【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ℃2~30比熱容 kJ/(kg?K)失效時(shí)的伸長(zhǎng)率 %20~60加熱回復(fù)應(yīng)變 %6(低周)熱膨脹系數(shù) 106/℃10硬度90HB加熱可回復(fù)的應(yīng)力 MPa400（max）電阻率 106Ω?cm50~110抗腐蝕性能好熱循環(huán)的能力104~106熱導(dǎo)率（室溫） W/(m?K)10加工性能不好耐熱溫度 ℃≈250形狀記憶合金之所以具有很高的消震能力和良好的抗疲勞性能，是因?yàn)閼?yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的作用使得應(yīng)力集中得到弛豫。比如NiTi合金，在490MPa應(yīng)力下（比屈服強(qiáng)度高3倍）疲勞壽命達(dá)107周次，說明它的具有較高的抗疲勞性能；在2%總應(yīng)變時(shí)，CuAlNi的疲勞壽命比黃銅高2個(gè)數(shù)量級(jí)，這是由于應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變過程每次循環(huán)的損傷累積較少，是很好的增強(qiáng)材料。NiTi形狀記憶合金在壓應(yīng)力與拉應(yīng)力狀態(tài)下表現(xiàn)出的力學(xué)行為有著顯著的不同。不管NiTi形狀記憶合金處于母相還是處于馬氏體相，在壓應(yīng)力下都沒有出現(xiàn)如在拉應(yīng)力條件下的偽彈性現(xiàn)象。塑性變形隨著拉應(yīng)力的增加而增加的，但壓應(yīng)力下卻沒有觀察到壓應(yīng)力和壓應(yīng)變有著如上關(guān)系。這說明NiTi形狀記憶合金在拉應(yīng)力條件下的性能優(yōu)良，表現(xiàn)出了特殊的彈性，甚至它的彈性變形量與普通碳素鋼相比高出1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，而在壓應(yīng)力下，NiTi形狀記憶合金與普通碳素鋼無異，兩者呈現(xiàn)出類似的規(guī)律。NiTi形狀記憶合金除了擁有優(yōu)異的形狀記憶效應(yīng)之外，通過一定的處理后甚至還能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的超彈性。超彈性是指材料受到強(qiáng)大的外力作用使其產(chǎn)生的應(yīng)變量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于材料本身的彈性極限應(yīng)變量，去除外力之后材料能恢復(fù)到形變以前的初始狀態(tài)的現(xiàn)象，這是NiTi形狀記憶合金最引人注目的優(yōu)良特性之一。具有超彈性的NiTi合金因?yàn)榭梢猿惺苓h(yuǎn)大于自身彈性極限應(yīng)變量的應(yīng)變，且彈力效應(yīng)恒定不變，故其適合作為航空航天領(lǐng)域及電子行業(yè)的零件材料。NiTi形狀記憶合金的彈性滯后量較大，因此表現(xiàn)出優(yōu)異的阻尼性能，特別在拉應(yīng)力下的阻尼特性表現(xiàn)極好。與此同時(shí)，NiTi形狀記憶合金還擁有良好的塑性變形能力，它在發(fā)生脆性破壞前有很大的延伸量，總變形量可高達(dá)30%。 形狀記憶效應(yīng)普通的金屬材料在受外力作用時(shí)均表現(xiàn)為類似的力學(xué)行為：首先在外力作用下發(fā)生彈性變形，應(yīng)力應(yīng)變遵循胡克定律，外力繼續(xù)增大達(dá)到材料的屈服極限時(shí)材料發(fā)生塑性變形，此時(shí)進(jìn)入一個(gè)屈服平臺(tái)，在屈服階段發(fā)生的塑性變形即使外力撤銷后仍然留下永久性變形。形狀記憶合金違背的普通金屬材料的力學(xué)規(guī)律，在其發(fā)生塑性變形后，當(dāng)溫度升高至某一特定溫度以上，其塑性變形量消失，材料回復(fù)到形變以前的初始狀態(tài)，這就是形狀記憶效應(yīng)[23,24]。形狀記憶效應(yīng)在晶體中表現(xiàn)為：當(dāng)特定形狀的母相樣品由Af（奧氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束點(diǎn)）以上冷卻至Mf（馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束點(diǎn)）以下形成馬氏體之后，將馬氏體于Mf以下變形，經(jīng)加熱至Af以上，伴隨逆相變，材料會(huì)自動(dòng)回復(fù)在其母相時(shí)的形狀。形狀記憶效應(yīng)能夠分為三種：（1）單程記憶效應(yīng)在臨界溫度以下，合金可以變形至一個(gè)設(shè)定的馬氏體狀態(tài)時(shí)候的形狀，而在隨后的加熱轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶鄷r(shí)，上述明顯的塑性變形恢復(fù)了，這便是單程形狀記憶效應(yīng)，因?yàn)橹挥袩釥顟B(tài)的母相形狀被記憶了。（2）雙程記憶效應(yīng)雙程形狀記憶效應(yīng)是指在熱狀態(tài)的母相形狀和一個(gè)獲得的冷狀態(tài)下的馬氏體形狀之間加熱和冷卻所產(chǎn)生的可逆（雙程）自發(fā)的形狀變化，這種形狀記憶性能要求有一個(gè)溫度變化。雙程形狀記憶效應(yīng)和其他形狀記憶效應(yīng)之間最本質(zhì)的差別是雙程形狀記憶效應(yīng)的宏觀形狀變化時(shí)自然產(chǎn)生的，即沒有外力作用。（3）全程記憶效應(yīng)全程記憶效應(yīng)也屬于雙程形狀記憶效應(yīng)的一種，它指的是材料在升溫時(shí)恢復(fù)到高溫相的形狀，在降溫時(shí)恢復(fù)為低溫形狀，此時(shí)材料形狀相同但取向相反[2527]。 形狀記憶效應(yīng)示意圖 醫(yī)用NiTi形狀記憶合金（一）醫(yī)用NiTi形狀記憶合金特點(diǎn)NiTi形狀記憶合金由于具有良好的生物相容性、射線不透性、核磁共振無影響性和彈性模量接近人體骨骼的特性，以上諸多優(yōu)異性能使其成為醫(yī)學(xué)上一種理想的生物工程材料。在過去的30年里，NiTi形狀記憶合金在牙科、骨科、介入治療、心內(nèi)科、婦科等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用，包括牙齒矯正形絲、脊柱矯形棒、接骨板、心臟補(bǔ)片等[28]。其醫(yī)學(xué)原理多數(shù)情況下是利用NiTi合金構(gòu)件在從體外狀態(tài)（處于環(huán)境溫度，如室溫或冰鹽水，伴有外界約束）轉(zhuǎn)變到體內(nèi)狀態(tài)（處于體內(nèi)，去除約束）過程中，構(gòu)件感知兩種條件之間具有差異，對(duì)材料內(nèi)部微觀晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變或調(diào)整，宏觀上表現(xiàn)出形狀記憶或超彈性形狀恢復(fù)動(dòng)作。所以醫(yī)學(xué)上通常先將NiTi形狀記憶合金冷卻到0℃的低溫馬氏體狀態(tài)下進(jìn)行預(yù)變形，因?yàn)轳R氏體狀態(tài)下的NiTi形狀記憶合金比較軟，易加工變性，可以制成容易植入體內(nèi)的形狀，然后將NiTi形狀記憶合金置入人體內(nèi)，當(dāng)NiTi形狀記憶合金接觸到人體體液時(shí)，溫度升高至人體溫，由于具備形狀記憶效應(yīng)，合金發(fā)生逆轉(zhuǎn)變，恢復(fù)到預(yù)定的的初始形狀，從而產(chǎn)生較大的回復(fù)力起到矯形和支撐的治療效果[29,30]。（二）醫(yī)用NiTi形狀記憶合金的臨床應(yīng)用（1）介入醫(yī)學(xué)治療中的應(yīng)用NiTi形狀記憶合金具有優(yōu)異的耐腐蝕和生物相容性，能制成食道支架、呼吸道支架、膽道支架、尿道支架等腔道支架。良好的耐腐蝕性使得NiTi合金植入人體后能夠抵抗體液的腐蝕損壞，良好的生物相容性使其又不會(huì)給人體帶來不良反應(yīng)[31]。NiTi形狀記憶合金還能制成顱骨成形板和固定釘，治療顱骨缺損。常見的修補(bǔ)材料有硅橡膠、有機(jī)玻璃、鈦板和不銹鋼等，但是它們各有不足之處，例如，硅橡膠和有機(jī)玻璃強(qiáng)度偏低，手術(shù)后保護(hù)功能較差；有機(jī)玻璃、鈦板和不銹鋼塑性較低，在手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)塑型很難；鈦板和不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)較大，使得患者局部對(duì)環(huán)境溫度變化比較敏感。而采用NiTi形狀記憶合金制作的顱骨成形板和固定釘可以解決上述材料手術(shù)時(shí)帶來的所有問題，只需要在手術(shù)時(shí)將材料設(shè)定在指定溫度塑性，植入體內(nèi)達(dá)到人體溫度后即可自動(dòng)恢復(fù)原形而起到固定作用。（2）整形外科中的應(yīng)用NiTi形狀記憶合金是作為牙科正畸和根管預(yù)備器械的良好材料。NiTi合金具有柔和、易變曲、回彈性好、矯形力不減小、成形性好的優(yōu)點(diǎn)，在牙科正畸產(chǎn)品方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以制成矯治器中產(chǎn)生力量關(guān)鍵部位的牙齒矯形絲和彈簧等。而NiTi形狀記憶合金制成的根管預(yù)備器械在柔韌性和耐消毒性方面有著不銹鋼無法超越的優(yōu)異性能，可以制成根管銼等醫(yī)用材料。 課題理論依據(jù)單一的鎂鋰合金存在一定的缺陷，限制著其進(jìn)一步發(fā)展，例如鎂鋰合金強(qiáng)度較低、尺寸穩(wěn)定性（即抗蠕變性能）較差。并且僅僅通過目前的合金化方法，很難滿足快速發(fā)展的高新技術(shù)對(duì)輕質(zhì)材料的要求。金屬基復(fù)合材料的出現(xiàn)解決了這一難題，為改善鎂鋰合金的尺寸穩(wěn)定性及提高其力學(xué)性能提供了新思路。本研究設(shè)計(jì)概念的提出和建立是利用鎳鈦SMA纖維的形狀記憶效應(yīng)（SME）制備金屬基復(fù)合材料。根據(jù)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)理念，被組合的復(fù)合材料的屈服應(yīng)力隨溫度的升高而增加。這種復(fù)合材料明顯地表現(xiàn)出機(jī)敏性，因此形狀記憶纖維相當(dāng)于一個(gè)增強(qiáng)高溫強(qiáng)度的應(yīng)變傳感器和一個(gè)強(qiáng)化元素。在形狀記憶纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維預(yù)先的在溫度低于Mf（馬氏體結(jié)束溫度）完成馬氏體不同結(jié)構(gòu)的重排，然后他們被加熱到高于Af溫度（奧氏體結(jié)束溫度）從馬氏體相轉(zhuǎn)變至奧氏體相。在這一轉(zhuǎn)變期間，形狀記憶纖維趨向于收縮到在復(fù)合材料中的初始長(zhǎng)度，從而在基體中產(chǎn)生壓應(yīng)力。這種在加工成型的基體中的殘余應(yīng)力對(duì)于在高溫下這種復(fù)合材料屈服強(qiáng)度的增加是一個(gè)關(guān)鍵因素。在尋找合適的工藝時(shí)，真空熱壓工藝被應(yīng)用于目前的研究中。該加工技術(shù)是一種應(yīng)用抽真空后壓力燒結(jié)的技術(shù)。這種真空熱壓技術(shù)被普遍認(rèn)為十分具有吸引力，某種程度上是因?yàn)榘宀闹械牡捅砻嬲婵斩冉档土宋廴疚锏漠a(chǎn)生趨勢(shì)[3233]。在本研究中，采用真空熱壓制備鎳鈦形狀記憶纖維增強(qiáng)鎂鋰合金復(fù)合材料，復(fù)合材料的基體是Mg11Li鎂鋰合金。真空熱壓法是將待復(fù)合的基體和增強(qiáng)相加熱到特定的溫度，并且施加較大的初次下壓量進(jìn)行加壓變形，在高溫和高壓兩者同時(shí)作用下將兩種金屬復(fù)合在一起的一種制備方法。按照以往的經(jīng)驗(yàn)，采用熱壓法制備復(fù)合材料，首先是要將待復(fù)合的原始材料適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行表面預(yù)處理，以達(dá)到潔凈、活化金屬表面，最終增強(qiáng)界面結(jié)合的目的。本課題采用熱壓復(fù)合法。熱壓復(fù)合法的基本原理是：由于強(qiáng)大壓力的作用，兩種待復(fù)合金屬的表面，尤其是較軟的金屬表面發(fā)生塑性變形，使得待復(fù)合金屬層表面發(fā)生破裂。然后表面經(jīng)過預(yù)處理的潔凈且活化的待復(fù)合金屬層從破裂的金屬待復(fù)合表面露出，在強(qiáng)大的壓力和高溫綜合作用下，形成平面狀的冶金結(jié)合[34]。最后，熱壓過程中結(jié)合面不斷擴(kuò)張，直到整個(gè)復(fù)合材料的界面形成牢固的結(jié)合。熱壓復(fù)合和單一的金屬板軋制復(fù)合的根本差異在于必須施加極大的初始道次的下壓量，促使待復(fù)合的異種金屬表面物理接觸。而本實(shí)驗(yàn)中既有兩塊鎂鋰合金基體板之間的復(fù)合，也存在鎂鋰合金基體和NiTi合金纖維的復(fù)合，所以應(yīng)該加大初始?jí)毫κ沟脙蓧K鎂鋰合金板之間的距離減小。研究中采用的NiTi合金絲具有非常高的強(qiáng)度及模量，是整個(gè)復(fù)合材料受外力作用時(shí)主要的承載體，明顯的增強(qiáng)了鎂鋰合金基體的強(qiáng)度。鎂鋰合金基體主要起著固定NiTi合金纖維、傳遞載荷的效果。其中，沿著NiTi形狀記憶合金纖維排布的軸向性能高于橫向性能。熱壓復(fù)合時(shí)界面復(fù)合機(jī)制非常復(fù)雜，關(guān)于這方面的研究也是一個(gè)長(zhǎng)期爭(zhēng)論的研究課題?，F(xiàn)在得到公認(rèn)的機(jī)制有：擴(kuò)散機(jī)制、表面層裂縫機(jī)制、再結(jié)晶機(jī)制等[35,36]。本課題利用真空熱壓法，使NiTi形狀記憶合金纖維與Mg11Li合金板復(fù)合在一起，利用NiTi形狀記憶纖維的形狀記憶的效應(yīng)，在復(fù)合材料中產(chǎn)生壓應(yīng)力，使復(fù)合材料的拉伸性能提高，可使內(nèi)部的損傷裂紋自動(dòng)閉合[37]。 NiTi形狀記憶合金絲增強(qiáng)Mg11Li合金復(fù)合材料設(shè)計(jì)思路由于復(fù)合材料中的Mg11Li合金基體和增強(qiáng)相NiTi合金絲的熱膨脹系數(shù)相差甚遠(yuǎn)，兩者制成的復(fù)合材料通過高溫成型處理且冷卻至室溫后，在MgLi合金基體中會(huì)產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力或者殘余壓應(yīng)力。其中，我們通常認(rèn)為基體中的殘余壓應(yīng)力可以提高復(fù)合材料的屈服應(yīng)力和斷裂韌性，是有益因素。所以，在該復(fù)合材料設(shè)計(jì)中如果使得增強(qiáng)組元熱膨脹系數(shù)得以提高，那么可能獲得力學(xué)性能較高的NiTi合金絲增強(qiáng)Mg11Li合金基體復(fù)合材料。SMAs在馬氏體狀態(tài)非常容易變形，而變形后如果受到約束并加熱，則會(huì)產(chǎn)生較大的回復(fù)力，其強(qiáng)度和韌性、彈性模量都會(huì)得到成倍提高。因此，本研究采用真空熱壓法將NiTi形狀記憶纖維復(fù)合到Mg11Li基體中去，在熱壓過程中，NiTi纖維將會(huì)在基體內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力，使得復(fù)合材料的拉伸性能提高，抑制裂紋的擴(kuò)展。 金屬基SMAs復(fù)合材料設(shè)計(jì)思路 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀已開發(fā)的各種纖維增強(qiáng)塑料和高性能纖維相繼開發(fā)給20世紀(jì)60年代的纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究帶來了靈感和啟發(fā)。1963年公布了鎢纖維增強(qiáng)銅（W/Cu）復(fù)合材料的研究，之后又有另一個(gè)SiC/Al、Al2O3/Al復(fù)合材料的研究報(bào)告；1978年美國(guó)最先報(bào)道了B/Al復(fù)合材料在哥倫比亞航天飛機(jī)上的應(yīng)用；1982年日本豐田公司率先報(bào)道了Al2O3?SiO2/Al復(fù)合材料用于汽車活塞上，開創(chuàng)了金屬基復(fù)合材料用于民用品的先例；之后金屬基復(fù)合材料的研究日趨活躍，相繼研究了多種纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，如C/Cu、C/Mg、SiCw/Al等，某些已在航空航天、汽車工業(yè)等獲得應(yīng)用。日本大阪工業(yè)研究所的研究人員用NiTi形狀記憶合金絲增強(qiáng)鎂合金制備鎂合金基復(fù)合材料。研究中采用的基體材料是AZ31鎂合金板，規(guī)格為厚12mm寬20mm長(zhǎng)65mm，絲狀NiTi形狀記憶合金作為復(fù)合材料的強(qiáng)化相（%，絲直徑為1mm)。鎂合金成分含量為：%、%、%、%，其余的成分均為Mg。該研究采用傳統(tǒng)的碳模具，利用脈沖電流熱壓（簡(jiǎn)稱PCHP法）燒結(jié)裝置制備鎂合金復(fù)合材料。制備復(fù)合材料的原始材料是經(jīng)過表面預(yù)處理的兩塊鎂合金板和一系列的等長(zhǎng)NiTi纖維，將NiTi形狀記憶纖維每間隔1mm均勻平行的排列在鎂合金板的表面，另外在上方再疊放另一塊相同的鎂合金板。在一定持續(xù)的高壓下斷續(xù)的對(duì)組合板通以最大可達(dá)2000A的強(qiáng)電流，于是在鎂合金基體/NiTi合金絲的接觸點(diǎn)周圍產(chǎn)生強(qiáng)烈的火花放電，使得接觸點(diǎn)處瞬間形成1000~10000K的局部高溫狀態(tài)。通過研究所制備的復(fù)合材料的微觀組織和高溫性能后，結(jié)果表明：（1） 對(duì)組合的鎂合金板和NiTi纖維施加32MPa的壓力，設(shè)置升溫速度為17K/s，成型溫度773K，保溫時(shí)間為300s的工藝條件下，采用脈沖電流熱壓法可以制備界面結(jié)合良好的NiTi形狀記憶纖維增強(qiáng)鎂合金基體復(fù)合材料；（2） 在400~650K的溫度范圍內(nèi)活躍的復(fù)合化反應(yīng)在界面處發(fā)生；（3） 在鎂合金基體和NiTi增強(qiáng)纖維的結(jié)合界面上發(fā)現(xiàn)有部分痕跡，是界面反應(yīng)的殘留下來的，但是還沒形成均勻的界面反應(yīng)層；（4） NiTi合金絲的纖維體積分?jǐn)?shù)達(dá)到20%的復(fù)合材料，在室溫下施加1%的預(yù)應(yīng)變時(shí)能夠獲得強(qiáng)度隨著溫度的升高而增大的特性，在373K可以使AZ31鎂合金的屈服強(qiáng)度提高55%，當(dāng)溫度升高到423K時(shí)AZ31鎂合金的屈服強(qiáng)度甚至可以提高到107%；（5）當(dāng)溫度提高到373K以上，復(fù)合材料的比強(qiáng)度與AZ31鎂合金相比有著極大的提高[38]。 國(guó)內(nèi)對(duì)于NiTi形狀記憶合金絲增強(qiáng)鎂鋰合金還尚未報(bào)道，但我國(guó)從1978年開始研究形狀記憶合金，1979年開始與醫(yī)生合作，進(jìn)行醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究，1980年開始應(yīng)用于臨床。可以說，近兩年形狀記憶合金在國(guó)內(nèi)發(fā)展很快，臨床應(yīng)用范圍越來越廣。 研究目的及主要研究?jī)?nèi)容 研究目的鑒于鎂鋰合金質(zhì)輕的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，鎂鋰合金材料在軍事、航空、航天等領(lǐng)域都已經(jīng)得到了一定范圍內(nèi)的應(yīng)用，但是，強(qiáng)度低制約了鎂鋰合金的進(jìn)一步發(fā)展。本文采的真空熱壓法制備出NiTi形狀記憶合金增強(qiáng)Mg11Li合金，使鎂鋰合金的強(qiáng)度大幅度提高，有望開拓鎂鋰合金應(yīng)用的新領(lǐng)域。本文的制備方法目前在國(guó)內(nèi)尚未見報(bào)道，這是本課題的創(chuàng)新點(diǎn)所在。 研究?jī)?nèi)容本課題采用真空熱壓法制備NiTi形狀記憶纖維增強(qiáng)Mg11Li合金復(fù)合材料，研究加熱溫度、保溫時(shí)間、纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料界面結(jié)合情況和力學(xué)性能的影響。主要開展以下五個(gè)方面的工作。1)復(fù)合材料金相組織的分析采用金相顯微鏡對(duì)復(fù)合材料的基體、增強(qiáng)纖維