强织构合金的超弹性比弱织构(60°)和不利取向(0°)合金的超弹性更好,织构对于Ni_(50.8)Ti形状记忆合金的微观组织和超弹性具有显著的影响。

NiTi形状记忆合金纤维与工程水泥基复合材料界面粘结-滑移的本构关系

通过循环拉拔试验研究了形状记忆合金(SMA)纤维与工程水泥基复合材料(ECC)的粘结性能及其粘结滑移本构模型。在位移控制循环加载过程中,考虑SMA纤维直径、纤维末端形状和粘结长度的影响,获得拉伸应力位移曲线及粘结应力滑移曲线,结果表明:打结型端头可以为SMA纤维提供充足锚固力,其最大拉伸应力可达1039.7 MPa,分别为弯钩型端头、直型端头的2.69、6.97倍;增加SMA纤维与ECC的粘结长度会降低纤维最大拉伸应力,提高SMA纤维的延性;增大SMA纤维直径可使纤维最大拉伸应力增加,且延性也会增加,纤维更不易断裂;将SMA纤维与ECC的本构模型分为不充分锚固及充分锚固2类分别提出本构关系,试验曲线与拟合曲线基本吻合。

形状记忆合金纤维与高延性水泥基复合材料基体的界面粘结性能的影响

针对形状记忆合金(SMA)纤维端部形式、直径、深径比(粘结长度/纤维直径)3个因素设计制作了5组试件,通过位移控制加载进行拉拔试验,分析了破坏形态、拉拔应力-应变曲线、平均粘结强度以及纤维利用率等性能,并比较了各因素对其与高延性水泥基复合材料(ECC)粘结力学性能的影响。基于试验结果,对SMA纤维在ECC中的破坏模式和粘结-滑移机理进行分析。结果表明,SMA纤维拉拔应力-位移曲线分为弹性阶段、脱粘阶段、马氏体相变阶段以及马氏体硬化阶段,直型端部SMA纤维直径和深径比的增大均会降低界面间粘结力,而N型端部SMA纤维端部锚固力能够有效改善界面间粘结性能和提高纤维利用率。

纳米晶NiTi形状记忆合金在生物医用中的应用展望

传统的NiTi合金具有超弹性、形状记忆效应及优异的生物相容性在众多领域都有广泛应用,例如:在生物医用领域被制备成口腔正畸弓丝和血管支架。但生物医用器材需要精密化及小型化,传统NiTi合金已经跟不上发展,经过严重塑性变形的纳米晶NiTi合金比传统的粗晶和超细晶NiTi合金拥有更好的拉伸、抗压强度、塑性和疲劳性能等性能。有望扩大在生物医用领域的应用范围。纳米晶NiTi合金可以用于新型医疗器械制造和骨科生物材料,与Ag组合成NiTiAg三元合金不仅力学性能优异,还附带抗菌效果;与W纳米线/带复合形成W-NiTi复合材料提高辐射不透明度,使器械和植入物在人体内的定位和部署更加简单。近年来,还有一种新型表面改性技术:超声波纳米晶表面改性,在NiTi合金表面产生纳米结晶以改善疲劳和耐腐蚀性能等。主要介绍现有的NiTi合金的应用以及纳米晶NiTi合金在生物医用领域的应用展望。

NiTi形状记忆合金基本驱动特性

研究了预应变ＮｉＴｉ形状记忆合金丝的基本驱动特性。结果表明，加热和冷却过程回复力存在滞后行为；卸载过程中应力与应变具有与加热、冷却过程相关的非线性关系；卸载应力随卸载应变速率增加而降低。此外研究了预应变ＮｉＴｉ合金丝产生回复力后对外应力的响应行为。

NiTi形状记忆合金在恒定应力和温度下保温过程中马氏体相变诱发的可恢复应变

研究NiTi形状记忆合金在应力下等温保温过程中的应变变化。为了研究可恢复应变,对Ni_(51)Ti_(49)和Ti_(40.7)Hf_(9.5)Ni_(44.8)Cu_(5)合金进行3种制度的保温处理,分别是:应力下冷却后在应力下保温(制度1);无应力和载荷下冷却后在应力下保温(制度2);具有双向形状记忆效应的样品在应力下保温(制度3)。结果表明,所有制度中,在应力下保温后样品均会发生应变变化。该应变在后续热处理或卸载后能恢复,因此表明应变变化是由等温马氏体相变引起的。这种等温应变取决于合金的化学成分、等温保温制度、应力和保温温度。Ti_(40.7)Hf_(9.5)Ni_(44.8)Cu_(5)合金(制度1)和Ni_(51)Ti_(49)合金(制度2)的最大等温应变分别为3.4%和6.1%。制度3中的保温伴随着较小的应变(小于0.3%)。讨论储存弹性能对等温马氏体相变的影响,结果表明,当相变伴随着较小的储存弹性能时,等温应变较大。

基于响应面法的NiTi形状记忆合金热成形工艺参数优化

在变形温度为650~950℃、应变速率为0.001~10 s^(-1)和最大下压量为70%的条件下,采用Gleeble-3500热模拟试验机对NiTi形状记忆合金进行了等温恒应变速率压缩实验。基于实验数据分析了NiTi形状记忆合金的流变应力曲线,计算出不同工艺参数下材料的热变形激活能、Z参数和功率耗散系数,建立了基于响应面法的工艺参数和各材料参数间的预测模型,最后对响应面模型进行了多目标可视优化,得到了优化后的工艺参数。结果表明:在应变速率为0.1 s^(-1)下,当变形温度为650~750℃时,流变应力曲线呈动态软化特征,当变形温度为800~950℃时,流变应力曲线呈稳态流动特征。基于响应面法建立的预测模型具有较高的精度,优化后的工艺参数范围为650~870℃、0.001~0.006 s^(-1)。经组织分析验证,该区域主要的变形机制为动态回复。

几种Ag基钎料钎焊NiTiNb形状记忆合金的接头组织及性能

采用AgCuInTi、AgCuTi和AgCuPd三种钎料对NiTiNb形状记忆合金进行真空钎焊,对应的钎焊温度分别为780℃、880℃和980℃,获得了冶金质量良好的接头。微观分析结果表明,三种接头的中心区域均生成了Ag基固溶体,在该固溶体区与NiTiNb母材之间生成了灰黑色扩散反应层,其中AgCuInTi和AgCuTi钎料对应接头的反应层中生成了(Cu,Ni)Ti化合物相,而AgCuPd钎料对应接头的反应层中生成了(Cu,Pd,Ni)-Ti相。测试三种钎料对应接头的室温抗拉强度,强度最高的是AgCuPd钎料对应接头,平均值达到593 MPa;其次为AgCuInTi钎料对应接头,抗拉强度为528 MPa;强度最低的是NiTiNb/AgCuTi/NiTiNb接头,平均值为459 MPa。保温时间对NiTiNb/AgCuInTi/NiTiNb接头微观组织及强度影响较小。分析接头断口发现,断裂主要发生在性能薄弱的(Cu,Ni)Ti相区或(Cu,Pd,Ni)-Ti相区。

NiTi形状记忆合金的振动主动控制研究

以高分子材料梁为基体，在梁的两侧面嵌入Ｍ相状态的ＮｉＴｉ合金丝作为驱动组元，一侧面嵌入母相状态的ＮｉＴｉ合金丝作为振动感知组元；建立起振动主动控制系统，实现了系统振动主动控制的计算机仿真．试验结果表明：ＮｉＴｉ形状记忆合金可灵敏地感知系统振动，在低频（小于１Ｈｚ）范围内，可有效抑制振动；试验结果验证了计算机仿真结果的正确性．提出通过增加组内ＮｉＴｉ丝的可控数量，可有效地提高ＮｉＴｉ合金控振频率的上限．探讨了ＮｉＴｉ形状记忆合金应用于结构振动主动控制中所存在的问题．

三元Ni-Ti基形状记忆合金的研究现状

针对二元NiTi形状记忆合金在应用中所显示出的局限性,三元NiTi基形状记忆合金通过第三组元的加入,改善了二元NiTi形状记忆合金的某些性能,弥补了其在应用中的不足,降低了成本,进一步扩大了NiTi基形状记忆合金的应用范围,从而一直受到研究者的广泛关注。综述了三元NiTi基形状记忆合金的研究现状,总结了存在的不足:首先,对于合金体系还需要大量的量化研究,确定出不同应用条件下合金的有效成分范围是其实用化的基础;其次,合金制备过程熔炼介质对合金产生的影响等重视不够;同时,应用性能研究还有待加强,性能的长效性与稳定性是关键,这方面的研究还缺乏充分而有效的数据。

化学修饰对NiTi形状记忆合金氧化膜的影响

用X光电子能谱 (XPS)研究了NiTi形状记忆合金经酸、碱处理后表面氧化膜成分和结构的变化。结果表明 ,未经处理的NiTi合金表面最外层氧化膜主要由TiO2 、TiO和少量的Ni组成 ,酸、碱处理后 ,最外层氧化膜由TiO2 、Ni2 O3 组成 ,但经碱处理后 。