形状记忆与超弹性镍钛合金的发展和应用

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第14卷专辑1

Vol.14S1

中国有色金属学报

TheChineseJournalofNonferrousMetals

2004年5月May　2004

文章编号:10040609(2004)S1032304

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形状记忆与超弹性镍钛合金的发展和应用

赵连城,郑玉峰

(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨150001)

摘　要:回顾了镍钛合金自1963年发现形状记忆效应至今40年的发展历程、应用领域和产业状况。镍钛合金

具有优良的力学性能、腐蚀抗力、形状记忆效应、超弹性、阻尼特性和生物相容性等特点,其应用范围涉及航空、航天、机械、电子、化工、能源、建筑等工程领域、民用和医学领域。纵观全球记忆合金产业,国外主要高利润经济增长点正逐步从工业产品和民用产品转变到超弹性介入医学产品,从原材料→半成品→成品已经形成良好的产业链,正进入蓬勃发展时期。国内记忆合金产业刚刚兴起,理论研究和应用基础研究的基础不错,应加强企业之间的合作,避免恶性竞争,共同推进镍钛合金高技术产业的健康发展。

关键词:镍钛合金;形状记忆效应;超弹性;工程应用;医学应用

DevelopmentandwithZHAOLian2cheng,ZHENGYu2feng

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)Abstract:Thedevelopment,applicationandrelatedindustrystateofthenickel2titaniumalloysinthepast40yearswere

reviewed.Thenickel2titaniumalloyshavebeenextensivelyusedinthefieldsofaerospace,machinery,electronics,chem2istry,energysources,architectureanddailylifeduetotheirexcellentmechanicalproperty,corrosionresistance,shapememoryeffect,superelasticity,dampingpropertyandbiocompatibility.OverviewingtheglobalNiTiindustry,theoverseamarketgetsthemajorprofitsfromthesuperelasticinterventionalproductsinsteadoftheengineeringandcommodityprod2ucts,andagoodindustrystructurehasbeenestablishedfortheprimarymaterials,semi2products,finalproductsmanufac2turing.TheinternationalmarketforNiTiproductsarepromising.Forthedomesticshapememoryalloysindustry,thefundamentalresearchworkshavebeendoneverywell,andahealthydevelopmentcanberealizedthroughmakingaclosecooperationrelationsbetweenenterprisesandavoidingthemalignantcompetition.

Keywords:Ni2Tialloys;shapememoryeffect;superelasticity;engineeringapplication;medicalapplication

　　1963年,美国海军军械研究室Buehler等[1]偶然间发现,当时作为阻尼材料研究的等摩尔比NiTi合金在室温形变阶段(处于马氏体状态)与点燃的香烟头接触后(经加热发生马氏体→母相逆转变),自动弹直(恢复母相对应的形状)这一现象,命名为形状记忆,并称此合金为NiTiNOL(Nickeltitaniumnavyordnancelaboratory)。镍钛合金从发现形状记忆效应至今已有40年,在此,本文作者回顾了形状记忆与超弹性镍钛合金的发展历史,评述了镍钛合金的理论研究和应用研究的进展和产业现状。

①作者简介:赵连城(1938),男,教授,中国工程院院士.

1　发展历史阶段

镍钛合金的发展历史可分为3个阶段:

1)1963年～1986年,开展了初步的基础研究,包括相变行为、晶体结构、显微组织、力学性能和冶炼加工制备技术等[2,3]。20世纪70年代初,美国Raychem公司成功研制了NiTiFe航空用液压管路接头和紧固件,并应用于F14战斗机中,成为镍钛合金第一个成功的工业应用实例。1975年5月在加拿大多伦多大学召开了国际上第一次形状记忆

通讯作者:赵连城,教授;电话:0451286413911;E2mail:lczhao@hit.edu.

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效应及其应用研讨会,这时产业开发尚处在早期阶段,会上仅有美国Raychem公司报告的NiTi合金

管接头和电接触器属于技术产品。1971年,An2dreasen等[4]首次评价了含Co的NiTiNOL合金丝的弹性性能,认为NiTiNOL丝完全能够用于牙齿整平治疗。1976年,Castleman等[5]首次报道了镍钛合金的生物相容性评价。1977年,美国3MU2nitek公司销售镍钛合金牙齿矫形丝,成为第一个

现功能的。在此期间,中国学者分别在杭州(1997

年)和昆明(2001年)承办了C2JSMA97和SMMSMST2001国际会议。

2　应用现状

在过去的40年里,镍钛合金因其优良的生物相容性、射线不透性、核磁共振无影响性、力学性能、腐蚀抗力、形状记忆效应、超弹性和阻尼等特性,应用范围涉及航空、航天、机械、电子、化工、能源、建筑等工程、民用和医学领域。航空航天应用的产品包括管接头、超弹性防松构件、超弹性均载连接件以及智能结构控制件等;在能源、交通、器、屏蔽电;在石油化工领、油井套管记忆合金整形器、电控记忆合金驱动截流器等;民用产品主要包括超弹性眼镜架、移动电话天线、女性胸衣托架、高弹高韧性钓鱼丝线、耳机头套等;在牙科、骨科、介入治疗、心内科、耳鼻喉科、妇科等医学领域中的应用包括牙齿矫形丝、根管锉、脊柱矫形棒、接骨板、髓内针、髌骨爪、导丝、导针、心脏补片、血管支架、血栓滤器、食道支架、呼吸道支架、胆道支架、尿道支架、直肠支架、十二指肠支架、外耳道支架、节育环等。

镍钛合金医学产品。我国记忆合金研究始于20世

纪70年代末期,“七五”计划即列入国家攻关计划,80年代中期全国研究人员达到200人左右,当时在世界上是人数最多的。我国在1980年左右先后开发出十多种镍钛合金骨科器材,并积累了大量临床资料。由于中国学者在镍钛合金研究方面的较强国际影响力,1986年在桂林召开了国际形状记忆合金研讨会。

2)1987年～1994年,理论,[6,7],这。1990年,But2terworth2Heinemann公司出版的《EngineeringAs2pectsofShapeMemoryAlloys》一书全面地反映了当时镍钛合金涉及到的工业领域的盛况。在医学领域,1990年,美国FDA批准Mitek公司的NiTi骨铆钉进入市场推广应用。1991年,美国Raychem公司首次制造出镍钛合金薄壁管,并与USSurgical合作制造出可操纵的腹腔镜,自此镍钛合金才逐渐被医疗器械设计者接受。1994年在美国加州成立了国际形状记忆与超弹性技术委员会,此后每3年在美国加州召开一次国际会议,以工程和生物医学应用为主要议题。在此期间,中国学者分别在上海(1990年)和北京(1994年)主办了SMA医学应用国际会议和SMM94国际会议。

3)1995年至今,一些新的镍钛合金加工技术和基础理论问题不断出现,如镍钛合金的表面改性技术、激光加工技术和脉动疲劳寿命测试等[8,9]。1997～1999年,芬兰医生Ryh nen[10]系统评价了肌肉组织、神经组织和骨组织对NiTi合金的反应,消除了人们对镍钛合金中镍毒性的顾虑,并接受了镍钛合金具有良好的生物相容性的观点。近10年来,镍钛合金医学产品的设计、生产与销售成为主流,镍钛合金器械主要在放射学、内镜检查学和微创外科中大展身手。此外,尽管超弹性比形状记忆效应晚十几年才得到认识,但在目前记忆合金的医学及工程应用中,90%左右是利用其超弹性性能实

3　产业现状

当前全球记忆合金产业日趋兴旺,呈网络化发展,前景良好。表1列出了目前涉足镍钛合金产业的主要外国公司情况。根据不完全统计与测算,2001年世界NiTi记忆合金年产量达到420t,美国

约占2/3,欧洲和日本约占1/3,并正以年增长率2530%的速度递增。在国际市场上,1kgNiTi

合金 …… 此处隐藏：5404字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……