TiNi形状记忆合金的性能及其在纺织上的应用

TiNi形状记忆合金的性能及其在纺织上的应用张丹;徐磊;王瑞【摘要】The shape memory effect of shape memory alloys and its super elasticity,wear resistance and fatigue performance were summarized.The current application situation of TiNi shape memory alloys on textile were discussed,and its research direction in future wa%综述了 TiNi 形状记忆合金 的形状记忆效应和超弹性、耐磨性及疲劳性能，论述了 TiNi形状记忆合金在纺织上 的应用研究现状，并展望了其在纺织上的研究方向和前景。【期刊名称】纺织科技进展 【年(卷)，期】2011(000)003 【总页数】3页(P36-38) 【关键词】TiNi;形状记忆合金;超弹性;耐磨性;疲劳性能;应用 【作者】张丹;徐磊;王瑞【作者单位】天津工业大学纺织学院，天津300160;天津工业大学纺织学院，天津300160;天津工业大学纺织学院，天津300160【正文语种】中文【中图分类】TS190.1形状记忆合金(shape memory alloy,SMA )是指一类具有一定形状的合金，在低温 下发生塑性形变并固定成另一种形状，当把它加热到某一临界温度以上后，又可恢复初始形状。合金具有的能够恢复其初始形状的功能称为形状记忆效应(shape memory effect, SME）1。形状记忆合金主要包括铜基形状记忆合金（CuZn、CuZnAl、CuAlNi等），铁基形状 记忆合金（FePt、FePd、FeMnSi等）和TiNi合金。其中研究和应用最普遍的是 TiNi合金。目前TiNi合金在美国发展最快，其次是日本和欧洲2。TiNi合金作为一种新型的功能材料,最突出的性能在于其具有形状记忆效应,由于其 稳定的形状记忆和超弹性功能,同时还具有优良的加工性、强度、耐磨性、耐腐蚀 性和生物相容性等性能，其应用前景不可限量。将其应用到纺织品后能赋予织物特 殊的动感和变化从而在外观上给人们较大的视觉冲击,而其本身的优良性能则能赋 予纺织品更多的功能性和舒适性。本文综述了国内外TiNi形状记忆合金丝的性能及其在纺织上的研究应用现状，并指 出TiNi形状记忆合金丝在纺织上的更进一步应用需要解决的问题。普通金属材料在受到外力作用后首先发生弹性形变，当达到屈服点后会发生塑性变 形，应力消失后就留下了永久变形。而当TiNi形状记忆合金在常温下发生塑性变形 后,若温度能回复到它的相变温度之上，由于其特有的形状记忆效应而又能回复到变 形前的形状。形状记忆效应产生条件马氏体（M）相变是热弹性的,母相与M相呈有序点阵结构,M 内部是孪晶变形,相变在晶体学上完全可逆。TiNi合金的M相变热滞小，相变驱动 力小3。在相变过程中，当M形成以后，界面上的弹性变形随着M片长大而增大。在一定温度下,当相变弹性变形能和共格界面能等增加到与相变化学驱动力相等时， 新相和母相达到热弹性平衡状态，使相变停止。此时形变并未超过材料的弹性极限， 若温度继续下降，则因M相变驱动力增加,M又继续长大。当温度升高相变驱动力 减小时，由于M与母相界面没有破坏且保持着弹性联系,M片会随温度上升而缩小。 具有热弹性M相变的合金，其母相具有高对称性晶体结构，而M为低对称性结构（菱 形、正交、单斜），当母相冷却时,会形成多变体M,这种M在外力作用下，呈现应力 择优取向并趋于单一变体，材料显示出变形，称为自协作现象。而M经形变后呈单一 变体，加热逆相变时由于M对称性低，出现的变体数量少，会回复到有序结构的母相 状态,合金形状回复，呈现SME4。Ti-Ni合金的SME分为单程、双程和全程记忆 交攵应。超弹性(s uper elastic)是指试样在外力作用下产生远大于其弹性极限应变量的应变, 在卸载时应变可自动恢复的现象。超弹性的产生有两个条件,一是母相的屈服强度高，以推迟塑性变形;二是变形温度在 Af以上,以便应力诱发M在卸载后发生逆相变。从本质上讲，形状记忆合金的超弹 性和形状记忆效应现象不同，机制相似，区别仅在于超弹性是应力解除后产生M逆相 变使形状回复到母相状态,而形状记忆效应是通过加热产生逆相变回复到母相状态 5。对TiNi合金的空蚀、水射流磨损、喷沙磨损、干摩擦磨损、腐蚀磨损和磨料磨损 的研究结果表明,TiNi合金的磨损性能优于传统耐磨材料，是摩擦磨损部件的良好选 材6。李振华等7研究表明,合金的显微组织细化，且有弥散、细小Ti3Ni4第二相 析出时，可恢复应变率从40%增大到63%,摩擦性能得到改善，摩擦系数从0.141下 降至0.06左右,磨损量也显著降低。TiNi形状记忆合金具有良好的抗疲劳、耐腐蚀和耐磨损性能。在磨损过程中，马氏 体变体之间的相互协调和超弹性是TiNi合金具有耐磨损性能的主要原因8-9。由 于应力诱发马氏体相变引起超弹性作用,在外力作用下，母相转变为诱发马氏体;消除 外力后，应力诱发马氏体又逆转变为母相。这种相结构的变化可有效地消耗外力，减 轻外力对TiNi形状记忆合金表面的损伤。同时,TiNi合金在外力的作用下发生马氏 体再取向，可消除部分应变，使组织中不易形成滑移和位错，降低了马氏体受磨损的程 度10。G.Eggeler等人11 针对TiNi合金3种不同的疲劳状态进行了研究，其中包括:超 弹性TiNi合金丝在低循环拉伸作用下疲劳应力应变滞后作用;应力诱发马氏体相 变产生的局部应变;一般TiNi合金弹簧的功能性疲劳情况。还验证了 TiNi合金 的微观结构决定了由周期载荷弓I起的疲劳应力一应变响应稳定性，并且决定了应变 和相变的发生区域。(1) 意大利一公司，利用形状记忆合金纤维制造智能化衬衣，采用的是钛镍记忆合金纤 维和尼龙混织，比例为5根尼龙丝配1根钛镍合金丝。该智能衬衣在周围环境温度 升高时，衬衣的袖子会立即自动卷起。且衬衣还不怕起皱，即使揉成乱糟糟的一团，用 电吹风吹一下，马上就能复原，甚至人的体温也可以自动把它熨平”12。(2) 日本研制了一种窗帘，它可通过织入形状记忆丝控制它的透光性。如果室内的温 度低于一定值，织物就会自动关闭，它就像一个绝缘体从而保持室内的温度。相反，如 果室内的温度高于一定值，具有形状记忆结构的织物自动打开，从而允许空气自由流 通进行降温。所以可以用形状记忆的织物做百叶窗，这种特殊设计编织的具有形状 记忆的织物对日晒非常敏感，白天百叶窗可以自动调节阳光的进入量，晚上百叶窗自 动关闭。它既能够控制室内的舒适温度也可避免强烈日光对人体视力的影响13。(3) 英国研制了一种防烫伤服装，这种服装的制作是由镍钛合金纤维先被加工成宝塔 式螺旋弹簧状燃后再加工成平面状，固定在服装面料内。当服装表面接触高温时，引 发了纤维的形状记忆效应，纤维迅速由平面转化为宝塔状,使得两层织物之间形成很 大的空隙，将人体皮肤与高温隔绝开，防止被烫伤。这类夹层中加入形状记忆丝从而 产生空隙的面料，由于赋予极佳的绝热性，还可提供适于极地环境穿着服装的保暖性 14-15。(4) 苏格兰Herior-Watt大学纺织学院的Cha等人，在Gemmel and Dunsmone 花式包缠纺纱机上，将金属丝纱线从一组牵伸罗拉喂入机器，作为芯纱被加捻或被包 缠。通过改变计算机程序，控制罗拉中纱线的位置，生产出品种繁多的花式线16,并 织出织物。(1) 合金丝用于文胸的专利。公开号为CN1422563的专利一种保形保健文胸内 衬、文胸和内衣”17,采用了记忆合金丝网与收口组成文胸内衬，记忆合金丝网透 气性好，形状保持能力强，金属丝头及记忆合金丝网的边缘被收口包覆，避免了记忆合 金丝头及记忆合金丝网边缘对人体皮肤的刺激,同时用形状记忆合金制作的收口能 进一步增强内衬的形状保持能力。公开号为CN2378955的专利一种具有形状 记忆能力的文胸”18,特征在于其内衬包括TiNi形状记忆合金或其他超弹性合金 丝网被包覆着并开有若干透气孔。此内衬可用各种纺织品、无纺布、皮革为面罩制 成文胸或带这种文胸的内衣。还有专利网格状记忆合金超弹性文胸托杯”19 和智能健美乳罩”20。(2) 合金丝用于内衬的专利。公开号为CN2419851的专利一种具有形状记忆能 力的内衬”21,是用形状记忆合金单丝、片或细丝作为鞋帽等载体或其某一部分 的内衬或以硅胶包覆合金丝网或其他结构，形成硅胶包覆合金丝网内衬，使得能够持 久保持鞋帽等载体的原有造型，美观耐用。这种内衬可置于鞋、帽、包等载体或其 某一部分作为内衬制成以各种织品、无纺布、皮革为面料的鞋、帽、包服装垫肩等。 公开号为CN2443628的专利使用形状记忆合金的运动鞋”22,使用在其鞋面 内嵌入高弹性的形状记忆合金。运动鞋配有相互缝合的前鞋面、足背鞋面、侧鞋面、 后鞋面和护垫带，其中由高弹性材料制成的形状记忆合金至少嵌入运动鞋的一个部 分以阻止外部冲击和足部扭曲。另夕卜,北京的镍钛诺科技公司开发的智能婴儿被可 以根据外界温度变化改变厚度。TiNi形状记合金丝作为一种新型的纺织材料,由于其优良的性能及与纺织品结合生 产出的产品有其独特的性能优点,TiNi形状记忆合金丝在纺织上的应用还处于起步 阶段，因此其更深入投入应用还受到一些条件的制约：(1)TiNi合金丝要作为纺织材料 来使用，目前能够将合金丝拉细到最细的直径大约在0.3 mm,如何优化工艺拉出更 细更均匀的合金丝便于更好的应用是将来要解决的主要问题。(2)由于TiNi合金丝 直径越细，形状记忆效果就越下降,而形状记忆效应是其作为新型材料最主要的优势 性能，如何在不影响其形状记忆效应的前提下更好的利用TiNi合金丝也是需要深入 研究的课题。【相关文献】1 鄢飞,鲍同柱.TiNi形状记忆合金的特性及其应用J.神经损伤与功能重建,2007,(2):371.2 胡金莲.形状记忆纺织材料M.北京:中国纺织出版社,2006.3 王永善，贺志荣,王启，等.Ti-Ni形状记忆合金性能及应用研究进展J.势加工工艺,2009,(20):24-27.4 赵连城，蔡伟，郑玉峰.合金的形状记忆效应与超弹性M.北京:国防工业出版社,2002:5-28.5 李广波,崔迪，洪树蒙.超弹性形状记忆合金丝力学性能试验研究J.大连大学学报,2008,29 (3) :129-133.6 许仁波，崔立山.TiNi合金冲蚀磨损行为及应用研究进展J.材料导报,2008,22(5):55-57.7 李振华,程先华.等径弯角挤压法制备的TiNi合金的摩擦学性能J.上海交通大学学 报,2008,42(1):57-60.8 Takashi Fukuda,Mokoto Takahata,et al.Two Way Shape Memory Properties of Ti-51Ni Single Crystal Including Ti3Ni4Precipitate of a Single VariantJ.Materials Transactions,2001,42(2):21.9 柳伟，郑玉贵,饶光斌，等相变伪弹性对TiNi合金多相流损伤的影响J.金属学 报,2002,42(2):185-188.10 李启全,祈珊,王世栋.TiNi形状记忆合金超弹性的研究现状切.上海有色金属,2003,(4):170-174.11 G Eggeler.Structural and functional fatigue of Ni-Ti shape memory 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