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       形状记忆合金（SMA）是指具有一定初始形状，经低温塑形后能够在热、光、电的刺激下恢复初始形状的一种新型金属功能材料。镍钛形状记忆合金（Ni-Ti SMA）是新型功能材料的“后起之秀”，形状记忆效应是它独树一帜的特性，它还具备超弹性、较好的耐腐蚀性和生物相容性。

       顾名思义，镍钛合金是由镍和钛组成的二元合金，镍原子和钛原子的个数比近似相等。利用温差改变镍钛记忆合金的形状，促使其对外做功，可以产生不竭动力。汽车上多种调节器的新型热敏元件，就是依靠形状记忆合金制成的弹簧来实现温控器的开启和闭合；应力诱发的超弹性，使得它被用于制作建筑物的自复位装置、恒弹力结构和均载连接等场合；镍钛记忆合金耐腐蚀和生物相容性的特点，让它成为了医用生物材料的首选。常用于制作各类功能型支架、复制人体组织和骨骼等。

镍钛合金为什么具有形状记忆效应呢？

       这得从晶体结构上说起。形状记忆效应的产生，是由于存在两种不同的晶体结构相。具有形状记忆效应的合金大多数发生热弹性马氏体相变。马氏体相变后合金留下较大的塑性变形空间。当合金被加热到最终温度以上时，低温的马氏体转变为高温的奥氏体，自动回复到初始状态。这实际上是由热诱发的一个相变过程。需要注意的是，奥氏体状态是去除载荷时的状态，呈立方体结构；而马氏体是加载时的状态，呈六边形结构。马氏体相变是无扩散的共格切变型相变，由母相转变为马氏体的过程中，原子没有扩散，因而仅仅是晶体结构发生了变化，无成分的改变。

奥式体（a）和马氏体（b）的互相转变

镍钛形状记忆合金的应用

（1）镍钛合金记忆效应的应用

       为了充分利用镍钛合金因形变而对外做的功，人们发明了使用镍钛合金制作的发动机。不同于一般发动机，镍钛合金制作的发动机摆脱了烧油，或燃气，或电力作为能源的束缚，仅依靠镍钛合金U形带在热水和冷水中的伸缩来驱使轮子转动，实现热能向机械能的转变。我们知道，科学家为了人类的生存和发展，一直在寻找清洁的新型能源。镍钛合金的出现，为我们寻求新能源指明了一个崭新的方向，实现了人们对输出能量大于输入能量的追求。换句话说，镍钛合金蕴藏的，不仅是一种形状记忆的效应，更是一种固态能源转换系统。截面积1cm2的镍钛合金棒，由于温度的变化能发出8.5t的力。

       除了作功，德国萨尔兰大学的科研小组还利用镍钛合金制成了人造肌肉驱动器，这是对镍钛合金形状记忆效应另一个层面的应用。该驱动器的直径为300-400微米，超轻且节能。当电流通过由镍钛合金制成的电线时，材料升温，晶体结构发生相变，从而使电线变短；电流切断后，电路冷却并恢复到原来长度。研究团队创建出这些精细的“肌肉纤维”，是由成束的超细镍钛合金丝组成，像肌肉纤维被分组成纤维束一样。用多股合金丝连接手指关节，模拟肌肉纤维做成手指的正面屈肌和背面伸肌，且能迅速地收缩和舒张。它们能绷紧、能弯曲，也能执行更为精确的运动。

（2）镍钛合金超弹性的应用

       超弹性是指试验样品在外加载荷的作用下能够产生远远大于常规材料弹性极限的应变量，在外加载荷卸载后试样的变形可以自动恢复。镍钛合金的弹性极限远远大于普通材料，并且不再遵守虎克定律，在一定形变范围内应力不随应变的增大而增大，而是呈现非线性关系。镍钛合金通过冶炼、热加工、冷加工及适当时效热处理加工即可获得超弹性，利用超弹性可以制作小巧玲珑、高自动化、性能可靠的元器件。如在医学上应用颇多的超弹性自膨胀型支架、矫正弓丝等。这样的弓丝在临床上表现为形变过程中产生的矫治力保持恒定，不会随着牙齿向矫治方向的移动而逐渐丧失。

（3）镍钛合金抗腐蚀的应用

       抗腐蚀也是镍钛记忆合金的强项。镍钛记忆合金表面氧化后形成一层TiO2氧化膜，可以增加合金表面层的稳定性，起到物理和化学屏障的作用。由于镍、钛的化学惰性，镍钛合金易形成厚度为2～20 nm致密的氧化层，在植入过程中，该氧化层生长并吸收矿物质（例如磷酸钙）和生物体液的其他成分，从而导致表面重塑，使其具有良好的耐腐蚀性。

       利用这些性能，镍钛合金制成的食管、气管、封堵器、腔静脉滤器等微创医疗器械，在植入人体的时候，不会引起机体的排斥反应。新型镍钛记忆合金温控输尿管支架已被生产且用于医疗手术中。它是一种螺旋式支架，遇热膨胀、遇冷变软。进行支架置入手术后，镍钛记忆合金支架在65℃热水的情况下成功膨胀，锚定于狭窄处，输尿管再度恢复通畅，为患者带来福音。由于镍钛形状记忆合金的刚度和硬度均与人体的骨组织十分接近，因此被认为是最理想的生物内固定植入材料。它在治疗肋骨骨折、关节手术和手外科疾病中起到了重要作用，常用来制作固定断骨的销子和接骨板，且具有良好的生物相容性。

镍钛形状记忆合金支架

       镍钛合金作为综合性能较好的形状记忆与超弹性材料，长期成为形状记忆合金研究中的重中之重。从传统的丝材、板材到新颖结构的薄壁管、薄膜，从传统的微米晶到纳米晶和非晶态，镍钛形状记忆合金与时俱进，走在发展的前沿。同时，大量结构新颖的镍钛合金应运而生，例如镍钛合金薄膜薄带、镍钛合金毛细管、块状纳米晶镍钛合金等。