3.4　形狀記憶合金

形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，SMA）在常溫下為馬氏體狀態，當加熱到相變溫度之后成為奧氏體狀態，當溫度下降到相變溫度以下時又回到馬氏體狀態。如果在馬氏體狀態下將SMA加工成一定形狀，然后將其加熱到相變溫度以上，將使SMA記住該形狀；而在低于金屬相轉變溫度時，被加工成另一種形狀，但是當溫度達到或超過轉變溫度時，SMA自動變化成原來記憶的形狀，如圖3-4所示。利用SMA的形狀記憶特性可以制成對環境溫度敏感的熱響應執行器，也可利用SMA的導電特性進行電加熱，構成電驅動執行器。

SMA性能的優劣可從應力-應變性能、遲滯的大小、相變溫度范圍 （Phase Temperature Range，PTR）及對熱/應力循環的敏感性等幾個方面評價。

不管是差動式驅動還是偏動式驅動，可恢復應變量越大，輸出位移越大。

SMA在加熱-冷凍循環中強弱轉換的頻率越快，驅動器的動作速度越快。

SMA對熱/應力循環的敏感性是指SMA的應力/應變-溫度關系因熱/應力循環而產生的變化，變化越小，合金的抗疲勞性能越好，驅動器的可重復性和可控制性越好，壽命越長。

盡管形狀記憶合金的種類不少，但目前已實用化的只有銅基合金（如 CuAlNi、CuZnAl等）和鎳鈦系合金（如NiTi、NiTiCu、NiTiFe等）。

銅基合金是最常見的形狀記憶合金，不僅成本低，而且由于熱導率極高，對環境溫度反應時間短，對熱敏元件而言是極有利的。

鎳鈦合金是性能最佳、可靠性最好的形狀記憶合金，在強度、穩定性、記憶重復性與壽命等方面均優于銅基合金，非常適合用于制作執行器。鎳鈦合金的轉變溫度在-100～100℃，與合金組分有關。但鎳鈦合金加工困難、成本高，而且熱導率比銅合金要低很多。

許多鐵基合金也具有形狀記憶效應，由于成本低、剛性好、易加工，亦受到人們的重視。

與其他類型的微驅動器相比，SMA微驅動主要有如下優點，使其非常適合作為微驅動器用于微機構中：

①可以提供相對較大的力和位移，從馬氏體相逆變到奧氏體相后，彈性模量提高3～4倍等；

②機構大大簡化，有著很高的功能重量比；

③可以利用自身的電阻作為回饋，簡化控制機構；

④驅動時無污染、無噪聲、驅動電壓低，具環保優勢。

SMA驅動的主要缺點是激勵時消耗能量遲滯大，響應速度慢，并且散熱過程比加熱過程更慢。已有采用激光加熱形狀記憶合金的研究，目前已能夠使得短小的形狀記憶合金材料達到相變溫度。由于SMA薄膜表面積大，散熱能力強，可提高響應速度。同時SMA薄膜具有高的靈敏度，并易于集成制造，在微機械用智能材料結構領域受到人們的重視。

形狀記憶合金的應用十分廣泛，在某些領域已達到實用化的程度。形狀記憶合金的應用主要有形狀恢復的應用、伴隨形狀恢復時應力的應用、熱敏感性的應用、作為能量儲存體的應用。在這些應用中，作為敏感元件可利用其敏感性或熱響應特性，利用形狀記憶合金形狀可反復變化這一特性，在微機電系統中，形狀記憶合金可用于制作致動器。形狀記憶合金集“感知”與“驅動”于一體，若將其復合于其他材料中，便可構成擁有巨大應用潛力的智能材料。