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。

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。

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。

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.

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.

高强度高应力循环稳定的HDH多孔NiTi形状记忆合金

以氢化脱氢(Hydrogenation dehydrogenation,HDH)钛粉和镍粉为原料制备的多孔NiTi形状记忆合金普遍承载性能与可恢复应变较差.本研究以NaCl为造孔剂,通过在高真空(10^(-4)Pa)下高温(1250℃)均匀化烧结制备出了高强度、高应力循环稳定的多孔NiTi合金,研究了不同孔隙率下的微观结构、相变行为、力学性能以及细胞毒性.研究发现,随着NaCl添加量的增加,样品的孔隙率和孔径增大,同时氧含量略有增加.在样品中观察到无热处理自发形成的Ni_(4)Ti_(3)沉淀相,沉淀相尺寸随样品氧含量增加而增加.所有样品的马氏体相变均呈现多峰现象,主要归因于非均匀分布的Ni_(4)Ti_(3)沉淀相引发的多步相变效应.孔隙率为14%~37%的多孔NiTi合金的压缩强度为1236~1600 MPa.与其他粉末冶金法制备多孔NiTi合金的抗压强度相比,本研究所获得的合金表现出超高的强度.样品在8%应变压缩加载-卸载后同时表现出超弹性和形状记忆效应,经加热处理后形状恢复率超过99%.在循环压缩实验中,多孔NiTi样品在接近8%应变的高应力下承受了50次循环.样品的残余应变随着周期数的增加而增加.随着孔隙率的增加,循环结束时的最终残余应变为1.4%、1.55%和1.66%.低的残余应变说明多孔NiTi样品在高应力压缩环境中具有较好的稳定性,这归因于Ni_(4)Ti_(3)沉淀相对基体的强化作用.使用MC3T3E1细胞评估了样品的细胞毒性,结果表明多孔NiTi样品具有较低的细胞毒性.

Ni含量对激光粉末床熔融成形NiTi形状记忆合金显微组织和力学性能的影响

激光粉末床熔融(laser powder bed fusion,LPBF)成形NiTi合金由于Ni元素的蒸发导致成分偏离粉末设计成分,而NiTi合金的形状记忆效应、超弹性等性能受Ni含量影响极大。因此有必要对不同Ni含量NiTi合金的LPBF成形性、显微组织以及力学性能开展研究。采用真空电极感应熔炼气雾化技术制备了Ni_(50.8)Ti、Ni_(51.0)Ti以及Ni_(51.5)Ti(原子分数,%)3种预合金粉末,研究其在不同工艺参数下的冶金缺陷、显微组织及力学性能的演化规律。结果表明,高Ni含量NiTi合金在LPBF成形过程中容易产生垂直于建造方向的裂纹,成形性较低Ni含量NiTi合金差。Ni_(51.5)Ti合金室温下的临界应力可达476 MPa,但断裂伸长率仅为2%;Ni_(50.8)Ti合金临界应力仅为122 MPa,断裂伸长率可达8%。

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。

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。

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。

纳米晶NiTi记忆合金应力诱发R→B19′相变的超弹稳定性

通过对Ni_(50.2)Ti_(49.8)(at%)记忆合金丝材进行大变形冷拔和低温退火获得了平均晶粒尺寸为15 nm的纳米晶NiTi记忆合金丝材样品,然后采用应变量为6%的20次拉伸循环实验研究了纳米晶NiTi合金力致R→B19′相变的超弹稳定性。结果表明:纳米晶NiTi合金在经过20次拉伸循环变形后,其超弹应力为734 MPa,超弹应力的减小率为16%,残余应变为0.61%,此综合超弹性能优于以往粗晶NiTi记忆合金。这主要源于纳米晶NiTi记忆合金中细晶强化显著提高了合金屈服强度,因此降低合金马氏体相变过程中塑性变形,可使纳米晶NiTi记忆合金呈现高的超弹稳定性。

基于NiTi温敏形状记忆纳米结构调控的润湿性研究

NiTi合金是常见的形状记忆合金,有着良好的形状记忆效应、超弹性、耐腐蚀性和生物相容性,在生物医疗、航空航天和微机电等领域有着广泛的应用。目的研究NiTi合金表面不同纳米级结构的润湿性能,改善NiTi合金在工作环境下的磨损情况,提高NiTi合金的使用寿命。方法使用分子动力学方法模拟周期性边界条件下NiTi合金的形状记忆效应,研究在不同温度下NiTi合金原子的微观结构演化;同时基于NiTi合金温度响应下不同的微观结构,建立液滴静态接触角仿真,研究NiTi合金表面在不同微观结构下的润湿性能。结果发现NiTi合金在不同温度响应下发生相变,从而使NiTi合金的表面原子排列发生改变,展示了温度诱发NiTi合金的相变和逆相变行为以及在原子尺度下的微观结构演化,再以不同温度响应下发生相变和逆相变的NiTi合金表面作为基底,发现其表面的润湿性也发生了改变和恢复。结论NiTi合金随温度响应发生相变,微观结构发生改变,其表面的润湿性能也发生改变;而且NiTi合金随温度逆相变,微观结构恢复到初始状态,其表面润湿性也能随之恢复到初始状态;NiTi合金在相变过程中的奥氏体和马氏体含量会影响NiTi合金表面润湿性能,因此能够通过温度进行NiTi合金表面在微观结构下润湿性的自适应调控。

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 。

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．

化学表面处理对NiTi形状记忆合金耐蚀性的影响

通过化学表面处理在医用NiTi形状记忆合金上形成了主要成分为羟基磷灰石的活钙磷层。钙磷层的存在提高了NiTi合金在模拟人体环境中的耐蚀性 ,抑制了Ni离子在生物体内的溶出 。

钙磷层对NiTi形状记忆合金与骨组织结合特性的影响

用化学处理的方法 ,在NiTi合金表面生成钙磷 (Ca P)层 ,再将试样植入日本大耳兔的股骨中考察其生物相容性。试验结果表明 :经表面处理的试样和骨组织结合良好 ,并能传导新生骨的形成 ,表明经处理后有良好的生物相容性。而未经处理的试样 ,在实验范围内 。

轻质高强NiTi形状记忆合金的制备及其超弹性行为

采用球形尿素颗粒预造孔工艺结合梯级粉末烧结方法制备出孔形规则、孔径大的轻质高强多孔NiTi形状记忆合金.通过控制造孔剂(尿素)的含量可有效调节多孔合金的孔隙特征,获得孔径均匀、孔形圆整和孔隙率可控的样品,其中孔径为296- 732μm,孔隙率为31%-61.6%;尿素形状和尺寸对多孔合金的孔隙特征有决定性影响,具有几何形态遗传性;尿素对多孔NiTi合金的组成相影响很小,相变仍具有马氏体相变特征;合金具有优良的力学性能和稳定的线性超弹性.