形狀記憶合金（Shape memory alloy，SMA）是一種新型的智能材料，其特性為在特定溫度下可以恢復(fù)原始形態(tài)，一般而言這種特性的發(fā)生環(huán)境為高溫，其所具有的超彈性效應(yīng)、高電阻特性、在不同的溫度下具有的彈性模量可變性和自我恢復(fù)功能是一般金屬材料不能實現(xiàn)的。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，這種類型的合金在材料領(lǐng)域地位也不斷上升，科研人員的努力探索也使得形狀記憶合金的發(fā)展更具有現(xiàn)實意義。

超彈性輪胎

NASA格倫研究中心自20世紀80年代以來就開始在太空技術(shù)中應(yīng)用形狀記憶合金，包括NASA的探路者火星探索器。在大多數(shù)情況下，它們用于一次性天線或貨物部署、拔釘器或其他一次性的設(shè)備。而航空標準則要嚴格得多，設(shè)備必須執(zhí)行數(shù)百萬次循環(huán)。

NASA格倫SMA團隊開發(fā)了一種非充氣的輪胎。這種超彈性輪胎本是為未來的月球和火星任務(wù)而開發(fā)的，但它是目前地球上充氣輪胎的可行替代品。這項技術(shù)是受到阿波羅登月輪胎的啟發(fā)，使用高應(yīng)變的形狀記憶合金作為承載部件而不是典型的彈性材料，這導(dǎo)致輪胎能夠承受過度變形而沒有永久性損壞。

使用形狀記憶合金作為徑向加強元件也可以增加輪胎的承載能力。超彈性輪胎提供與傳統(tǒng)充氣輪胎相同或更高的牽引力，消除了被刺穿或“充氣不足”的情況，從而提高了汽車的燃油效率和安全性。而且，該輪胎設(shè)計不需要內(nèi)框架，其既簡化又減輕了輪胎/車輪組件的重量。

該輪胎目前已經(jīng)可以投入使用

NASA格倫SMA團隊的這項創(chuàng)新輪胎利用形狀記憶合金（主要是NiTi及其衍生物）作為承載部件。這些形狀記憶合金能夠承受顯著的可逆應(yīng)變（高達10%），使得輪胎在經(jīng)歷永久變形之前能夠承受比其他非充氣輪胎更大的變形量。

在NASA格倫研究中心測試中的形狀記憶合金輪胎

通常使用的彈性塑料材料（例如彈簧鋼，復(fù)合材料等）在屈服之前只能承受約0.3-0.5%的應(yīng)變。因此，使用NiTi形狀記憶合金產(chǎn)生超彈性輪胎，該輪胎幾乎不受塑性變形的影響。此外，形狀記憶合金的使用提供了對作為變形函數(shù)的有效剛度的增強控制，提供增強的設(shè)計多功能性。例如，可以使Glenn超彈性輪胎隨著偏轉(zhuǎn)增加而變軟，從而減少在高變形事件期間傳遞到車輛的能量。此外，與彈簧相反，使用徑向加強件形式的形狀記憶合金提供了更大的承載潛力和改進的設(shè)計靈活性。這種類型的柔性輪胎將允許在越野應(yīng)用中增加行駛速度。

變形機翼

傳統(tǒng)的飛機技術(shù)會有很多活動部件，執(zhí)行器、電纜、電機、潤滑劑、液壓齒輪和其他所需的螺釘都會使這些部件在任何飛機上占據(jù)重量和寶貴的空間資源。

NASA格倫研究中心的工程師則通過形狀記憶合金來制造變形機翼。由形狀記憶合金制成的零件通常是傳統(tǒng)零件尺寸和重量的10%到20%，飛機制造商、研究人員和NASA等政府機構(gòu)可以使用這些金屬來做更多的工作，而不僅僅是減少燃料費用。形狀記憶合金也可以用于將運動部件添加到平面上，使用傳統(tǒng)的機械裝置在尺寸和重量上往往太過冗余。溫度激活的折疊式機翼將允許航空母艦在甲板上塞入更多的戰(zhàn)斗機。這項技術(shù)甚至可以平息聲波轟鳴聲，為協(xié)和式超音速客機的復(fù)興打開大門。

NASA格倫研究中心的工程師Benafan使用長而空心的鎳鈦合金管替換各種可動翼部件的鉸鏈。這些SMA管執(zhí)行器能夠?qū)?00磅重的機翼向上或向下移動180度，這為飛行員提供了另一種在湍流撞擊時保持穩(wěn)定的工具。之后Benafan開始在掏空的F/A-18戰(zhàn)斗機機翼內(nèi)安裝形狀記憶管，這是對鎳鈦合金動力翼在不同飛行條件下的表現(xiàn)進行長期測試的一部分。

波音公司的工程師Jim Mabe和他的同事發(fā)明了一種降低渦輪發(fā)動機噪音的系統(tǒng)。它被稱為可變幾何形狀的“V”，它基本上是一個巨大的額外整流罩，可以安裝在渦輪機的外部排氣口周圍，就是那個整流罩的尾端鋸齒形，每個V都用厚厚的形狀記憶合金條帶螺栓固定。加熱時，形狀記憶合金會彎曲，這些V的尖端會浸入廢氣流中，為熱空氣增加恰當?shù)耐牧髁恳詼p少噪音。對形狀記憶合金的加熱越多，其彎曲的越多，所以當處于不同的空氣條件下時，可以在V中設(shè)置更多的角度。

可折疊機翼

NASA格倫研究中心、NASA阿姆斯特朗飛行研究中心和波音公司的工程師們成功地使用形狀記憶合金（SMA）來移動F/A-18大黃蜂戰(zhàn)斗機的全尺寸機翼部分。

工程師們拆除了原本F/A-18上舊的136公斤重的機翼部分，使該團隊能夠可以使用新開發(fā)的鎳-鈦-鉿材料機翼折疊整個機翼部分。該團隊開發(fā)出的新型鎳鈦鉿高溫SMA扭矩管執(zhí)行器，能夠施加564Nm的扭矩。

從水平位置開始，SMA執(zhí)行器根據(jù)指令進行電加熱和冷卻，使機翼上下移動90°。研究人員還能夠?qū)C翼部分精確地移動到掃描中的任何選定位置。

到目前為止，SMA執(zhí)行器已經(jīng)在遠程控制的原型技術(shù)——評估研究飛機（PTERA）上進行了測試，但現(xiàn)在NASA正在通過在F/A-18大黃蜂的機翼部分安裝SMA執(zhí)行器來進一步采取措施。在測試期間，執(zhí)行器不僅能夠?qū)C翼向上和向下折疊90度，而且能夠非常精確地控制。它通過折疊機動進行管理，用于將戰(zhàn)斗機停放在航空母艦上，并將其折疊起來，因為飛機將在模擬實際飛行載荷的條件下飛行。

這次成功的測試是Spanwise自適應(yīng)翼項目的一個里程碑，該項目正在研究飛機機翼的飛行彎曲或成形部分。形成機翼的能力可以通過減少重量和阻力來提高飛機性能，同時改善飛機控制。

NASA將在后續(xù)繼續(xù)測試F/A-18機翼上的SMA執(zhí)行器，目的是將扭矩能力提高到2260N，并應(yīng)用于機翼部分的前緣和后緣。這項研究是NASA的Spanwise自適應(yīng)機翼項目的一部分，該項目正在研究機上適應(yīng)性機翼如何提高飛機的效率和控制能力。

無制冷劑制冷系統(tǒng)

德國的一個研究團隊開發(fā)出了一種先進的加熱/冷卻系統(tǒng)原型，該系統(tǒng)可以通過壓縮和卸載鎳鈦“肌肉線條”來加熱和冷卻空氣，其效率是熱泵效率的兩倍或者是空調(diào)效率的三倍。該設(shè)備不使用制冷劑氣體，這意味著它是一種更加環(huán)保的加熱或冷卻空間的方式。

該裝置基于某些形狀記憶金屬合金的特殊性質(zhì)，在某些情況下，特別是鎳鈦合金，這些金屬在彎曲變形時會吸收大量的熱量，然后在允許它們恢復(fù)正常形狀時釋放熱量，負載線和釋放線之間的差異可高達20℃。因此這種冷卻裝置在概念上非常簡單，它使用覆蓋鎳鈦諾線束的旋轉(zhuǎn)圓筒。電線在通過一側(cè)時被加載，從空氣中吸出熱量并將其存儲起來。然后當它們旋轉(zhuǎn)經(jīng)過另一側(cè)時，它們被允許彈回形狀，將熱量傾倒在第二側(cè)。空氣吹過每側(cè)的腔室，一側(cè)加熱空氣和另一側(cè)冷卻空氣。

德國薩爾州大學(xué)的研究小組一直在試驗這種裝置，以確定導(dǎo)線負載、轉(zhuǎn)速以及應(yīng)該捆綁多少導(dǎo)線達到最佳收斂，從而在給定的能量輸入下創(chuàng)建兩側(cè)之間最大可能的熱差。最終薩爾大學(xué)的團隊聲稱系統(tǒng)的加熱或冷卻功率比裝載和卸載合金線束所需的機械功率高出三十倍，具體取決于所用合金的類型。他們說，這使得他們的新系統(tǒng)的效率是傳統(tǒng)熱泵的兩倍，是傳統(tǒng)冰箱的三倍。

這種新技術(shù)也是環(huán)保的，不會對氣候造成危害，因為傳熱機制不使用液體或蒸汽，因此，空調(diào)系統(tǒng)中的空氣可以直接冷卻而無需中間換熱器，也不必使用無泄漏的高壓管道。并且鎳鈦合金是迄今為止高振幅應(yīng)變控制疲勞環(huán)境中已知的最具抗性的金屬，因此理論上無需擔心其金屬疲勞問題，不過這還需要后續(xù)的商業(yè)應(yīng)用來進行實際評估。

微型機器人動力

形狀記憶合金具有“記住”它們形狀的能力，這意味著它們可以變形，然后在加熱時恢復(fù)到它們之前的形狀。然而，現(xiàn)有的形狀記憶合金通常僅能夠從一種形狀改變?yōu)榱硪环N形狀，或者響應(yīng)于一種特定的溫度變化。通過開發(fā)功能梯度形狀記憶合金，一組英國研究人員希望在材料的不同點修改這些特性。以這種方式，材料可以響應(yīng)于裝置上的各個點處的不同溫度而改變其形狀。

英國Heriot-Watt大學(xué)的Duncan Hand教授正在開發(fā)一種新型合金，以應(yīng)用于更復(fù)雜和可控制的微型機器人。為了生產(chǎn)這種先進的材料，研究人員正在開發(fā)一種稱為功能分級激光誘導(dǎo)正向轉(zhuǎn)移（FG-LIFT）的新技術(shù)。

該技術(shù)使用脈沖激光將層疊在透明聚合物上的金屬薄膜如鎳、鈦或銅沉積在基板上。因此這種技術(shù)可以像老式的打字機色帶一樣，將各種金屬薄膜一層層地打印到[接收器]基板上，所以可能會放下三層鈦，四層鎳和一層銅。通過這種方式，該過程可以構(gòu)建三維元素，該團隊將其描述為體素，由不同金屬層組成。然后可以對材料進行熱處理，以仔細控制每個體素中金屬層之間的擴散過程，使研究人員能夠精確控制材料的成分。

通過將體素添加到一起，研究人員可以構(gòu)建在材料的特定點處具有不同屬性的3D微結(jié)構(gòu)。因此，該設(shè)備的某些部件可能是形狀記憶合金，有些部件不會產(chǎn)生這種影響，有些部件將采用不同溫度下運行的形狀記憶合金。

水母機器人

印度機電一體化儀器實驗室IITIndore的一個團隊開發(fā)了一種基于形狀記憶合金聚合物的軟機器人水母，用于使用智能和柔軟材料進行無噪聲海洋生物監(jiān)測。軟機器人技術(shù)是機器人技術(shù)領(lǐng)域的一種新興多米動力，SMA可以作為柔性執(zhí)行器技術(shù)的合適選擇，以模仿生物體的姿態(tài)。它是一種智能材料，可以從誘導(dǎo)變形中恢復(fù)，并在加熱時恢復(fù)其記憶形狀。

該團隊已在實驗室環(huán)境中對開發(fā)的機器人進行了測試，并實現(xiàn)了1cm/s的運動。該裝置使用基于SMA彈簧的機構(gòu)來模擬魚尾后翅的顫動，從而產(chǎn)生推動機器人魚的推進力。開發(fā)這種軟機器人的好處是它們允許無噪音驅(qū)動和簡單靈活的設(shè)計，從而消耗更少的制造時間。基于SMA線的聚合物結(jié)構(gòu)的連續(xù)加熱和冷卻負責其身體的觸角膨脹和收縮，其產(chǎn)生推力以使水母機器人在水中移動。

柔軟和智能材料的結(jié)合使其能夠模仿和創(chuàng)造靈活的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的運動，如真正的水下生物。這些機器人可以用于許多應(yīng)用，例如通過一些高度智能化的水下相機進行水下生物或珊瑚礁研究，或者一些來自水下的間諜行為，以避免通過水資源產(chǎn)生的不必要的威脅。

形狀記憶合金軸承

NASA的摩擦學(xué)和旋轉(zhuǎn)機械專家Christopher DellaCorte在嘗試使用鎳鈦合金制造球形軸承，因為傳統(tǒng)的滾珠軸承在極端環(huán)境下，特別是在航空航天飛行時，容易生銹和凹陷。但鎳鈦合金與傳統(tǒng)軸承鋼不同，鎳鈦合金由鎳和鈦組合而成，通常與其他金屬結(jié)合。最常見的合金是Nitinol 55，一種眾所周知的形狀記憶合金（SMA）。SMA是高彈性材料，可以扭曲和彎曲，但仍然可以恢復(fù)其原始形狀。

DellaCorte最初對測試任何Nitinol材料作為滾珠軸承持懷疑態(tài)度。因為這種尺寸不穩(wěn)定的材料很難產(chǎn)生良好的軸承，因為軸承需要有精確的尺寸，并且不會隨著時間而改變。精密的航空航天和商用飛行儀器保持尺寸穩(wěn)定性至關(guān)重要，鎳鈦合金不能確定能夠滿足這一要求。它也必須是非磁性的，非常堅硬并且能夠承受重摩擦——所有這些都會損害飛行能力。而測試使用的合金版本名為Nitinol 60，它非常穩(wěn)定并且可以通過仔細的熱處理使其變硬。DellaCorte和來自NASA格倫研究中心和雅培球公司的技術(shù)專家團隊決定對其進行測試。

最終他們得到了高質(zhì)量的Nitinol軸承球，其工作原理與超硬橡膠類似。這種新型球軸承的一種商業(yè)應(yīng)用是用于機翼部件，因為這種金屬不受用于在低溫下處理飛機的腐蝕性除冰劑的影響。該團隊目前還在對這種軸承進行進一步的測試。

總結(jié)

形狀記憶合金高端產(chǎn)品應(yīng)用主要集中在航空航天領(lǐng)域，而我國目前的形狀記憶合金應(yīng)用還主要集中在醫(yī)療器械領(lǐng)域，其他領(lǐng)域雖有少量應(yīng)用，但整體上講還沒有打開市場，因此，我國未來在形狀記憶合金的應(yīng)用發(fā)展方面可以更多關(guān)注航空航天、機器人動力等先進領(lǐng)域。

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