张　丹,徐　磊,王　瑞
(天津工业大学纺织学院,天津300160)

摘　要: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。
    关键词:TiNi;形状记忆合金;超弹性;耐磨性;疲劳性能;应用
    中图分类号:TS190·1　文献标识码:A文章编号:1673-0356(2011)03-0036-03
    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。
    1　TiNi形状记忆合金的性能
    1·1　形状记忆效应
    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SME[4]。Ti- Ni合金的SME分为单程、双程和全程记忆效应。
    1·2　超弹性
    超弹性(super 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]。
    1·3　耐磨性能
    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。　　　
    1·4　疲劳性能
    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:①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;②应力诱发马氏体相变产生的局部应变;③一般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引起的疲劳应力—应 变响应稳定性,并且决定了应变和相变的发生区域。
    2·TiNi形状记忆合金在纺织上的应用现状
    2·1　国外应用研究现状
    (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,然后再加工成平面状,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。　　　
    2·2　国内应用研究现状
    (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。另外,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。
    3·结语
    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。
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