形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，SMA）（一）

Posted on 2009/07/28 in 化學, 化學教育, 化學與社會 with 尚無留言 19,654 views

形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，SMA）（一）
臺北市立第一女子高級中學化學科何鎮揚老師/國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

一、形狀記憶合金特點
形狀記憶材料是指具有一定初始形狀的材料，經形變並固定成另一種形狀後，利用加熱、照光、通電等物理刺激或化學刺激的處理，又可恢復成初始形狀的材料，包括合金、複合材料及有機高分子材料等。1932年，瑞典人奧蘭德（A. Ölander）在金鎘合金中首次觀察到“記憶”效應，即合金的形狀被改變之後，一旦加熱到一定的溫度時，它又可以變回到原來的形狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金（shape memory alloy，SMA）。記憶合金的開發時間不長，但由於其在各領域的特效應用，正廣為世人所矚目，被譽為“神奇的功能材料”。

形狀記憶合金特徵可概述為，材料在某一溫度下受外力而變形，當外力去除後，仍保持其變形後的形狀，但當溫度上升到某數值，材料會自動恢復到變形前原有的形狀，似乎對以前的形狀保持記憶。合金材料恢復形狀所需的刺激源通常為熱源，故稱熱致形狀記憶合金。一個比較典型的例子是1969年阿波羅-11號登月艙所使用的無線通訊天線，該天線即用形狀記憶合金製造。首先將Ni-Ti合金絲加熱到65 ℃，使其轉變為奧氏體相（austenite）（圖一-a），然後將合金絲冷卻到65 ℃以下，合金絲轉變為馬氏體相（martensite）（圖一-b）。在室溫下將馬氏體相合金絲切成許多小段，再把這些合金絲彎成天線形狀，並將各小段合金絲焊接固定成工作狀態（圖二-a），將天線壓成小團狀，體積減小到原來十分之一（圖二-b），便於升空攜帶。太空艙登月後，利用太陽能加熱到77 ℃，合金轉變成奧氏體相，團狀壓縮天線便自動裝開，恢復到壓縮前的工作狀態（圖二-c）。

不同材料有不同的記憶特點，一般可分為三類。
一次記憶材料加熱恢復原形狀後，再改變溫度，物體不再改變形狀，此為一次記憶能力（圖三－a）。
可逆記憶物體不但能記憶高溫的形狀，而且能記憶低溫的形狀，當溫度在高低溫之間反復變化時，物體的形狀也自動反覆在兩種形狀間變化（圖三-b）。全方位記憶除具有可逆記憶特點外，當溫度比較低時，物體的形狀向與高溫形狀相反的方向變化，一般加熱時的回復力比冷卻時回復力大很多（圖三-c）。

二、形狀記憶效應機制
SMA的形狀記憶效應源於某些特殊結構合金，在特定溫度下，發生的馬氏體相－奧氏體相組織結構相互轉換。熱金屬降溫過程中，面心立方結構的奧氏體相逐漸轉變成體心立方或體心四方結構的馬氏體相，這種馬氏體一旦形成，就會隨著溫度下降而繼續生長，如果溫度上升它又會減少，以完全相反的過程消失。馬氏體相變是一種無擴散相變或體位移型相孿。嚴格地說，體位栘型相變只有在原子位移以切變方式進行，兩相間以宏觀彈性形變維持介面的連續與共格；其畸變能足以改變相變動力學和相變產物形貌的才是馬氏體相變。

在形狀記憶合金中，馬氏體相遠比母相軟得多（這與鋼恰好相反），在受到外力作用時，能夠很容易的通過馬氏體相內部的雙晶面的移動或馬氏體相之間的移動而改變形狀，經過加熱而回復到原來的母相時，這種形狀的改變會全部消失。

微觀方面，由圖4可見，當形狀記憶合金從高溫母相奧氏體（a）冷卻至馬氏體相變溫度T_Ms之後，轉變成含有孿晶的低溫馬氏體相晶體－孿晶馬氏體（b），這種馬氏體與鋼中淬火的馬氏體不一樣，通常它比母相還要軟，稱之為熱彈性馬氏體，在這種狀態下，受到外力作用時，適合於變形的孿晶部分將不適合於變形的孿晶部分侵蝕掉。成為一有利於取向的有序馬氏體－變形馬氏體（c）。將變形馬氏體加熱至逆轉溫度T_As以上外T_Af，晶體恢復到原來單一取向的奧氏體母相。

上述相變溫度可以通過改變合金成分做適當調節。例如鈦鎳合金中鎳的含量提高到50 %（原子）以上，可以使發生形狀記憶的溫度降低到攝氏零下幾十度的低溫。

如果直接對母相施加應力，也可由母相奧氏體（a）直接形成變形馬氏體（c），這一過程稱為應力誘發馬氏體相變。應力去除後，變形馬氏體又變回該溫度下的穩定母相，恢復母相原來形狀，應變消失，這種現象稱為超彈性或偽彈性。超彈性發生於滑移變形臨界應力較高時。此時，在T_As溫度以上，外應力只要高於誘發馬氏體相變的臨界應力，就可以產生應力誘發馬氏體，去除外力，馬氏體立即轉變為母相，變形消失。超彈性合金的彈性變形量可達百分之幾到20 %，且應力與應變是非線性的。

既然形狀記憶是一種由晶體相變所產生的馬氏體相，因加熱而逆轉變為原來的奧氏體相時發生的現象，為什麼同樣發生馬氏體相變的一般鋼材不能記憶自己的形狀呢？

SMA是以兩相自由能之差作為相變驅動力的，圖4所示，兩相自由能相等的溫度T_C稱為平衡溫度，只有當溫度低於平衡溫度T_C時才會產生、馬氏體相變，反之，只有當溫度高於平衡溫度T_C時才會發生逆相變；鋼的T_As和T_Ms之間的溫度差（稱為相變溫度滯後）高達數百度，即必須過熱或冷卻到足以積蓄很大的亥姆霍茲自由能差（稱為相變驅動力）才能發生馬氏體相的轉變；而Au-Cd合金和Ti-Ni合金相變溫度滯後僅有10～30 ℃，也就是說只要有極小的相變驅動力就可以發生相變。因此，把後面這種類型的相變叫做熱彈性型馬氏相變，以示與前者的區別。