3.4　形状记忆合金

形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA）在常温下为马氏体状态，当加热到相变温度之后成为奥氏体状态，当温度下降到相变温度以下时又回到马氏体状态。如果在马氏体状态下将SMA加工成一定形状，然后将其加热到相变温度以上，将使SMA记住该形状；而在低于金属相转变温度时，被加工成另一种形状，但是当温度达到或超过转变温度时，SMA自动变化成原来记忆的形状，如图3-4所示。利用SMA的形状记忆特性可以制成对环境温度敏感的热响应执行器，也可利用SMA的导电特性进行电加热，构成电驱动执行器。

图3-4　SMA金相结构转变

SMA性能的优劣可从应力-应变性能、迟滞的大小、相变温度范围 （Phase Temperature Range，PTR）及对热/应力循环的敏感性等几个方面评价。

不管是差动式驱动还是偏动式驱动，可恢复应变量越大，输出位移越大。

SMA在加热-冷冻循环中强弱转换的频率越快，驱动器的动作速度越快。

SMA对热/应力循环的敏感性是指SMA的应力/应变-温度关系因热/应力循环而产生的变化，变化越小，合金的抗疲劳性能越好，驱动器的可重复性和可控制性越好，寿命越长。

尽管形状记忆合金的种类不少，但目前已实用化的只有铜基合金（如 CuAlNi、CuZnAl等）和镍钛系合金（如NiTi、NiTiCu、NiTiFe等）。

铜基合金是最常见的形状记忆合金，不仅成本低，而且由于热导率极高，对环境温度反应时间短，对热敏元件而言是极有利的。

镍钛合金是性能最佳、可靠性最好的形状记忆合金，在强度、稳定性、记忆重复性与寿命等方面均优于铜基合金，非常适合用于制作执行器。镍钛合金的转变温度在-100～100℃，与合金组分有关。但镍钛合金加工困难、成本高，而且热导率比铜合金要低很多。

许多铁基合金也具有形状记忆效应，由于成本低、刚性好、易加工，亦受到人们的重视。

与其他类型的微驱动器相比，SMA微驱动主要有如下优点，使其非常适合作为微驱动器用于微机构中：

①可以提供相对较大的力和位移，从马氏体相逆变到奥氏体相后，弹性模量提高3～4倍等；

②机构大大简化，有着很高的功能重量比；

③可以利用自身的电阻作为回馈，简化控制机构；

④驱动时无污染、无噪声、驱动电压低，具环保优势。

SMA驱动的主要缺点是激励时消耗能量迟滞大，响应速度慢，并且散热过程比加热过程更慢。已有采用激光加热形状记忆合金的研究，目前已能够使得短小的形状记忆合金材料达到相变温度。由于SMA薄膜表面积大，散热能力强，可提高响应速度。同时SMA薄膜具有高的灵敏度，并易于集成制造，在微机械用智能材料结构领域受到人们的重视。

形状记忆合金的应用十分广泛，在某些领域已达到实用化的程度。形状记忆合金的应用主要有形状恢复的应用、伴随形状恢复时应力的应用、热敏感性的应用、作为能量储存体的应用。在这些应用中，作为敏感元件可利用其敏感性或热响应特性，利用形状记忆合金形状可反复变化这一特性，在微机电系统中，形状记忆合金可用于制作致动器。形状记忆合金集“感知”与“驱动”于一体，若将其复合于其他材料中，便可构成拥有巨大应用潜力的智能材料。