形状记忆合金在预应力混凝土中的应用

摘要 本文回顾了形状记忆合金的发展历史，介绍形状记忆合金的基本原理和性能。与传统的结构材料不同，形状记忆合金的形状能随外界温度的变化而改变，是一种新型的功能材料。在总结形状记忆合金现有应用的基础上，阐述了这种功能材料进一步推广应用中存在的主要问题，并提出了将其用于建筑工程中的新设想。

关键词：形状记忆合金；形状记忆性能；预应力混凝土

Abstract: this paper reviews the development history of the shape memory alloy, this paper introduces the basic principle of shape memory alloy and performance. And the traditional structure material is different, shape memory alloy shape varies with the change of the temperature change, is a kind of new functional materials. At the conclusion of the shape memory alloy existing application is described on the basis of the functional materials further popularized the main existing problems, and puts forward the new idea of the project for building.

Keywords: shape memory alloy; Shape memory performance; Prestressed concrete

中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：

一、记忆合金的发展史

形状记忆效应是材料内部发生可逆马氏体相变的宏观表现，具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金。形状记忆合金的发现，最早可追溯到1938年Greninger和Mooradian[1]对Cu-Zn合金中马氏体随温度升降而呈消长现象的报道，1948年Kurdjumov[2]预测在具有可逆相变的合金中可能呈现热弹性马氏体，1951年张禄经和Read[3]在光学显微镜下观察到Au-Cd合金马氏体与母相界面随外界温度的变化发生可逆移动，但是当时人们并没有意识到这种微观组织的变化与宏观形状之间的相互联系。直到1963年美国海军军械研究室Buehler等[4]偶然发现变形后的Ni-Ti合金丝在受热后能够自发地恢复到变形前的形状，形状记忆效应和形状记忆合金的研究才真正得以重视，研究工作进入了一个新阶段。从上世纪七十年代开始，陆续开发出新的合金系，目前形状记忆性能稳定并获得实际应用的合金系主要有：Ni-Ti基、Cu基、Fe基合金，这些合金都是依靠温度来控制材料的外形，上世纪九十年代中期又开发出以Ni-Mn-Ga合金为代表的磁性形状记忆合金，可以利用磁场的变化控制材料的外形。

图1 形状记忆效应 (a) 单程记忆性能；(b) 双程记忆性能

二、形状记忆性能

形状记忆效应可分为单程形状记忆和双程形状记忆两大类，形状记忆合金经高温固溶处理后淬火至室温得到马氏体组织，随后在外力作用下改变合金的形状，一旦加热到马氏体逆转变的结束温度Af以上，材料将恢复到变形前的形状，再次冷却到室温，材料的形状将不会再发生改变，这种性能称为单程形状记忆效应，如图1(a)所示。如果对高温淬火后的合金作适当的双程形状记忆训练，训练后材料的外形可以随温度的改变呈可逆的变化，这种性能称为双程形状记忆效应，如图1(b)所示。如果马氏体转变开始温度Ms高于室温，淬火处理后不会得到马氏体组织，在外力作用下改变材料的外形，此时可以应力诱发马氏体转变，这些马氏体在室温下是不稳定的，一旦去除外力，应力诱发的马氏体将自发地恢复到母相，即外力作用下的形状是不稳定的，这在性能上表现为伪弹性。此外，形状记忆合金通常还具有优良的阻尼性能。

三、工程实际应用

利用形状记忆合金的奇特性能，已开发设计了各种装置，在不同领域中得到应用。下面简要介绍部分应用实例。

3.1 连接紧固件

利用形状记忆合金的单程形状记忆性能，可以制成管接头、紧固圈和紧固铆钉等连接紧固件，例如美国军方规定Ni-Ti基记忆合金管接头作为军用飞机液压管路连接的唯一许用系统，我国已将Fe基记忆合金用于连接石油管线。记忆合金连接件具有结构简单、重量轻、占用空间小、安全性高、性能稳定可靠等特点，已被广泛地应用于航天、航空、电子和机械工程等领域。

3.2 驱动元件

形状记忆合金在受热时恢复原始形状的同时产生恢复力，可以利用这种恢复力对外作功的特性制作各种驱动元件。如航天器上展开太阳能板的各种解锁机构，机器人手爪，汽车上替代石蜡波纹管的记忆合金驱动的节温器，用于控制循环水冷却系统的打开和关闭，使发动机处于工作效率最高的温度范围。这些记忆合金制作的驱动元件具有结构简单、灵敏度高、可靠性好、寿命长和驱动平稳等特点。

3.3 弹性元件

利用记忆合金具有的非线性伪弹性性能，可以实现均载连接、恒弹力驱动和紧固防松等功能，如Ni-Ti基合金的防松垫圈，其防松性能是普通65Mn钢垫圈的三倍，这种防松垫圈不仅利用了形状记忆合金的伪弹性性能，而且具有记忆合金的高阻尼特性。在建筑中使用Ni-Ti基记忆合金的防震板，可以有效地减轻或避免地震对建筑物造成的破坏。

3.4 在医学领域中的应用

由于Ni-Ti合金具有优良的生物相容性[5-7]和耐蚀耐磨性，以及高抗疲劳性和人体骨头相近的弹性模量等特点，Ni-Ti合金作为一种新型的生物功能材料，其形状记忆性能和伪弹性已广泛地应用于口腔、骨科、神经外科、心血管科、胸外科、肝胆科、泌尿外科及妇科等，我国从上世纪八十年代开始，成功地将Ni-Ti合金用于临床，在国际上处于领先水平。如牙齿矫形正畸丝[8]、口腔正畸用拉簧和推簧[9]、颌面骨折锔钉[10]、脊柱矫形棒[11]、加压缝钉[12]、锯齿臂环抱内固定器[13]、聚髌器[14]、凝血过滤器[15]、血管栓塞器[16]、各类血管及非血管内支架[17-18]等。

四、存在的问题

应该指出的是，形状记忆合金作为一种功能材料，虽然具有奇特的形状记忆性能，但是目前依然存在着不少材料学方面的问题，工程应用中遇到的瓶颈有以下几个方面。

4.1 马氏体转变温度对合金的化学成分非常敏感

以Cu-Zn-Al合金为例，1wt%Zn和1wt%Al的成分变化将分别引起Ms点改变80度和110度，这意味着在大批量的实际生产过程中，很难精确控制形状记忆合金的动作温度。

4.2 马氏体稳定化

合金淬火后的热弹性马氏体组织，在由于室温放置过程中原子有序度的变化，将逐步失去其热弹性特点，导致形状记忆性能的丧失。

4.3 热循环引起的性能衰减

随着热循环次数的增加，双程形状记忆的变化幅度逐渐变小，导致双程记忆性能的衰减。

4.4 晶粒粗大

形状记忆合金通常晶粒较为粗大，肉眼即可清楚地看出晶粒，粗大的晶粒带来材料疲劳性能的恶化。

4.5 脆性

形状记忆合金通常都是金属间化合物，而金属间化合物的最大问题是脆性较大，这给压力加工带来困难。

4.6 生产成本

在形状记忆合金中Ni-Ti基的合金性能最为稳定，但是Ni和Ti都属贵重金属，价格昂贵；Cu基合金的主要合金元素是Zn、Al以及少量的Ni，生产成本比Ni-Ti基合金低，但是其形状记忆性能也明显差于Ni-Ti及合金，尤其是热循环过程中的双程形状记忆性能衰减问题较为突出；Fe基合金以Fe-Mn-Si合金为主，不含任何贵重金属，但是其形状记忆性能主要表现为单程形状记忆，且可恢复的变形量较小。

五、在预应力混凝土中的应用

综上所述，形状记忆合金因其奇特的形状恢复功能，已在各领域获得应用，但是受其生产成本，特别是材料学方面问题的影响，在工程应用上还没有得到足够地重视。在已开发的应用实例中，面临的最大问题首先是在大批量生产中难以控制合金的马氏体转变温度，即记忆合金开始动作的温度，其次是双程记忆性能会在热循环过程中逐渐衰减。因此形状记忆合金理想中的应用场合应该是不需要非常准确的动作温度，仅利用其单程形状记忆效应，而且为了降低成本，合金中不应含有贵重的合金元素，为此本文提出用Fe-Mn-Si形状记忆合金替代预应力混凝土中普通预应力钢筋的设想。预应力混凝土的强度与其内部钢筋产生的预应力密切相关，普通预应力钢筋仅依靠材料弹性变形时的应力，形状记忆合金不仅可恢复的变形量更大，而且在发生形状恢复时可以产生很大的力，因此是生产预应力混凝土的理想材料。更为重要的是，用于生产预应力混凝土时，形状记忆合金不需要非常准确的动作温度，也不需要双程形状记忆性能。Fe-Mn-Si合金中也不含贵重的合金元素，虽然使用形状记忆合金后预应力混凝土的生产成本会略有上升，但是可望大幅度地提高混凝土的强度指标，综合性价比会显著上升。

六、结束语

形状记忆合金是一种新型的功能材料，其形状可以随外界温度的变化而变化。本文在总结记忆合金已有应用的基础上，提出了将记忆合金用于制作预应力混凝土的新设想，这一设想仅依靠合金的单程形状记忆性能，由于不需要严格限定形状恢复的温度，因此不需要精确控制合金的化学成分，可望显著地提高预应力混凝土的性价比。

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