能源開(kāi)發(fā)是形狀記憶合金一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。利用形狀記憶合金在加熱和冷卻時(shí)的形狀變化的性能，能夠把低品位熱能，如熱排水、地?zé)帷⑻?yáng)能等直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而加以利用。根據(jù)這一原理，已研制成功多種熱機(jī)，加速了熱機(jī)的小型化和輕便化。
近年來(lái)，世界各國(guó)研究人員正在開(kāi)發(fā)的記憶功能材料主要有形狀記憶、溫度記憶以及色彩記憶等多種，其中以形狀記憶合金材料發(fā)展最為迅速。由于形狀記憶合金材料在汽車(chē)、機(jī)器人、能源開(kāi)發(fā)、醫(yī)療器械及家用電器等領(lǐng)域具有優(yōu)越的性能及廣闊的應(yīng)用前景，因此它已成為21世紀(jì)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的新材料之一。
狀記憶合金是人們最早發(fā)現(xiàn)的記憶功能材料。早在20 世紀(jì)50 年代初期，美國(guó)伊利諾斯大學(xué)專(zhuān)家在試驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)金—鎘合金具有記憶形狀的功能，繼而又發(fā)現(xiàn)銦—鉈合金也有類(lèi)似的記憶效應(yīng)，但因其造價(jià)昂貴而未引起重視。直到1963 年，美國(guó)海軍武器研究所在研究鎳—鈦合金性能時(shí)又偶然發(fā)現(xiàn)該合金具有明顯的形狀記憶效應(yīng)，同時(shí)還具有許多其他金屬所不具備的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，如優(yōu)良的超彈性、耐腐蝕性和防振性等，從而引起了人們的重視，并開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行研究。近年來(lái)，形狀記憶合金隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展而嶄露頭角，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出幾十種具有形狀記憶功能的合金。目前已投入實(shí)用的形狀記憶合金主要有鎳—鈦系、銅系和鐵系或（不銹鋼系）三大類(lèi)。
形狀記憶合金的開(kāi)發(fā)
1. 鎳—鈦系形狀記憶合金
鎳—鈦系合金是形狀記憶合金材料中性能最優(yōu)越而且用途最廣的一種。鎳—鈦系合金的延展性、形狀記憶強(qiáng)度、應(yīng)變、耐蝕性、電阻及穩(wěn)定性均較好，但其成本高。這類(lèi)合金的形狀記憶行為有單向和雙向兩種，其呈現(xiàn)記憶行為的溫度范圍可借助合金的改良而加大或縮小。近年來(lái)，許多國(guó)家正致力于開(kāi)發(fā)一系列改良型鎳—鈦合金，通過(guò)添加其他元素進(jìn)一步改善其性能，并降低其成本。如添加銅或釩、鋁、鉻、鋯和微量鈣可大大改善其韌性、加工性和切削性；又如，在鎳—鈦—銅系合金中添加稀土元素和硼、硅、磷、硫等元素，可獲得恢復(fù)特性顯著提高的形狀記憶合金。日本住友電氣工業(yè)公司在鎳—鈦合金中添加銅（或鋁、鋯、釩、鈷、鐵）元素后，經(jīng)表面處理后拉絲，即可制得色彩漂亮的形狀記憶合金絲，以滿(mǎn)足對(duì)其裝飾性的要求。日本坎托克公司研制的一種鎳—鈦合金絲直徑只有頭發(fā)絲的一半，具有良好的復(fù)合性和可編織性；同時(shí)，這種合金富有彈性，對(duì)熱又十分敏感，因此在汽車(chē)閥門(mén)、熱水器、水量調(diào)節(jié)閥、小型電熱調(diào)節(jié)器以及胸罩等方面得到廣泛應(yīng)用。
2. 銅系形狀記憶合金
銅系形狀記憶合金比鎳—鈦記憶合金更便宜且容易加工成型，因此頗具發(fā)展?jié)摿Α５~系形狀記憶合金的強(qiáng)度不如鎳—鈦記憶合金，反復(fù)受熱的形狀記憶能力也衰減較快。為了提高銅系記憶合金的機(jī)械性能，可添加微量的鈦、錳、鋯。銅系形狀記憶合金中性能最好、應(yīng)用最廣的是銅—鋅—鋁合金。銅—鋅—鋁合金的導(dǎo)熱率高且對(duì)溫度變化敏感，可用于制作熱敏元件。美國(guó)和日本等國(guó)將銅—鋅—鋁合金應(yīng)用在溫室和育苗室等天窗自控開(kāi)閉器上，以自動(dòng)調(diào)節(jié)室溫。但銅—鋅—鋁合金的電阻率比鎳—鈦合金小，因此不宜用于通電升溫場(chǎng)合。通過(guò)在銅—鋅—鋁合金中添加鐵或硅等元素，可提高其耐腐蝕性能。日本東京一家公司開(kāi)發(fā)成功一種具有色彩記憶效應(yīng)的銅—鎳—鋁合金，該合金在溫度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生紅色、金黃色轉(zhuǎn)變，因此可廣泛應(yīng)用于制作工藝美術(shù)品、裝飾品、玩具及家電用品等。
3. 鐵系形狀記憶合金
鐵系形狀記憶合金成本低廉，原料豐富，更具有競(jìng)爭(zhēng)力。已經(jīng)開(kāi)發(fā)的鐵系形狀記憶合金有鐵—錳合金、鐵—鉑合金以及不銹鋼系形狀記憶合金等。通過(guò)在錳合金中添加硅，可獲得具有良好形狀記憶效應(yīng)的鐵—錳—硅合金。鐵—錳—硅合金的強(qiáng)度高，但耐腐蝕性較差。而在這種合金中添加鉻，則可大大提高耐腐蝕性。鐵系形狀記憶合金目前已在制作管接頭、鉚釘之類(lèi)連接件以及夾具等方面獲得廣泛應(yīng)用，不僅便于人們安裝和操作，而且安全可靠，是很有發(fā)展前途的功能材料。
日本新開(kāi)發(fā)的不銹鋼系形狀記憶合金，不僅形狀恢復(fù)特性和耐蝕性?xún)?yōu)異，而且具有很好的切削加工性和耐高溫氧化性。它的化學(xué)成分除了含有鉻、錳、硅和鐵主要成分外，還含有一定量的鎳或鈷、銅、氮等元素。這種不銹鋼系形狀記憶合金可以采用傳統(tǒng)的煉鋼爐熔煉, 并且可以利用普通方法制成成品, 應(yīng)用范圍很廣。
形狀記憶合金的應(yīng)用
形狀記憶合金由于具有許多優(yōu)異的性能, 因而廣泛用于自動(dòng)控制裝置、機(jī)器人、汽車(chē)工業(yè)、能源開(kāi)發(fā)、醫(yī)療衛(wèi)生以及日用消費(fèi)品等領(lǐng)域。
1. 用于汽車(chē)、機(jī)器人及能源開(kāi)發(fā)等自動(dòng)控制
形狀記憶合金具有溫度傳感器的功能，同時(shí)其外形恢復(fù)時(shí)作功，又有執(zhí)行元件的功能，因此應(yīng)用于溫度傳感器及執(zhí)行元件上，其自動(dòng)控制非常靈敏。形狀記憶合金使用最多的是制動(dòng)器。目前，在汽車(chē)工業(yè)上使用的形狀記憶制動(dòng)器已達(dá)一百多種，主要用于控制引擎、傳送、懸吊等，以提高安全性、可靠性及舒適性。形狀記憶合金在汽車(chē)手動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的防噪裝置以及發(fā)動(dòng)機(jī)燃料氣體控制裝置上也得到應(yīng)用。形狀記憶合金的記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)可應(yīng)用于位移感測(cè)器以及工業(yè)用機(jī)器人制動(dòng)器上。形狀記憶合金制動(dòng)器在機(jī)器人上的應(yīng)用已獲得可喜成果。利用形狀記憶合金彈簧與其合金絲可裝配成小型機(jī)器人，控制合金的收縮可操縱機(jī)器人手指的張開(kāi)、閉合以及屈伸等動(dòng)作。合金元件靠直接通入脈沖變頻電流控制機(jī)器人的位置、動(dòng)作及動(dòng)作速度。因形狀回復(fù)力受控于電流大小，故動(dòng)作起來(lái)很像生物體的肌肉動(dòng)作。
此外，能源開(kāi)發(fā)是形狀記憶合金另一重要的應(yīng)用領(lǐng)域。利用形狀記憶合金在加熱和冷卻時(shí)的形狀變化的性能，能夠把低品位熱能，如熱排水、地?zé)帷⑻?yáng)能等直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而加以利用。根據(jù)這一原理已研制成功多種熱機(jī)，加速了熱機(jī)的小型化和輕便化。
2. 用于牙科及血管疾病醫(yī)療器
形狀記憶合金所具有的超彈性以及與人體相容性好、無(wú)毒等特點(diǎn)，使之在醫(yī)療上的應(yīng)用取得可喜的進(jìn)展。
在牙科上，可用形狀記憶合金制作人造牙根、牙列矯正及牙套等。將假牙固定在一個(gè)鎳—鈦合金牙齦上，假牙齦下面是雙層合金根片；通過(guò)手術(shù)直接在低溫狀態(tài)使雙根片捏合在一起植入牙床的鄂骨內(nèi)，在體溫作用下雙根片逆變又恢復(fù)成原八字形，從而牢固地固定在鄂骨內(nèi)。這種人造牙根耐蝕性和人體相容性都很好，在牙科中已廣泛應(yīng)用。此外，形狀記憶合金還用作齒列矯正絲，它比用不銹鋼絲制作的更為優(yōu)越。記憶合金的超彈性卡子在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍能保持彈性，不必因彈性松弛而更換新的，又因其能長(zhǎng)時(shí)間地維持彈性，從而可縮短療程。形狀記憶合金也用于制作牙套，它能隨著兒童牙齒的發(fā)育而自動(dòng)改變，從而減輕戴假牙套不適而帶來(lái)的痛苦。
用鎳—鈦形狀記憶合金制作的血管疾病醫(yī)療器具有很多優(yōu)點(diǎn)。如，用形狀記憶合金制作的血管栓塞清除刀，在低溫下加工，使其呈卷筒狀，插入患者血管后，待溫度升到體溫時(shí)因形狀記憶效應(yīng)刀刃自動(dòng)平展，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)即可清除血管栓塞或沉積物。醫(yī)學(xué)專(zhuān)家還用形狀記憶合金絲與銀絲結(jié)合做成夾具，成功地進(jìn)行腦動(dòng)脈瘤的切除手術(shù)。
3. 用于家用電器
形狀記憶合金還廣泛應(yīng)用于食品加熱器、空調(diào)器及電飯鍋等家用電器中。日本夏普公司使用形狀記憶合金元件控制食品加熱器的微波加熱和對(duì)流加熱的轉(zhuǎn)換，使食品加熱器的體積和重量都大大減小，成本降低2/3。又如，日本松下電器公司用形狀記憶合金制造的兩用空調(diào)機(jī)風(fēng)向轉(zhuǎn)換裝置，其風(fēng)門(mén)換向動(dòng)作十分靈敏：當(dāng)風(fēng)溫在32 ～ 37℃時(shí)向下吹；風(fēng)溫降到25 ～ 32℃時(shí)自動(dòng)改為水平方向吹。這種裝置性能穩(wěn)定、輕便、造價(jià)低，風(fēng)門(mén)啟動(dòng)無(wú)噪音，深受用戶(hù)歡迎。形狀記憶合金還廣泛用于制作電飯鍋恒溫器，溫度升高時(shí)會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟，斷開(kāi)電路；溫度下降到一定程度又會(huì)接下電源而起到自動(dòng)保溫作用。
形狀記憶合金正邁向商品化
近年來(lái)，利用各種形狀記憶合金生產(chǎn)的“記憶”商品開(kāi)始風(fēng)靡市場(chǎng)，越來(lái)越的“記憶”商品進(jìn)入人們的日常生活，形狀記憶合金的應(yīng)用正進(jìn)一步邁向商品化。日本一家日用品公司生產(chǎn)的“記憶”胸罩投放市場(chǎng)后立即受到婦女青睞。這種胸罩是用一種又細(xì)又軟的鎳—鈦形狀記憶合金絲制成的，比傳統(tǒng)的胸罩更為輕巧、柔軟、富于彈性、感覺(jué)舒適，其最大優(yōu)點(diǎn)是洗滌后即使變形也能靠人體溫度傳感使之發(fā)揮記憶功能而恢復(fù)原狀。
日本古河電氣工業(yè)公司生產(chǎn)的形狀記憶合金眼鏡架，能隨鏡片伸縮而改變形狀，始終與鏡片緊密結(jié)合。該公司還利用形狀記憶合金的特殊性能制造可以改變發(fā)型的玩具娃娃。娃娃的頭發(fā)是用銅系形狀記憶合金絲制作，發(fā)型能隨溫度的變化而變化，因而備受孩子們的寵愛(ài)。日本一家皮鞋廠商推出世界上第一種采用形狀記憶合金的皮鞋，不僅輕柔合腳，而且有效地防止了皮鞋變形。
能源開(kāi)發(fā)是形狀記憶合金一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。利用形狀記憶合金在加熱和冷卻時(shí)的形狀變化的性能，能夠把低品位熱能，如熱排水、地?zé)帷⑻?yáng)能等直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而加以利用。根據(jù)這一原理，已研制成功多種熱機(jī)，加速了熱機(jī)的小型化和輕便化。