第四期 形状记忆合金在液压技术中的应用

前面三期我们给大家介绍了陶瓷材料，压电材料，和功能流体材料在液压技术中的应用，本次作为新材料，新液压专题的最后一期我们将带大家一起来看看另一种新型的材料在液压技术中的应用： 形状记忆合金。

一、什么是记忆形状合金?

形状记忆合金的原理图

        形状记忆合金( SMA: Shape Memory Alloys)是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形,恢复其变形前原始形状的合金材料。通俗一点解释：形状记忆合金是一种颇为特别的金属条，它极易被弯曲，在盛着凉水的玻璃缸里，拉长一个记忆合金做成的弹簧，然后把弹簧放入热水中时，弹簧会自动的收拢到原始的长度。

怎么样，这种有记忆的合金是不是很有意思，反正小编在看到这个材料的时候，第一个想到的就是终结者中那个和施瓦辛格对打的大反派T1000，严格来说他的名字叫做“拟态复杂合金，液态金属终结者”，他作为一种液态金属，任何物理打击都不对他造成致命伤害，无论挨了多少抢，身体受到多大的损伤， 哪怕被汽车压过去成了一个片状的人，坐起来随随便便就会恢复到原来的样子。

形状记忆合金的微观结构有两种相对稳定的状态，在高温下这种合金可以被变成任何你想要的形状，在较低的温度下合金可以被拉伸，但若对它重新加热，它会记起它原来的形状而变回去。它主要是镍钛合金材料。例如，一根螺旋状高温合金，经过高温退火后，它的形状处于螺旋状态。在室温下，即使用很大力气把它强行拉直，但只要把它加热到一定的“变态温度”时，这根合金仿佛记起了什么似的，立即恢复到它原来的螺旋形态，小编觉得如果用当下比较流行的一个成语来形容这种材料，那一定是：不忘初心。下面我们通过一个小视频来看看这种神奇技术的魔力：

形状记忆合金的视频

二、形状记忆合金的特性

目前形状记忆合金的应用主要是利用这类材料的形状记忆效应和伪弹性(超弹性)。

形状记忆效应：一般金属材料在受到外力作用后,首先发生弹性变形,达到屈服点后,就产生塑性变形,此时应力消除后会留下永久变形。而形状记忆合金材料在发生了塑性变形后,经过加热到某一温度之上,材料能够回复到变形前的形状,这种现象就叫做形状记忆效应。

伪弹性：除上述形状记忆效应外,形状记忆合金的另一个独特性质是在高温(奥氏体状态)下发生的“伪弹性”(又称“超弹性”)行为,表现为这种合金能承载比一般金属大几倍甚至几十倍的可恢复应变。

三、 形状记忆合金的种类

形状记忆合金可以分为三种：

1）单程记忆效应：形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。

2）双程记忆效应：某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。

3）全程记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。

四、在液压传动技术中的应用

在液压传动系统的应用中,利用形状记忆合金的形状记忆效应,可制作各种管接头及控制元件,以提高液压传动系统的工作性能。

(1)管接头

在流体传动应用领域,形状记忆合金最成功的应用是制作流体传动管路的管接头。如下图所示：将形状记忆合金做成内径比被连接管子外径小的管接头,把经过形状记忆处理后的管接头置于比相变温度低很多的温度环境下 ,然后把锥形柱塞打入管接头内,使管接头内径扩张,再把管接头存放在液氮里。在低温状态时,去除锥形管,将被连接管子从两端插入管接头,然后使管接头逐渐升温到室温 ,管接头便恢复扩孔前的尺寸,使被连接管子被紧紧卡住。美国F14战斗机的液压系统上就使用了几十万个这样的管接头,使用结果表明,该管接头连接无渗漏无损坏,工作可靠。

形状记忆管接头连接过程

        除用于金属管件的连接外,形状记忆合金还可用于制作液压管路连接的紧箍件,例如液压软管和各种管接头的扣紧密封连接,其使用原理和管接头的使用原理相同。该紧箍件具有抗震、防松以及密封可靠等特点。

(2)密封

用形状记忆合金可制成密封垫圈,在低温下将直通管接头旋人油孔,内端面压紧由形状记忆合金制成的密封垫图。恢复常温后,该密封垫圈欲恢复原涨开的形状,由于受到阻挡而产生应力,紧紧抵住管接头和孔体的端表面,形成可靠密封。这类形状记忆合金密封垫圈已被广泛应用于导弹及卫星等各种航空航天设备上的密封,密封效果可靠、无泄漏。

(3)动作部件

根据形状记忆合金的记忆效应,可把形状记忆合金制作成液压系统中的温控动作部件成电控动作部件。由于形状记忆合金在温度升高时有一突变性的形状恢复位移,因此可以用它作为某一温度点的温敏动作元件。例如,用形状记忆合金制作的内燃机机动车上发动机冷却水温度控制器, 当发动机冷却水的温度低时,冷却水直接用于冷却发动机,如果冷却水的温度高于允许温度后,形状记忆合金制作的弹簧由于要恢复原来记忆的形状而伸长,推动网杆动作,使流向发动机的网口关闭,冷却水直接流向散热器,经散热器散热后再流向发动机。过去,这一控制过程是通过测水温后手动拨动油压阀门来实现的,现在有了形状记忆合金后,不用再测水温和手动操作,可以实现自动化。

同样原理,形状记忆合金可方便地用在液压系统油温的监测控制上。例如,把形状记忆合金温敏动作部件安装在液压系统的油箱中,当油温升高到超过某一限定值时,形状记忆合金恢复原来记忆和形状,发生动作,使某一阀门关闭或打开,或触动相应的电路开关,使阀门动作或使冷却器启动,以防止油温继续升高。形状记忆合金的这一应用原理在太阳能热水器的流体管道上也得到了应用,当热水器中的水温达到一定值后,形状记忆合金动作,使热水器中热水经阀门流入保温池保温。

除做温敏动作元件外,形状记忆合金还可做成电控动作部件,通过给形状记忆合金通电,使合金升温发热,从而产生恢复形变的动作,这一动作可用于驱动芯。在这样的应用中,温敏控制变成了电信号控制,形状记忆合金动作装置起到了电磁的作用,而与电磁阀相比,形状记忆合金装置结构更加简单,产生电器故障的几率更小^[1]。

五、存在的问题

虽然作为一种新型功能材料,形状记忆合金在液压领域的应用已经取得了一定的进展,但目前其应用也存在着一定的局限性和缺点。例如作为温敏动作部件或电控动作部件,形状记忆合金的响应速度较慢,无法满足快速动作的要求;作为常见的钛镍合金,其价格仍然较费,不少应用中的工艺手段有待于进一步改善等。

结语：

关于新材料与液压技术的结合，小编只是通过四期的文章引用了几种材料在液压技术的的应用。其实现在的材料行业日新月异，发展很快，而且很多性能各异的天然或者人工材料都可以被延伸到液压技术领域，希望大家看完后有所启发，将更多的新技术，新材料引入液压行业，这样才能使得液压行业持续不断的发展。

参考资料：

[1] 李松晶，阮健，弓永军等. 先进液压传动技术概论 .哈尔滨工业大学出版社，2008年3月.