納米材料與新材料

Nanometer-Materials&NewMaterialsand（5）

2021/5/91第五講形狀記憶合金ShapeMemoryAlloy2021/5/92主要內(nèi)容形狀記憶合金的發(fā)展形狀記憶合金的原理形狀記憶合金的分類形狀記憶合金的制備形狀記憶合金的應用2021/5/93

前言金屬具有記憶能力，乍聽起來令人不可思議。然而，人們確已獲得了這種具有“記憶能力”的金屬(ShapeMemeoryAlloy)。人們把SMA合金做成花、鳥、魚、蟲等各種造型，只要浸入不太熱的水中，一瞬間，花開放，鳥展翅，魚擺尾，蟲蠕動，并且栩栩如生，真如魔術(shù)般使人驚嘆，這些都是形狀記憶合金特異功能的顯示。

采用CuZnAl記憶合金片，以熱水或熱風為熱源，開放溫度為65℃-85℃，閉合溫度為室溫?；ɡ僦睆?0mm,展開直徑200mm。2021/5/94形狀記憶效應實驗原始形狀拉直加熱后恢復變形前形狀2021/5/95形狀記憶效應是指具有一定形狀的固體材料(通常是具有熱彈性馬氏體相變的材料)，在某一低溫下(處于馬氏體狀態(tài))進行一定限度的塑性變形后，通過加熱到某一溫度(通常是該材料馬氏體消失溫度Mf)時，材料完全恢復到變形前的初始形狀。具有形狀記憶效應的合金稱為形狀記憶合金。

形狀記憶合金材料2021/5/96目前，人們對形狀記憶效應的物理本質(zhì)和各種影響因素已經(jīng)有了較為清晰的認識，形狀記憶合金已被確認為一種熱驅(qū)動的功能材料，人們利用其形狀記憶效應，在儀器儀表、電器、自動控制、汽車、航空航天、醫(yī)療、生物工程及機器人等領域之中實現(xiàn)廣泛應用。2021/5/971.形狀記憶合金的發(fā)展2021/5/98形狀記憶效應源自材料中發(fā)生的馬氏體相變。德國金屬學家Martens發(fā)現(xiàn)：鋼在奧氏體高溫區(qū)淬火時，原來面心立方的奧氏體晶粒內(nèi)以原子無擴散形狀轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)，得到的組織以他的名字被命名為馬氏體。板條馬氏體鋼的淬火2021/5/991938年，美國的格里奈哥和穆拉迪安在Cu-Zn合金中發(fā)現(xiàn)了馬氏體的熱彈性轉(zhuǎn)變；隨后，俄羅斯的庫究莫夫?qū)@種行為進行了研究。他們的研究在當時并沒有受到世界的重視。1951年美國的Read等人在Au-Cd合金的研究中首次發(fā)現(xiàn)該合金具有形狀記憶效應，隨后，在InTi合金中也發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應。這些合金價格昂貴，難以實現(xiàn)應用，人們開始尋找成本低廉的形狀記憶合金。2021/5/910低成本形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)完全是偶然的。1962年，美國海軍軍械研究所將NiTi合金作為對溫度敏感的振動衰減合金加以研究，在討論該項研究經(jīng)費分配時，某一成員用手將這種材料制成的細絲一端彎曲，然后在點燃手中雪茄時，忽然發(fā)現(xiàn)靠近火焰部分的細絲伸直了。1963年，軍械研究所宣布在NiTi合金絲中發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應。NiTi合金具有強度高、塑性大、耐腐蝕好、成本相對低廉等許多特點而引起極大關注。2021/5/9111970年人們又在成本更為低廉的CuAlNi合金中也發(fā)現(xiàn)形狀記憶現(xiàn)象，并明確這種現(xiàn)象是能夠產(chǎn)生熱彈性馬氏體相變的合金所共有的特性。以此為轉(zhuǎn)折點，迄今人們己在許多合金中相繼發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，如表所示?，F(xiàn)在，人們發(fā)現(xiàn)有機彈性材料，甚至陶瓷，都可具有形狀記憶的功能。2021/5/912形狀記憶合金的成分范圍和Ms(馬氏體相變開始溫度)點合金成分Ms點/℃合金成分Ms點/℃AgCd11-49at%Cd-190/-50InTi18-23at%Ti50/100AuCd46.5-50at%Cd30/100NiAl36-38at%Al-100/100CuAlNi14-14.5at%Al,3-4.5at%Ni-140/100TiNi49-51at%Ni-50/100CuAuZn23-28at%Au45-47at%Zn-150/100FePt25at%Pt/-130CuSn15at%Sn-120/30FePd30at%Pd/-100CuZn38.5-41.5at%-180/-10MoCu5-35at%Cu-250/1802021/5/9132.形狀記憶合金的原理2021/5/914熱彈性馬氏體相變鋼在高溫奧氏體相區(qū)淬火時，原來的面心立方點陣的奧氏體晶粒內(nèi)以原子無擴散形式轉(zhuǎn)變成體心立方的馬氏體，這就是鋼的馬氏體相變。把馬氏體開始相變開始和相變結(jié)束的溫度分別表示為Ms和Mf，把馬氏體逆相變(轉(zhuǎn)變成奧氏體)的溫度分別表示為As和Af。鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變2021/5/915為使P(母相)M(馬氏體相)相變產(chǎn)生，M相的化學自由能必須低于P相，相變需要驅(qū)動力，如不過冷到適當?shù)陀赥0(P相和M相化學自由能達到平衡的溫度)的溫度Ms，相變不能進行，逆相變也需驅(qū)動力，必須過熱到適當高于T0的溫度As。To和Ms之差稱為過冷廢，鋼鐵馬氏體相變的過冷度為200℃左右，形狀記憶合金的過冷度為5-30℃。馬氏體相和母相化學自由能差隨溫度變化與馬氏體相變的關系2021/5/916在低于Ms溫度下，馬氏體片形成以后，界面上的彈性變形是隨著馬氏體片長大而增大的。長大到一定程度，彈性變形能及共格界面能等能量消耗的增加與相變化學自由能的減少相等，馬氏體和母相之間達到一種熱彈性平衡狀態(tài)，馬氏體停止長大。熱效應和彈性效應之間的平衡態(tài)就是熱彈性的由來。CuAlNi合金冷卻過程中熱彈性馬氏體相變(馬氏體長大)2021/5/917溫度繼續(xù)下降，馬氏體相變驅(qū)動力增加，馬氏體又繼續(xù)長大，也可能出現(xiàn)新的馬氏體長大。溫度升高，相變驅(qū)動力減小，馬氏體出現(xiàn)收縮，故稱為熱彈性馬氏體，相變?yōu)闊釓椥择R氏體相變。CuAlNi合金加熱過程中熱彈性馬氏體相變(馬氏體縮小)2021/5/918形狀記憶效應原理形狀記憶合金在一定范圍內(nèi)發(fā)生塑性變形后，經(jīng)過加熱到某一溫度之上，能夠恢復變形，其實質(zhì)是熱彈性馬氏體相變。形狀記憶合金低溫相為馬氏體，柔軟且易變形；高溫相為奧氏體，比較硬。冷卻過程中，母相會轉(zhuǎn)變?yōu)閷\晶馬氏體，在外應力下容易變形成某一特定形狀；加熱時，已發(fā)生形變的馬氏體會回到原來奧氏體狀態(tài)。這就是宏觀形狀記憶現(xiàn)象。呈現(xiàn)形狀記憶效應過程的示意圖2021/5/919為了使形狀恢復以完全可逆的形式進行，需要具備下列條件:(1)馬氏體相變是熱彈性；(2)母相和馬氏體呈現(xiàn)有序的點陣結(jié)構(gòu)；(3)馬氏體點陣的不變切變?yōu)閷\生，亞結(jié)構(gòu)只能由孿晶和層錯組成；(4)馬氏體相變在晶體學上是可逆的。2021/5/920以上條件根據(jù)早期形狀記憶材料的特征而提出，隨著形狀記憶材料研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)不完全具備上述條件的合金也可以顯示形狀記憶效應。不但溫度場、應力場可以誘導形狀記憶效應，磁場也可誘導馬氏體相變，出現(xiàn)形狀記憶效應。熱誘導形狀記憶合金磁誘導形狀記憶合金Magneticfield2021/5/921相變偽彈性和超彈性外加應力也可引起馬氏體消長。這樣形成的馬氏體叫應力誘發(fā)馬氏體，隨應力增加或減小，馬氏體也相應長大或縮小。Af溫度以上的馬氏體只在應力作用下穩(wěn)定，合金在Af以上進行拉伸，應力除去后，應力誘發(fā)馬氏體當即逆轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定母相，相變引起的變形即行消失。這種不通過加熱即恢復到原先形狀的相變，看起來像彈性變形，但其應力應變曲線是非線性的，因此稱為相變偽彈性，當其應變完全恢復時稱為相變超彈性。2021/5/922偽彈性僅與應力誘發(fā)相變和熱彈性相變有關AB段代表馬氏體相的純粹彈性變形。B點為應力誘發(fā)馬氏體的最小應力，到C點相變結(jié)束。BC段代表奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變后應變增加；其斜率遠小于AB段，說明相變?nèi)菀走M行，CD段表示相變結(jié)束后在應力作用下馬氏體發(fā)生彈性變形。在D點馬氏體開始屈服并發(fā)生塑性變形直到E點斷裂。偽彈性應力應變示意圖2021/5/923在D點之前應力被取消，例如在點C’，對應的應變?yōu)棣與，則通過幾步應變可恢復：首先發(fā)生馬氏體的彈性恢復，如C’F段所表示。F點對應的是卸載過程中應力誘發(fā)馬氏體能夠存在的最大應力，在該點開始發(fā)生馬氏體向奧氏體的逆相變，隨后馬氏體量不斷減少直到奧氏體完全恢復(G點)，即FG段表示馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)換后引起的應變恢復，GH段表示奧氏體的彈性恢復。2021/5/9243.形狀記憶合金的分類2021/5/925合金成分呈現(xiàn)形狀記憶效應的合金，其基本合金系就有10種以上，如果把相互組合的合金或者添加適當元素的合金都算在內(nèi)，則有100種以上。但是，其中得到實用的只有Ti基合金、Cu基合金以及Fe基合金。其余合金則因為有些化學成分不是常用元素而導致價格昂貴，或者有些只能在單晶狀態(tài)下使用，因而不適于工業(yè)生產(chǎn)。2021/5/926TiNi合金是目前形狀記憶合金中研究最全面、記憶性能最好的合金材料。TiNi合金由于強度高、塑性大、耐腐蝕性好、穩(wěn)定性好，尤其是特殊的生物相容性，得到廣泛應用，特別是在醫(yī)學上的應用是其它形狀記憶合金所不能替代的。為使形狀記憶合金得到應用，其經(jīng)濟性是一個重要因素。銅基合金價格僅為TiNi合金的l/10，人們希望用它作為TiNi合金的替代品，其中研究最多的是CuAlNi合金和CuZnAl合金。但是，銅基合金的記憶性能、耐蝕性能、力學性能等比TiNi合金差。因此，在性能要求不高、反復使用次數(shù)少，特別是要求降低成本的情況下使用Cu基合全。2021/5/927TiNi合金與CuZnAl合金性能對比合金類型TiNi合金CuZnAl合金恢復應變最大8%最大4%恢復應力最大400MPa最大200MPa循環(huán)壽命105(ε=0.02)107(ε=0.005)102(ε=0.02)103(ε=0.005)耐蝕性良好不良，有應力腐蝕破壞加工性不良不太好記憶處理較易相當難2021/5/928鐵基形狀記憶合金發(fā)展較晚，早期的FePt和FePd合金由于價格昂貴未能得到應用1982年有關Fe-Mn-Si記憶合金的研究論文的發(fā)表，引起了材料研究工作者極大興趣，目前主要有Fe-Mn-Si、Fe-Ni-Co-Ti等合金。與TiNi合金和銅基合金相比，F(xiàn)e基合金價格低，加工性能好，力學強度高，在應用方面具有明顯的競爭優(yōu)勢，但其形狀記憶效應不是很好。Fe-Ni-Co-Ti合金，預變形超過2%后形狀記憶效應下降到40%以下。2021/5/929形狀記憶效應形狀記憶合金的形狀記憶效應按形狀恢復情況可以分為三類：單程形狀記憶效應雙程形狀記憶效應全程記憶效應形狀記憶效應的三種形式(a)單程(b)雙程(c)全程2021/5/930單程記憶效應：將母相在高溫下制成某種形狀，再將母相冷卻或加應力，使之發(fā)生馬氏體相變，然后對馬氏體任意變形，再重新加熱至As點以上，馬氏體發(fā)生逆轉(zhuǎn)變。當溫度升至Af點，馬氏體完全消失，材料恢復母相形狀，而重新冷卻時卻不能恢復低溫相時的形狀。2021/5/931雙程記憶效應：若加熱時，恢復高溫相形狀，冷卻時恢復低溫相形狀，即通過溫度升降自發(fā)可逆地反復恢復高低溫相形狀的現(xiàn)象稱為雙程記憶效應，又稱可逆記憶效應。2021/5/932全程形狀記憶效應：這是一種加熱時恢復高溫形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹母邷叵嗟默F(xiàn)象。這種現(xiàn)象只有在Ni的原子含量不小于50.5％且又經(jīng)過時效的Ti-Ni合金中出現(xiàn)。2021/5/933把受過強迫時效的四條薄帶在其中心位置上以45度的夾角捆扎在一起。如a所示，在約100℃開水中呈現(xiàn)具有凸透鏡曲率的近圓形。從開水中緩慢提起來時自行變化成b形狀。當從熱水中完全提上來且于室溫下時,變化成近直線形狀c。TiNi合金的全程記憶效應100℃-室溫2021/5/934ac之間的自發(fā)形狀變化是由馬氏體的相變導致。接著浸泡在冰水中時，在下部開始呈現(xiàn)凸透鏡曲率，變化成d形狀。在干冰-酒精液中冷卻到約-40℃時變化成e形狀，同a相比完全是其相反的形狀，然后再次返回到開水中時立刻變化成f形狀，其形狀與a完全相同。TiNi合金的全程記憶效應低溫-100℃2021/5/9354.形狀記憶合金的制備和使用2021/5/936形狀記憶處理形狀記憶合金的制備通常是先制備合金錠，之后進行熱軋、模鍛、擠壓，然后進行冷加工。制備合金錠時合金元素的配比以及雜質(zhì)元素的控制十分重要，O、N、C等元素都希望能得到嚴格控制。為把形狀記憶合金用做元件，有必要使它記住給定形狀。因此形狀記憶處理是實現(xiàn)合金形狀記憶功能方面不可或缺，至關重要的一環(huán)。為此要進行一定的熱處理(形狀記憶處理)。2021/5/937TiNi合金單程形狀記憶處理單程記憶處理方法有三種中溫處理低溫處理時效處理中溫處理是將軋制或拉絲加工后充分加工硬化的合金成形給定形狀，在400-500℃溫度下保溫幾分鐘到幾小時，使之記住形狀的方法。此方法由于工藝簡單而被廣泛采用。2021/5/938低溫處理是在高于800℃的溫度下保溫后進行快冷使合金材料具有退火狀態(tài)組織，然后在室溫下成形成給定形狀，在200-300℃的低溫下保溫幾分鐘到幾十分鐘，以記憶其形狀進行形狀的方法。由于在完全退火的軟狀態(tài)下進行加工成形，有利于使合金記住復雜形狀或者曲率很小的形狀。時效處理是一種在800-1000℃溫度下固溶處理后進行淬火，然后在400℃的溫度下進行幾小時時效處理的方法，這只對Ni含量高于50.5at％的富Ni合金有效。2021/5/939TiNi合金雙程記憶處理合金具有雙程記憶效應是因為合金中存在方向性的應力場或晶體缺陷。相變時，馬氏體容易在這種缺陷處形核，同時發(fā)生擇優(yōu)生長。記憶訓練：先獲得單程記憶效應，此時可以記憶高溫相的形狀；隨后在低于Ms溫度，根據(jù)需要的形狀進行一定限度的可恢復變形；加熱到As以上溫度，試樣恢復到高溫態(tài)形狀后，又降低到Ms以下，再變形試件使之成為低溫所需要的形狀；如此反復多次以后，就可獲得雙向記憶效應。這種記憶訓練實際就是強制變形。2021/5/940TiNi合金全程記憶處理全程記憶效應的出現(xiàn)是由于與基體共格的Ti11Ni14析出相產(chǎn)生的某種固定的內(nèi)應力所導致，應力場控制了馬氏體可逆相變的路徑，使馬氏體的可逆相變按照固定路徑進行。因此全程記憶處理的關鍵是限制性時效，必須根據(jù)需要選擇合適的約束時效工藝。2021/5/941形狀記憶合金使用中的問題形狀記憶合金并不是無論承受怎樣的變形只要受熱就都可以回到原狀，有時可殘留永久變形。為了保持良好的形狀記憶特性，有必要使變形應變量不超過一定值。適宜的應變量決定于熱處理、循環(huán)使用次數(shù)、載荷、元件的形狀和尺寸等許多因素。當循環(huán)使用次數(shù)少時，TiNi合金變形量約為6％，CuZnAl合金約為2％；當循環(huán)使用次數(shù)多時分別低于2％和0.5％。2021/5/942形狀記憶合金要避免過熱，即在形狀記憶合金受約束狀態(tài)下，不要達到比Af點高很多的溫度。線圈過熱，相變引起的形狀恢復應力超過絲材本身的屈服應力，與變形應變過大時的情況相同，合金的形狀記憶特性變壞。合金長時間置于高溫時，會產(chǎn)生不完全記住該溫度下形狀的現(xiàn)象，不能回到正確的原始形狀，即記憶力減退。當TiNi合金和CuZnAl合金分別長時間置于250℃和90℃以上的溫度時，不管載荷大小如何，都出現(xiàn)不良影響。2021/5/9435.形狀記憶合金的應用2021/5/944工業(yè)應用

宇航天線可由NiTi合金絲制成。將天線冷至低溫，使其轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。NiTi合金的馬氏體硬度較低，將TiNi合金板或棒卷成竹筍狀或旋渦狀發(fā)條，收縮后安裝在衛(wèi)星內(nèi)。衛(wèi)星進入軌道后，團狀天線被彈出，在陽光照射下，溫度升高到As以上，團狀天線自動張開，恢復到原來的形狀。溫度升高到Af溫度以上則完全恢復到原來的形狀，向宇宙空間撐開。美國宇航局根據(jù)達一想法研究了安放在月球表面上的拋物面天線組件。宇航天線2021/5/945NiTI形狀記憶合金折疊發(fā)射自動張開的宇航天線原理圖2021/5/946連接件和緊固件形狀記憶合金管接頭采用相變點比室穩(wěn)低得多、約-150℃的TiNiFe合金，把內(nèi)徑加工成比被接管徑約小4％。進行連接操作時，先把管接頭浸泡在液態(tài)氮氣中，在低溫保溫狀態(tài)下把錐形芯模壓入管接頭內(nèi)壁，使內(nèi)徑擴大約7-8%。擴徑后的管接頭用保溫材料保持低溫，把被接管從管接頭兩側(cè)插入，去掉保溫材料，管接頭溫度上升到室溫，內(nèi)徑恢復到擴徑前狀態(tài)，牢牢箍緊被按管。形狀記憶管接頭2021/5/947這種管接頭在F—14噴氣戰(zhàn)斗機上使用了10萬個以上，從未出現(xiàn)過漏油等事故。采用形狀記憶合金的管接頭，除這種高可靠性外還有其他優(yōu)點，因不需熔焊那樣的高溫高熱，故不會損害周圍材料，而且在低溫下易拆卸，便于進行檢修。這類管接頭在核潛艇的管路連接上也可應用。150mm大口徑管接頭在海底輸油管道的修補工程上得到應用。F14戰(zhàn)斗機戰(zhàn)略核潛艇2021/5/948在密閉的中空結(jié)構(gòu)件中，很難進行緊固操作。形狀記憶緊固鉚釘依靠三維形狀恢復可以進行這種操作。Af點低于室溫的合金用來制造緊固鉚釘，如下圖(a)所示，用尾部形狀記憶處理成開口形狀。在進行緊固操作前，把緊固鉚釘浸泡在干冰或液態(tài)空氣中進行充分冷卻，然后把尾部拉直(b)，插入被緊固孔(e)，經(jīng)一段時向，溫度回升到室溫，產(chǎn)生形狀恢復。鉚釘尾部叉開，把物體固緊(d)。(a)開口(b)拉直(c)插入(d)加熱形狀記憶緊固螺釘2021/5/949智能機器人形狀記憶合金可制成驅(qū)動器、控制器等應用在智能機器人中。形狀記憶控制器能使機器人微型化。形狀記憶控制機構(gòu)同傳統(tǒng)伺服控制機構(gòu)相比，—個形狀記憶元件就可起到傳統(tǒng)機構(gòu)中傳感、驅(qū)動和傳遞三系統(tǒng)功能的作用。智能控制器2021/5/950形狀記憶驅(qū)動器通過適當加熱和控制，可完成往返或旋轉(zhuǎn)運動，兼之具有感溫功能，所以能有效地用作熱敏兼驅(qū)動的元件。形狀記憶驅(qū)動器的第一個特點是可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)小型化，這一點從動作機構(gòu)簡單、元件為單一合金構(gòu)成等特征來看，是理所當然的。實際上已經(jīng)試制出可動行程達6mm的微型機械手。這種機械手是把直徑0.2mm的TiNi合金絲記憶處理成圓弧形狀后包覆在硅橡膠中而做成的，硅橡膠起偏動彈簧作用。2021/5/951具有相當于肩、肘、腕、指等的5維自由度的微型機器人試制品?？啃螤钣洃浐辖饎幼鞯奈⑿蜋C器人結(jié)構(gòu)圖2021/5/952形狀記憶合金可制造能量轉(zhuǎn)換裝置。在低于Af點的溫度下把重W的重物掛在形狀記憶線圈上。絲材伸長到絲材屈服力和重物力達到平衡。然后把線圈加熱到Af點以上，溫度上升使合金產(chǎn)生形狀恢復，形狀恢復力大于重物重力，絲材在保留彈性應變的狀態(tài)下收縮L，提起重物做了WgL的功。重物被提上去后降低溫度使絲材伸長，接上重物，再升高溫度把重物提上去，實現(xiàn)熱機循環(huán)。形狀記憶熱機原理能量轉(zhuǎn)換熱機2021/5/953形狀記憶合金可制成偏心曲型熱機。利用冷熱水的溫差使NiTi形狀記憶元件伸縮，就象發(fā)動機的活塞一樣作往返返動，使輪子轉(zhuǎn)動。裝有20相直徑1.2mm、長150mmTiNi合金條的熱機在用太陽能加熱的48度溫水和24度冷水之間，以60-80r/min的轉(zhuǎn)速和0.2W以上的輸出功率運轉(zhuǎn)了106次，未發(fā)現(xiàn)TiNi合金條特性有任何下降。形狀記憶合金制備的偏心曲柄熱機2021/5/954保險器和繼電器用形狀記憶合金制造的溫度保險器不同于熔斷保險絲，可產(chǎn)生很強的力拉斷接點，消弧效應明顯，適合于作大功率、高電壓用保險器。形狀記憶合金溫度保險器2021/5/955醫(yī)學應用金屬埋植入人體內(nèi)時必須考慮其生物相容性。如果埋植體對人體組織是一種活性物質(zhì)，那么它周圍的組織和細胞會發(fā)生變性，出現(xiàn)炎癥充血和血循環(huán)障礙，壞死人體組織；如果埋植體是一種非活性物質(zhì)，那么由纖維細胞分泌的骨膠原纖維在它周圍形成纖維組織，這種纖維組織在埋植體上生成薄膜，使它在人體組織中能夠穩(wěn)定存在。TiNi合金的生物相容性2021/5/956Castleman等人用TiNi合金(Ti-49at％Ni)試制接骨板埋植在20只小獵犬股骨上，時間最長達17個月，通過生物組織學分析利中子激活分析研究了埋植周圍肌肉、骨和內(nèi)臟的生物組織反應。覆膜形狀：接骨板表面都覆蓋一層纖維結(jié)締組織覆膜，覆膜厚度和形狀隨埋植時間不同而有一定的差異。覆膜形狀隨埋植時間變長而變得更薄更致密，埋植12個月后覆膜厚度的不均勻性十分明顯，許多地方形成滑液囊。埋植17個月后覆膜變成薄而光滑的纖維織締組織，只在接骨板螺釘部位存在少量不均勻覆膜。NiTi合金接骨板2021/5/957覆膜組織：埋植3個月后，TiNi合金接骨板上形成的覆膜很厚，其成份由細胞質(zhì)(嗜堿性細胞質(zhì)、嗜酸性細胞質(zhì))和纖維組織構(gòu)成，而纖維組織成份幾乎為骨膠原組織。埋植6個月后所形成的覆膜厚度比3個月的薄，這是因為理膜中的細胞質(zhì)成份減少后主要由致密的骨膠原纖維組織構(gòu)成的緣故。隨著埋植時間的增加，覆膜厚度更加變薄，這是因為隨著致密纖維組織增加，細胞質(zhì)減少的結(jié)果。埋植17個月后細胞質(zhì)減少到在由骨膠原纖維構(gòu)成的致密結(jié)締組織中僅存一點的程度。2021/5/958埋植周圍的骨骼和肌肉：埋植TiNi合金接骨板和正常犬的骨骼相比，沒有觀察到骨骼和形狀的變化，在埋植周圍和接觸部位的骨胳上并末發(fā)現(xiàn)成骨細胞和的變化，剝離接骨板后在剝離部位上可看到成骨細胞和新生骨膜的生成。就對肌肉的影響而言，埋植后12個月以前沒有產(chǎn)生結(jié)締組織的變性或者脂肪變性，埋植17個月后在螺釘頭部所接觸的部位上形成薄肌纖維束，最引人注目的是這些組織中具有許多富有脂肪的細胞和血管。2021/5/959耐蝕性：在TiNi合金接骨板表面上都沒有發(fā)現(xiàn)任何均勻腐蝕和局部腐蝕的現(xiàn)象，表明對動物組織的耐蝕性非常好。游離原子：埋植TiNi合金時，Ni游離在骨內(nèi)的有效誤差微小，同樣也研究了滲入在各內(nèi)臟器官內(nèi)的游離原子狀態(tài)，其結(jié)果表明，埋植期間內(nèi)積累起來的游離原子的有效誤差等于零。這些結(jié)果表明，TiNi合金的生物相容性很好，在醫(yī)學領域具有巨大的應用價值。2021/5/960牙科領域矯治牙頜畸形，通常利用金屬絲材進行矯正。牙齒矯形用金屬絲有不銹鋼絲和CoCr合金絲，這些材料具有彈性模量高、彈性應變小的缺點。用微小變形可獲得很大矯正力，對患者造成疼痛和不適，同時還容易產(chǎn)生塑性變形。為了給出適宜的矯正力，最初就要加工成弓形，操作比較復雜。牙齒矯形絲2021/5/961利用NiTi形狀記憶合金的超彈性使得在加載和卸載過程中壓力恒定，即使應變高達10％也不會產(chǎn)生塑性變形，應力誘發(fā)馬氏體相變使彈性模量呈現(xiàn)非線性特性，即便應變增大，矯正力卻增加很少，永久應變遠遠小于不銹鋼絲。TiNi絲是一種可以穩(wěn)定地利用極大能量的材料，在大的變形范圍內(nèi)可持續(xù)釋放比其他材料更加恒定的矯正力。NiTi合金牙齒矯形絲2021/5/962矯形外科采用Ω形脊柱人造關節(jié)可在頸椎治療中替代傳統(tǒng)的骨融合。先在低溫下將Ω形器的弓形臂展平(圖a)．并置于頸椎椎體的中間部位(圖b)。由于體溫的影響，Ω形器的臂部恢復原狀，從而保持了頸椎高度(圖c)。這種關節(jié)成形術(shù)提高了病人功能恢復的程度，最大程度上減小了進一步的惡化，減輕了痛苦，同時避免了并發(fā)癥的發(fā)生。Ω形脊柱人造關節(jié)Ω形脊柱人造關節(jié)應用示意圖2021/5/963脊柱側(cè)彎矯形用哈倫頓棒各種脊柱側(cè)彎一旦導致高度畸變，不僅身心受到劇烈痛苦，而且內(nèi)臟也受到壓迫，所以必須進行外科矯形手術(shù)。脊柱側(cè)彎病癥2021/5/964目前，這種矯形手術(shù)采用不銹鋼哈倫頓棒。不銹鋼矯形棒安裝固定后使脊柱受到的矯正力在30-40kg以下，但有時脊柱會受到更大的力，會破壞固定器。結(jié)果不僅是脊柱，連神經(jīng)也有受到損傷的危險。即使安放的矯正力達到30-40kg，固定后20min后矯正力就下降20%之多，再過10-15天下降到最初固定力的30%。一到這時必須再進行手術(shù)，調(diào)整矯形力，使患者在精神和肉體上受到極大的痛苦。2021/5/965如果把形狀記憶合金用做哈倫頓棒，只要進行一次安放固定手術(shù)就行，不需要第二次手術(shù)。將NiTi合金矯形棒先在低溫下彎折，使其變形為弓形或s形，其曲率與脊柱相吻合，然后固定在椎板的棘突上。在溫生理鹽水作用下，NiTi合金矯形棒恢復到原來形狀，此時產(chǎn)生較大的恢復力來推動脊杠進行矯正，達到治療目的。利用NiTi記憶合金矯形體進行脊柱矯形的最大特點是在體內(nèi)始終有一個較大的彎曲力矩作用在脊柱上，使畸形得到矯正，并且療效高，矯形后角度丟失較小，無骨折、無神經(jīng)損傷等嚴重并發(fā)癥。術(shù)后不用牽引，也不用石膏固定。2021/5/966NiTi合金聚髕器治療粉碎性髕骨骨折比較困難，我國設計了一種用于治療髕骨骨折的形狀記憶NiTi聚髕器，現(xiàn)已成功用于臨床治療之中。聚髕器由1-2個髕底功能爪枝、2-3個髕尖功能爪枝和1個連接的功能腰組成，它能從5-9個方向產(chǎn)生恢復力并作用于髕骨，向心、主動、持續(xù)地以縱向聚合加壓，將粉碎的髕骨聚合于解剖位直至骨性愈合。聚髕器2021/5/967臨床應用中，通常在低溫下將爪漸漸展開，以減少爪和連接腰形成曲率，從而使得爪間距稍大于髕骨的縱向直徑；骨折復位后，爪的自由端固定在髕骨周圍。用熱生理鹽水升溫，聚髕器的形狀恢復，髕骨周圍產(chǎn)生的會聚壓力抵消了股四頭肌的張力，在關節(jié)運動時，骨折部位可得到穩(wěn)固的保護。聚髕器作用在骨折碎片的壓力將它們牢牢聚合在—起，加快骨折的愈合。NiTi合金聚髕器應用示意圖2021/5/968NiTi合金聚髕器在臨床使用中具有如下特點：操作簡單，省時省力，暴露的切口較常規(guī)膝部內(nèi)弧形切口?。挥行┎±诰致橄录纯赏瓿墒中g(shù)，這對于有心血管疾病或糖尿病的高齡老人尤為適宜；在固定效果上，不但術(shù)中易達到髕關節(jié)面的解剖復位，而且術(shù)后能有效地將其維持，固定于解剖位直至骨折愈合；術(shù)后處理簡單，絕大多數(shù)病例無需石膏固定；功能恢復既快又好。2021/5/969接骨用騎縫釘連接碎骨，治療骨折，有時要使用起絆緊作用的U字形騎縫釘。現(xiàn)用騎縫釘，插進后使骨骼不分離，只起固定作用，但經(jīng)不住身體運動所產(chǎn)生的剪切力，有時固定力在人體活動過程中甚至減半。用形狀記憶加壓U形釘對治療近關節(jié)骨折具有獨特優(yōu)勢。形狀記憶加壓騎縫釘2021/5/970先在低溫下將加壓部分伸展開，減少波形曲率，增加長度，同時增大夾角至90度以延長兩爪間跨距。骨折復位后，將U形釘插入鉆好的孔中，用熱紗布對手術(shù)部位進行熱敷，使其升溫，U形釘恢復到原始形狀，產(chǎn)生的恢復力將骨折碎片牢牢固定，從而對骨折部分施加恒定的壓力，即使關節(jié)部位運動產(chǎn)生壓力或張力時，U形釘也能牢牢地壓縮在骨折部位。這種騎縫釘在德國已經(jīng)實現(xiàn)應用，沒有出現(xiàn)任何事故。形狀記憶加壓騎縫釘2021/5/971形狀記憶鋸齒臂環(huán)抱內(nèi)固定器在長管狀骨骨折的治療中，除了需要牢固地固定，還要求其能夠有效地抗彎曲、抗剪切、抗扭轉(zhuǎn)，同時保持軸向壓縮力，以促進骨折愈合及骨的重塑。形狀記憶鋸齒臂環(huán)抱內(nèi)固定器具有固定抓緊功能，特別適用于治療十分困難的假體周圍骨折或髓內(nèi)釘周圍骨折。形狀記憶鋸齒臂環(huán)抱內(nèi)固定器2021/5/972根據(jù)X光片選擇合適長度的環(huán)抱器，鋸齒臂環(huán)袍內(nèi)固定器的內(nèi)徑應比患者的骨直徑小約10％-20％；將環(huán)抱器消毒后，置于0-5℃的消毒冰鹽水中，用撐開鉗逐漸均勻地撐開各鋸齒背，使每對鋸齒臂之間的距離略大于骨干直徑；自冰鹽水中取出已撐開的環(huán)抱器，迅速正確置入已整復好的骨折段，使骨折部位于環(huán)抱器中部；用熱鹽水沖洗環(huán)抱器及各鋸齒臂，由于形狀記憶效應，環(huán)抱器迅速恢復原狀，鋸齒臂閉合，抱緊患骨。各種尺寸的形狀記憶鋸齒臂環(huán)抱內(nèi)固定器2021/5/973醫(yī)療裝置當心臟出現(xiàn)毛病，不可能手術(shù)治療時，不得不依賴于心臟移植或人工心臟。人工心臟傳統(tǒng)驅(qū)動源主要采用利用氣壓的隔膜泵和吸入泵?？梢杂眯螤钣洃浐辖鹬圃烊斯ば呐K用人造肌肉，用以充當人造心臟的驅(qū)動猿。人工心臟用人造肌肉人造心臟2021/5/974把直徑0.5mm的TiNi合金絲記憶處理成正弦曲線形狀，貼在彈性質(zhì)(乙烯基醋酸脂橡膠)人工心室外壁上制成人工心臟用收縮性人造肌肉。以6根TiNi絲構(gòu)成一個驅(qū)動節(jié)，以平行或串并聯(lián)形式貼在心室壁上用作收縮驅(qū)動器。TiNi絲采用脈沖通電加熱方式，冷卻依靠自然降溫，利用形狀記憶效應，通過TiNi絲的伸縮來實現(xiàn)心臟的收縮。體外用水進行試制的人工心臟的性能檢驗，結(jié)果表明，用每分鐘12-15次的加熱冷卻循環(huán)可獲得高達1600mm水柱的壓力。2021/5/975血栓過濾器在心臟、下肢和骨盤靜脈中形成的血栓被剝離后通過血管游動到肺時便發(fā)生肺栓塞。通常必須通過服用抗凝劑或者外科切除術(shù)進行治療，但這