形状记忆合金丝（精选12篇）
形状记忆合金丝 篇1
自SMA的出现至今50年来, 各国研究者对SMA研究和产品数量呈逐年递增之势 (图1) , SMA产品主要应用在航空航天、医学外科、通信、探索、工业机器人、服饰生活等, 种类繁多。而上世纪末, 日本首次研制出丝径<0.08mm的Ti Ni合金丝, 开启了SMA应用于纺织加工的时代。
1 外科器材
早期SMA应用于骨科固定材料如骨钉等, 丝材早期也应用在牙齿矫形。随着丝材细化和柔性处理, 细丝编织的复杂结构具有独特的线圈串套结构能够对人体组织尤其是内脏器官起到稳定的柔性束缚对血管器官实施柔性支撑, 临床上应用于冠心病、血管、气管瘤等用于束缚肿瘤、抑制肿瘤生长、通畅新陈代谢。
实施手术时由于人体麻醉后失去体温, SMA丝编织管变窄植入气管瘤内部, 当术后体温回复正常后, SMA管相变回复扩张的形状, 保持气管的畅通。2006年和2007年美国AGA医疗公司分别研发了一种血管主动脉瓣和气管支架 (图3a, b) [1,2]。
美国明尼苏达州Haugen公司开发了一系列编织和针织结构的气管支架, 用于心脏动脉瓣和气管瘤病症患者的临床治疗, 并采用特有的zigzag技术激光定型处理, 制备了特殊形状的支架用于气管的弯曲部分, 保持其弯曲挠度的稳定[3]。
SMA丝编织物是由单根丝在刻有沟槽的陶瓷圆柱体上反复缠绕成型而得, 成型后, 将丝材两个头端激光焊接在临近的网管上, 形成封闭的管状;针织结构是在小型管编圆机上成型, 同加工普通针织物的机件不同, 编织SMA丝的织针针头较粗, 表面镀铬以减小其与SMA丝之间的刮擦, 在导纱器上侧设置液氮喷嘴, 编织时不停喷出液氮喷雾降温软化SMA丝, 使其易于弯纱成圈。纺织成型件, 在固定形状后经过实效处理, 即可“记住”原先的形状。
新型的SMA丝编织技术利用包缠纺技术, 将PVA等水溶性纤维包覆在SMA丝材外表, 经过针织成型后, 在沸水中去除PVA后即可得到强力较高的产品。
2 塑体内衣产品
利用SMA合金丝的超弹的保形性, 可将其作为服装的衬料加入服装中实现定形塑体的效果。采用直径为0.2mm~0.5mm的Ni-Ti合金超弹丝, 2~3根加捻后, 编织成网络结构。植入胸罩内做成的托杯具有高弹性、佩带舒适、保持性好、兼有造型功能, 便于洗涤。
国内周星、杨恒等人以SMA丝材为原料, 将其植入胸罩中, 形成保健胸罩。其具体采用的方法为:采用记忆SMA丝网并收口组成文胸内衬, 形成特定的包裹收口结构, 记忆SMA丝网透气性好, 形状保持能力强, 结构符合人体工学, 与普通的产品相比具有明显优势[4,5]。
另外关于SMA用于塑体保健内衣, 国内大量专利文献报道, SMA主要用作内衬支撑材料, 形成包覆效果并开有若干透气孔, 此类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。
以SMA丝单丝、片或细丝以间隔针织, 经编多梳等组织同普通的涤纶尼龙长丝混织, 开发出具有网格分布的SMA丝, 通常以硅胶包覆, 形成硅胶包覆合金丝网内衬, 用作鞋面材料、包、帽檐等的内衬材料, 使其能够持久保持鞋帽等载体的原有造型, 美观耐用[6]。
金星镐等人申请的专利包括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[7]。另外, 北京的记一科技公司开发的许多保健产品用于智能服装服饰。
3 智能服饰
SMA的形状记忆特性, 将能驱动服装和纺织品做出形状上的变化, 起到夸张的舞台效果或实用的功能。意大利公司将形状记忆合金纤维作为纱线, 设计了一件智能化衬衣, 采用的是Ni Ti记忆合金纤维和尼龙混织, 纤维用量比例为1:5。这种智能服装在周围环境温度升高时, 袖子会立即自动卷起, 当产生皱褶时, 仅用人体体温也可以自动把它“熨平”[8]。
英国研制了一种防烫伤服装, 在这种服装中, Ni Ti SMA丝呈宝塔螺旋弹簧状埋植与服装面料的表里层之间, 这种螺旋弹簧具有双程形状记忆特性, 其马氏体下的形状为压扁的弹簧形状, 当服装表面暴露在高温下时, Ni Ti丝的形变被引发金属丝立即由平面状变为宝塔状, 使两层织物之间形成较大的空隙, 避免高温瞬间接触人体皮肤, 防止短时间内皮肤被烫伤, 为人的撤离多出了十几秒的时间, 同理, 这类服装还可抵御超低温下的冻伤, 还可提供适于极地环境穿着服装的保暖性[9]。
日本研制了窗帘, 通过织入形状记忆丝可以控制它的透光性, 并用这种织物做出了百叶窗, 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, 这种百叶窗能够控制室内的舒适温度和避免强烈日光对人体视力的影响[10]。2012年巴黎时装展出了SMA驱动的一系列服装, 其超强的舞台表现效果引起了人们的兴趣。
4 结束语
作为一种新型的纺织材料, 形状记忆合金因其优良的性能及与纺织品结合, 然而形状记忆合金丝在纺织上的应用还处于起步阶段, 今后的产品开发, 将呈现出以下特点:
1) 应用于纺织品的SMA丝材将越来越细, 形成真正的纺织纤维, 与内植在服装面料内的控制微电路结合, 可有效驱动服装尤其是多层织物、毛圈、绒织物的形状, 达到智能效果。
2) 随着SMA丝材的细化, 其应用于纺织品的形式也将呈现出多元化, SMA将不仅仅局限于单丝形式植入纺织结构, 与其它纤维结合组成的包缠纱、包芯纱等将大量出现。
3) 将SMA丝材设计到面料的结构中, 形成特殊动感设计的服装, 将成为下一步服装设计的新路线。
参考文献
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[7]周星, 朱明, 王思泉等.一种具有形状记忆能力的内衬, CN2419851[P].
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[10]刘岩, 胡金莲.形状记忆纺织品的制备及其发展前景[J].纺织科技进展, 2005.
形状记忆合金丝 篇2
将预拉伸的形状记忆合金(Shap ememoryalloy，简称SMA)丝作为驱动器，缠绕并粘贴在薄壁圆管表面。加热SMA，当其发生相变时，会产生很大的恢复力，驱动圆管发生扭转变形。建立了粘有SMA丝应变驱动器的.薄壁圆管的力学模型，分析了一个温度循环中，薄壁圆管受SMA驱动发生的压扭复合变形，给出了薄壁圆管扭转角与激励温度之间的关系。同时通过试验对理论结果进行了验证。
作 者：何存富 金江 陶宝祺 作者单位：何存富(北京工业大学机电学院)
金江,陶宝祺(南京航空航天大学)
形状记忆合金丝 篇3
摘要：本文介绍了形状记忆合金的性能，综述了其应用于结构振动控制的研究现状，指出了形状记忆合金用于结构振动控制有待解决的一些关键问题，并展望了形状记忆合金在土木结构振动控制中的应用前景。
关键词：形状记忆合金；智能结构；智能材料；振动控制
1、智能结构
智能结构，就是在基体中嵌人或粘贴传感器和致动器，并具有对致动器有控制作用的装置，从而能感知外界环境的变化及自身的实际状态，并通过自身的感知，做出判断，发出指令，执行和完成动作，实现动态或在线状态下自检测、自诊断、自监控、自修复及自适应等多种功能。传感器、作动器、控制器是智能结构的三个组成部分。近年来，形状记忆合金这种智能材料由于反应迅速、输出力大、可调节等优点，被研制成各种形式的作动器。
2、形状记忆合金的特性
2.1形状记忆效应
形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）最著名的特性是形状记忆效应。形状记忆效应是指SMA具有记忆并恢复至它在奥氏体状态下的形状的能力。例如，开始时在较高温度下，SMA组织为奥氏体，将SMA冷却至低温（如室温），SMA中奥氏体发生相变，转变为马氏体，如果在马氏体状态下拉伸SMA并留下较大的塑性变形，那么将SMA加热至一定温度后，马氏体就会转变为奥氏体，SMA将恢复到它开始时的形状。这种形状的恢复过程非常快。如果在SMA恢复的过程中，对SMA施加约束，那么SMA将会产生很大的恢复应力（可达700 MPa）。此种恢复应力可用作结构控制时的驱动力，也可以用来控制结构的刚度。
2.2超弹性性能
形状记忆合金材料的超弹性性能可使这类材料的相变恢复力呈现出非线性的特征，其刚度和阻尼都会随着材料的变形而改变，利用这种特性就可研制具有变阻尼和变刚度的形状记忆合金减振控制装置（耗能器或阻尼器），以实现工程结构的被动耗能减振控制，从而达到有效抑制结构振动的目的。
2.3弹性模量温度变化特性
高温下奥氏体SMA的弹性模量是低温下马氏体SMA的弹性模量的3倍以上。利用SMA的这种特性，将SMA预埋入结构，通过加热和冷却SMA，改变SMA的组织，控制SMA的弹性模量变化，从而可以改变结构局部或整体刚度，改变结构的固有频率，达到避开共振的目的。
2.4阻尼性能
SMA的阻尼性能比普通金属的阻尼性能好得多，其中马氏体奥氏体混合SMA的阻尼性能最好，马氏体SMA次之，奥氏体SMA的阻尼性能最小。SMA的阻尼性能比普通金属的阻尼性能好得多，利用SMA良好的阻尼性能可以制成高性能的振动阻尼器。
3、形状记忆合金在结构振动控制中的应用
3.1在主动控制中的应用
SMA应用于结构主动振动控制主要表现为：改变或调节材料的力学性质，使结构避开共振；被控结构中利用可控的驱动体，提供较大的恢复力或恢复力矩，使振动结构停息在平衡位置；利用形状记忆合金的恢复力，可以实现裂纹的主动控制。为了维护世界文化遗产，国外科研人员已利用形状记忆合金的超弹性性能加固了一些有价值的古建筑。最新的形状记忆合金应用是加固遭受破坏的佐治亚教堂的钟塔。加固方案采取在塔内加设四道连有形状记忆合金耗能器的后张拉预应力筋，以控制裂缝的继续扩展，并且确保它能经受住下次地震的作用。
3.2被动耗能器的应用
在土木工程领域，增加结构物阻尼的方法是目前应用最广泛的方法，它可适用于不同类型，不同形状构造，不同地基土质条件的建筑结构的抗震设计。SMA的被动耗能机制主要包括两个方面：一是由于其内摩擦作用产生的能量耗散机制；二是SMA的超弹性性能导致大的滞后环的出现。形状记忆合金耗能器一般安装在结构的层间，使之感受层间变形，以达到消耗地震能量的目的。试验表明，在安装了形状记忆合金耗能器后，近一半地震能量可以被耗能器吸收，结构的位移得到了明显的控制。
3.3在隔震中的应用
橡胶支座隔震（振）己经成为目前比较成熟的隔震技术之一，但橡胶隔震支座的耐久性和稳定性有提高，在产生较大变形后橡胶支座往往不能恢复原状而需要更换，形状记忆合金金属橡胶（Shape Memory Alloy Metal Rubber，SMAMR）是在金属橡胶基础上改进的一种新型减振材料，在减震（振）器发生塑性变形之后，形状记忆合金金属橡胶可以通过加热诱发金属橡胶中的形状记忆合金丝发生相变，从而达到变形自恢复的目的，而不需要更换新的设备。
3.4在智能混凝土结构中的应用
SMA具有集传感和驱动于一身的优势，能够同时实现结构的监测和控制。為了最大限度地推进SMA在土木结构主被动振动控制中的应用，在建筑结构中支撑、剪力墙等重要结构件设置SMA，使其成为智能混凝土结构。
3.5MSMA的应用
磁性形状记忆合金，（Magnetic Shape Memory-Alloy，MSMA）不但具有传统形状记忆合金受温度场控制的热弹性形状记忆效应，而且在磁场作用下发生磁诱发相变，这个动作是瞬时进行的。所以具有反应迅速、响应频率高的优点，可以应用于各种场合。
4、结论与展望
综上所述，SMA作为一种很有前途的新型功能材料，在土木工程领域的研究有了很大的发展，无论是进行主动控制还是被动控制，利用SMA都可以有效地减小结构的动力反应，提高结构的抗震性能。因此，将SMA运用到土木工程中是未来防灾减灾工程的一个重要的发展方向，也是一种理想的选择。
（l）形状记忆合金的衰减率小，而且衰减率过分依赖于温度和振幅，加之加工性能欠佳，价格偏高等都限制了形状记忆合金在减震中的应用。提高形状记忆合金驱动器的响应速度，特别是对与结构减震相关的性能进行深人研究具有现实的意义。
（2）进一步研制和开发新型的形状记忆合金主被动控制器，并且使形状记忆合金控制器的制作标准化。形状记忆合金控制器的可靠性、耐久性研究都还有待进一步加强。
（3）将SMA应用于结构振动控制，实现控振减振的目的，应弄清材料的阻尼性能，而影响阻尼性能的因素很多，其中温度、应力和频率及循环次数等加载条件是影响材料阻尼性能的外在因素；材料的成分、处理工艺等是影响SMA阻尼性能的内在因素，需要做大量的实验和理论分析才能解决这个问题。
参考文献：
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形状记忆合金丝 篇4
形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)因其独特的形状记忆效应和超弹性特性,被广泛应用于航空航天、医疗、自动化与土木工程等领域[1,2,3]。利用其形状记忆效应而设计的SMA致动器因功率质量比大、结构简单、无需传动装置、无噪声等优点,近年来在机器人和智能变形飞行器等研究领域倍受青睐[4,5,6]。在SMA板、丝、簧、管等致动元件中,以SMA丝的输出力最大(正应力高达500MPa),且其输出变形量也比较可观(轴向可回复应变高达6%以上),因而SMA丝成为高性能SMA致动器的首选元件。
SMA丝致动器的热驱动方式主要有外部热流驱动方式和内部电热驱动方式两种[7]。通常,当SMA丝丝径较小时,采用直接对SMA丝通电加热的方法比较现实可行,但当SMA丝丝径较大时,由于电阻很小,难以通过直接对SMA丝通电的方式实现快速加热,因此,常采用外部热流驱动方式进行加热,但这种方式严重依赖于对流传热(如采用气体加热,传热速率较低;而采用液体加热,附加结构复杂且能量利用率又太低),而且由于丝径较大,沿径向的温度梯度也会比较大。
为解决较粗SMA丝致动器热驱动难的问题,本文提出一种新型复合电热驱动技术,即将漆包线密集缠绕在SMA丝外,给漆包线和SMA丝同时通电加热,利用漆包线与SMA丝之间的热传导和局部小孔隙中的热对流以及SMA丝自身电加热来共同实现对SMA丝致动器的快速高效电热驱动。
1 新型电热方法及其热力学模型
1.1 新型电热方法
如图1所示,较细的铜芯漆包线密集缠绕在较粗的SMA丝外,漆包线和SMA丝同时通电加热,“内外夹击”,实现较粗SMA丝的快速加热升温。如在漆包线与SMA丝相接触的孔隙内填充导热硅脂等介质,还可加强二者的热交换能力,更利于提高SMA丝的加热升温速率。
1.2 热平衡方程
SMA丝与漆包线都具有内热源,二者之间既有热传导,也有对流传热,还有辐射传热,且漆包线外层还与周围环境空气发生对流传热。这是一个结构特殊且影响因素较多的复杂热力学过程,要建立十分精确的热力学模型比较困难。一种解决思路是通过有限元等方法进行近似数值计算;还有一种方法是通过适当假设,推导其简化理论模型。简化理论模型更有助于深刻理解和把握各参数对系统热驱动特性的影响规律,利于进行相关参数的优化设计,并且可作为驱动器系统动力学和温度控制的理论推导依据。因此,本文将通过适当地假设简化来推导驱动器热力学理论模型,并与实验进行对比验证。
漆包线与SMA丝之间的热交换情况尽管比较复杂,但漆包线与SMA丝的温度均大约在100℃以内,热辐射的作用比较小,因此,占主导作用的是二者之间接触面上的热传导和通过孔隙间介质进行的对流传热,如图2所示。
由于漆包线与SMA丝的直接接触面积很小,直接热传导的热量并不大,因此,二者之间的热交换实际上主要通过其间孔隙内的空气薄层进行。又由于漆包线与SMA丝之间的孔隙非常小,其厚度几乎与二者的热边界层厚度等数量级,因此可将漆包线与SMA丝通过孔隙内空气对流传热的热交换过程等效为通过空气薄层的热传导过程,从而将漆包线与SMA丝之间的热交换简化为一个等效热阻Rλ来表征。根据平壁热阻公式,可以近似估计出该空气薄层的热阻约为
式中,δ为漆包线与SMA丝之间的平均空气薄层厚度,m;λ为空气的热导率,W/(m·℃)。
同时,计入SMA丝相变潜热的影响,于是SMA丝新型电热驱动结构的热力学平衡方程可由如下两个方程来描述:
式中,θ1、θ2分别为SMA丝和漆包线的温度;θf为环境温度;i1、i2分别为SMA丝和漆包线的通电电流;m1、cp1、A1、R1分别为SMA丝的质量、比热容、特征表面积和电阻;m2、cp2、A2、R2分别为漆包线的质量、比热容、特征表面积和电阻;h2为漆包线与空气的对流传热系数;H为SMA的相变潜热;φ为SMA中马氏体的体积分数。
1.3 SMA相变动力学方程
根据Liang-Rogers马氏体相变动力学模型[8],当负载恒定时,马氏体体积分数φ的变化率可表示为
式中,θMs、θMf分别为马氏体相变过程的起始温度和终了温度;θAs、θAf分别为马氏体逆相变过程的起始温度和终了温度。
1.4 电阻模型
SMA电阻随相变而变化的规律比较复杂,因此,一般假定SMA的电阻恒定,并取为马氏体和奥氏体两种状态下电阻的均值。
漆包线的电阻随温度的变化规律可由如下经验公式近似表达:
R=ρ0(1+αθ2)l/S (5)
式中,ρ0为漆包线在0℃时的电阻率;α为电阻的温度系数;l为漆包线长度;S为漆包线横截面面积。
1.5 空气对流传热系数
令SMA丝电流i1=0,给漆包线通恒定电流i2,经过足够长时间后系统将达到平衡态,即温度不再变化。于是由式(2)和式(3)有
θ1=θ2 (6)
A2h2(θ2-θf)=i22R2 (7)
将式(5)代入式(7),得
通过实验测出给定电流下的平衡态温度,利用式(8)即可求得漆包线外侧空气的对流传热系数。
由于漆包线呈螺旋形状缠绕在SMA丝上,且随着SMA丝致动器发生相变而产生长度方向上的伸缩变形,漆包线匝与匝之间也不再紧密接触,因此,螺旋缠绕漆包线的对流传热特征表面积近似表示为漆包线展开为一条直线段后的表面积,即
式中,D为SMA丝丝径;d为漆包线丝径;L为SMA丝有效段长度,也即漆包线缠绕后的长度。
2 实验结果与理论计算
2.1 电阻率-温度曲线测试
利用水浴法进行漆包线电阻率-温度曲线测量。漆包线直径采用量程为0~25mm、分辨力为0.01mm的螺旋测微器进行测量;漆包线长度采用卷尺测量,分辨力为1mm。水的温度采用WMY-01B数字测温仪测量,量程-50~300℃,分辨力为0.1℃。漆包线电阻采用QJ44型直流双臂电桥测量,量程0.1mΩ~11Ω,准确度等级为0.2%。
实验选用Qz-2型漆包线,标称直径0.15mm,长度3000mm。测量结果如图3所示,经线性拟合,得漆包线铜芯的电阻率为
ρ=1.605×10-8(1+3.995×10-3θ2) (10)
由测量结果可以看出,经验公式式(5)具有很高的拟合精度。
2.2 空气对流传热系数
首先在室内无风状态下,给密集缠绕在SMA丝外的漆包线通恒定电流,待漆包线和SMA丝温度上升到某一温度后不再发生明显变化,则认为热力学过程达到平衡态。此时测量漆包线或SMA丝的温度,根据式(8)即可求得漆包线与周围空气的自然对流传热系数。同样方法,在低速风洞中,可测量不同风速下的强制对流传热系数。测量结果如图4所示,近似拟合为指数曲线:
式中,v为空气流速,m/s。
2.3 电热实验与理论计算结果
缠绕漆包线的SMA丝电热实验在室内微弱空气流动环境中进行,采用恒流源供电。将纤细的热电偶丝端部埋于漆包线与SMA丝之间,通过分辨力为1℃的热电偶温度表测量SMA丝表面温度。理论计算采用式(2)~式(4)式联立进行数值积分,其中的几何参数和物理参数如表1所示。
首先,单独给SMA丝通电,测量其电热升温过程和断电降温过程中的温度值,同时将实验条件代入热力学方程进行计算得到相应的理论计算结果。测试结果与理论计算结果如图5所示。当SMA丝加热电流较小时,理论计算结果与测量结果吻合较好,而在较大通电电流情况下,二者在高温段差别较大。一个主要的原因是,SMA丝的电阻随相变过程会发生变化,而热力学方程中为了降低模型复杂度,将其简化为一个数值恒定的平均电阻。理论结果和实验结果均表明,由于较粗SMA丝的电阻较小,通过给较粗SMA丝直接通电加热诱发相变需要较大电流,且升温速度很小。这也正是较粗SMA丝电热驱动的困难所在。
1.i1=2A 2.i1=4A 3.i1=6A
其次,单独给漆包线通电,测量其电热升温过程和断电降温过程,并进行相应的理论计算,结果如图6所示。理论计算结果与实验结果吻合良好,由于考虑了SMA相变潜热的影响,因此升温和降温曲线在相变温度区间的细节信息也得到了相应的反映。理论计算与实验结果表明,通过给漆包线通电来加热SMA丝所需的电流较小,升温速度也相对较快。
1.i2=0.5A 2.i2=0.8A 3.i2=1.5A
最后,给SMA丝和漆包线同时通电,测量其电热升温过程和断电降温过程,并与单独通电试验进行对比,同时进行相应理论计算,结果如图7所示。同时通电加热过程的理论计算结果与实验结果吻合良好,表明同时给SMA丝和漆包线通电加热可大幅提高SMA丝的升温速度。
1.SMA丝单独通6A电流 2.漆包线单独通1A电流 3.SMA丝通6A电流同时漆包线通1A电流
3 结论
通过引入等效热阻,推导出SMA丝致动器新型电热驱动结构的简化热力学模型。基于该模型的理论计算结果与实验结果吻合良好,对该新型电热驱动方法的推广应用具有一定参考价值。理论计算和实验研究同时表明,该电热驱动方法可有效解决较粗SMA丝电阻小、电加热困难的瓶颈,能大幅提高SMA丝致动器的电热升温速率。
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形状记忆合金丝 篇5
镍钛形状记忆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、建筑和医学等领域.综述了镍钛形状记忆合金激光焊接技术的研究进展,指出了今后的发展前景与研究方向.
作 者：王蔚 赵兴科 黄继华 陈俐 作者单位：王蔚,赵兴科,黄继华(北京科技大学材料学院)
陈俐(北京航空制造工程研究所)
刊 名：航空制造技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)： “”(z1) 分类号：V2 关键词：镍钛形状记忆合金 激光焊接技术 航空 航天
形状记忆合金丝 篇6
【关键词】髌骨骨折；记忆合金髌骨爪；护理
【中图分类号】R473.12 【文献标识码】B【文章编号】1004-4949（2014）09-0170-01
骸骨骨折是骨科常见疾病之一，为关节内骨折中的一种，其病发率约占全身骨折总病发率的1%[1]。髌骨骨折多由直接或间接暴力作用所致，青壮年患者为该病的多发人群。临床上对于髌骨骨折的治疗方法有很多[2]，我院选择记忆合金髌骨爪治疗，并结合进行护理干预，以达到促进骨折愈合速度、提高预后效果的目的。为此，本文对我院74例髌骨骨折患者的临床资料进行分析，效果满意。现报告如下。
1资料及方法
1.1临床资料
择取2012年9月至2013年9月我院应用记忆合金髌骨爪治疗的髌骨骨折患者74例，其中男42例，女32例；年龄19～56岁，平均年龄（37.6±2.9）岁；受伤至手术治疗的时间1.2h～6d，平均时间（2.2±0.6）d；致伤原因：交通事故24例，高空坠落19例，棍棒伤15例，跌撞伤10例，其他6例；骨折类型：横断型32例，纵形型26例，粉碎型16例。
1.2护理方法
（1）常规护理：患者入院后，护理人员应保持患者病房环境的干净、舒适、温馨；为患者制定一份健康的饮食清单，提醒患者合理饮食，为机体提供足够的营养，减少刺激性食物的摄入；叮嘱患者多卧床休息，养足精神，提高机体免疫力；讲解髌骨骨折的相关知识和防护措施等。（2）心理护理：患者受伤后，由于对伤病和治疗结果产生忧虑，因而会使心理上的负担加重，出现紧张、焦躁、恐惧等不良情绪。为此，护理人员应耐心为患者讲解手术的必要性、记忆合金髌骨爪具备的功能，以及手术的目的和相关步骤、患者围术期配合治疗及注意事项等；关心并安慰患者，定时与患者交流，消除其内心的恐惧感；多为患者讲述成功治愈的病例，鼓励其建立起对抗疾病的自信心；与患者及其家属建立良好的关系，取得他们的信任，以便其配合护理工作的顺利展开，减少护患纠纷。（3）对症护理：术后患肢易疼痛、肿胀，因此护理人员应密切观察患者的临床症状变化情况，出现不适或加重现象及时告知医生，并采取有效的急救措施；若绷带过紧，适当松解；若伤口疼痛，必要时对症给予止痛药辅助缓解疼痛。严密观察关节情况，出现肿胀明显，可通过无菌操作抽出积液，并用直夹板石膏固定，注意将患肢适当太高。（4）康复护理：在解除伤口包扎后，指导患者练习膝关节做伸屈活动，开始时动作幅度小、速度慢、时间短，逐渐适应后慢慢加大幅度、加快速度、加长时间，每天定时练习。同时，注意对其他能力的训练，如基本生活能力、平衡能力、肌肉力量等。
1.3观察指标
记录患者的住院、拆线及切口愈合等的时间；术后进行12个月的随访，观察其骨折愈合情况、并发症及复发情况。
1.4骨折愈合评判标准[3]
优：骨折解剖复位，疼痛感消失，膝关节无伸屈障碍；良：骨折解剖复位，疼痛感消失，膝关节伸屈基本正常，行走自如，但下蹲较难；可：骨折愈合延迟，膝关节活动过度会有疼痛感，膝盖弯曲受限，非平地行走受限；差：膝关节未恢复正常，疼痛感明显，活动受限。愈合率=优+良。
2.结果
74例应用记忆合金髌骨爪治疗的髌骨骨折患者经护理干预后，其平均住院时间为（4.3±1.2）d、拆线时间为（8.4±2.3）d、切口愈合时间为（10.2±2.1）d；骨折愈合结果优65例，良6例，可3例，差0例，愈合率为95.95%；经随访发现有并发症的患者5例（6.76%），复发2例（2.70%）。
3讨论
髌骨是膝关节重要的一部分，具有加强股四头肌力、保护膝关节等作用[4]，髌骨发生骨折给患者的生活质量带来极大的不利影响，且致残率高，所以对该病进行有效治疗及护理措施及其重要。记忆合金髌骨爪是近年来治疗髌骨骨折的主要方案之一，其从根本上遵循了髌骨、髌骨关节的生物力学、解剖学的优势[5]，具有手术时间短、操作简单、安全可靠，骨折愈合时间短，术后并发症少，复发率低等特点，值得在临床上优先选择。此外，在记忆合金髌骨爪治疗的基础上加以护理干预，从患者的环境、饮食、日常生活、心理、康复等方面给予细致的护理，使患者身心均得到良好的治疗。本文研究结果表明，在治疗的基础上加以护理干预，能减少住院时间，进而减轻经济负担；促进切口愈合，提高患者的骨折愈合率，减少并发症，降低复发率。
综上，髌骨骨折应用记忆合金髌骨爪治疗并进行有效的护理措施，其效果显著，可有效提高手术的预后效果，值得临床推广。
参考文献
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形状记忆合金丝 篇7
1 TiNi合金薄膜的制备方法
目前TiNi合金薄膜的制备主要用物理气相沉积的方法,包括磁控溅射、闪蒸法、脉冲激光沉积和喷涂法等[7]。
自1990年以来,磁控溅射法开始用于制备TiNi合金薄膜。磁控溅射法由于其加工简单,沉积速度较快,镀膜密度高,且薄膜成分与靶材成分基本一致,因此目前多用此种方法制备TiNi合金薄膜。溅射的靶材一般是合金靶材,但是得到的薄膜与靶材会有一定偏差,可采用嵌入Ti片、延长预溅射时间、使用独立靶材等方法来控制元素成分[8]。
在早期曾有学者用真空蒸发镀的方法制备TiNi合金薄膜[9],但是后来发现用这种方法制备薄膜时,由于在蒸发过程中Ni和Ti的蒸发速率不同,得到的膜Ni和Ti深度分布并不均匀,薄膜并不具备形状记忆效应,因此真空蒸发镀膜并不适用于制备TiNi合金薄膜。为了解决真空蒸发镀膜法中Ni和Ti分布不均的问题,Eiji Makino等人[10]采用闪蒸法来制备TiNi薄膜。闪蒸法是将TiNi合金颗粒逐个送入蒸发器中蒸发,Ni原子和Ti原子几乎同时蒸发,这样得到的薄膜Ni和Ti的分布与靶材十分接近,得到的合金薄膜性能也优于真空蒸发镀膜。
Coabattar应用激光蒸发沉积 (LAD) 法制备了具有形状记忆效应的薄膜,这种方法可以用来制备各种材料的薄膜,并且得到的薄膜与靶材的成分基本一致。Jardin[11]用电弧喷涂方法,以TiNi线材为原料,以Ar气为载体,将熔融合金吹至基板表面冷却,最终制得具有形状记忆效应的TiNi薄膜。
2 影响TiNi合金薄膜性能的因素
在制备具有形状记忆效应的TiNi合金薄膜的过程中,热处理时的温度和加热时间是影响薄膜性质的关键因素[12]。除此之外,薄膜的成分,选择的基底的种类,基底的温度,背底压力和Ar的气压等都会对形成的薄膜的结构和性能产生影响。
2.1 元素成分对薄膜结构和性能的影响
大量研究表明TiNi合金薄膜中Ni原子的含量在0.476<x<0.531之间时,薄膜才具有形状记忆效应,且Ti和Ni原子含量细微的变化都会对薄膜的相变温度产生显著的影响,进而影响薄膜的性能[13]。Ni含量改变0.2%(原子分数),合金的相变温度就变化25 ℃左右。Ni含量增加,Ms点降低,薄膜的性质也同时发生变化[14]。而Patrick Surbled[15]则指出,富Ni的TiNi合金薄膜的相变温度与薄膜的成分或是热处理温度无关,而富Ti的TiNi合金薄膜的相变温度对成分或热处理温度变化比较敏感,比等原子比或富Ni的TiNi合金薄膜的相变温度更高。退火温度升高时,富Ti成分的TiNi合金薄膜的相变温度会经历一个先升高、再降低后又升高的过程。
2.2 热处理对薄膜结构和性能的影响
2.2.1 基底的选择
制备TiNi合金薄膜时,一般采用Si、SiO2、NaCl等作为基底。宫峰飞等[16]在研究TiNi合金薄膜的马氏体相变时曾采用熔石英作为薄膜基底。在不同的基底表面沉积薄膜,得到的薄膜性质会有所不同。傅宇东等[17]对直流磁控溅射法制备TiNi合金薄膜的工艺进行了研究,发现基体对薄膜形貌影响规律不同,单晶硅基体上薄膜形貌和经验规律大致相同,玻璃基体与经验规律不符。
基底对薄膜性能的影响还体现在两个方面,一是基底表面的粗糙程度,基底表面太光滑时,薄膜容易与基底剥离;二是基底的温度,在常温基体上溅射薄膜,不形成晶相结构,当温度升高时,溅射原子形成晶相结构,生成具有形状记忆效应的薄膜,但当温度继续过高时,薄膜原子和基底原子之间的互扩散严重[18]。此外,基底温度对薄膜的晶化温度也有一定的影响,曹伟产等[19]研究发现基底温度越高,薄膜的晶化温度越低,而随着基底温度的身高,晶粒的大小却随之减小,而薄膜的相结构不变。因此,在不改变相结构的前提下可以通过控制衬底的温度来控制晶粒的大小。
2.2.2 热处理的温度和时间
在常温基底上镀得的TiNi合金薄膜并不具备形状记忆效应,需经过热处理后才形成晶相结构,进而获得形状记忆效应。在热处理过程中的两个主要参数退火温度和时间影响着薄膜的相变结构和性能[20]。
柳美荣等[21]发现在对TiNi合金薄膜在550 ℃热处理1 h后,在升温过程中薄膜由M马氏体相直接变为B2奥氏体相,而在降温时则会经历:B2相→菱形R相→M相的相变。热处理时,加热温度不同导致生成的薄膜结构也不相同。傅宇东等研究发现,在0.2 Pa左右的Ar气压下,在单晶硅基体上溅射薄膜,当基体温度为室温时,薄膜显微结构式圆顶型柱状晶,200 ℃时纤维状晶粒,400 ℃是致密柱状晶,而550 ℃的纤维结构为等轴状晶。宫峰飞等[22]讨论了不同的退火温度下薄膜性质的改变,发现在490 ℃进行热处理时,薄膜有序度提高但并未晶化,在550 ℃加热0.5 h后,经DSC测量显示有一个强衍射峰和两个较弱的衍射,说明薄膜已经晶化。但在1 000 ℃加热0.5 h后,B2相衍射峰变得很弱。同时,在薄膜的拉伸实验结果中可看到,在600 ℃加热0.5 h的薄膜回复力和恢复力最大,随着温度增加,回复力减小,高于700 ℃后薄膜变脆。柳美荣等认为薄膜的断裂强度随测试温度的升高而增大,残余应变随温度的升高而减小,当温度大于Af点时,薄膜表现出超弹性。
热处理时,时间的长短对薄膜的结构和性能影响也很大。Jardin的研究表明,在540 ℃保温20 min,薄膜就已经晶化,延长保温时间,则会析出Ni4Ti3等析出物。Ishida等也发现,对于Ti-51.3 at.%-Ni的薄膜,相变温度会随着热处理时间的延长而升高,原因与Ni4Ti3等物质的析出有关。而热处理时间的长短对于等原子比的TiNi合金薄膜则无影响。
因此,在对TiNi合金薄膜进行晶化热处理时,选择适当的加热温度和时间,对于薄膜的相变温度、组织结构和性能有着重要的影响。
2.3 其他实验参数对薄膜结构性能的影响
在制备TiNi形状记忆合金薄膜的过程中,除了基底材料和热处理温度外,背底压力,Ar的气压等因素也会对薄膜的结构和性能造成影响。背底压力增大时,薄膜杂质会随之增加,因此背底压力越小越好,一般不超过1.33×10-3 Pa。同时Ar的气压也对TiNi合金薄膜的性能有影响,气压越大,薄膜沉积速度越快,但是高压Ar气条件下制得的薄膜结构较疏松[23]。
3 TiNi合金薄膜的应用
TiNi合金薄膜由于其回复率高、回复力大,响应速度快,对温度,外力的感应灵敏,且易于集成化制造,适用于制作微型驱动器和微型继电器等,因此近年来被国内外的学者广泛应用于微机电系统等领域[24]。
1990年,J.A Walker等[25]用在TiNi合金薄膜刻蚀的方法制作成的微型弹簧,通过电流加热驱动,响应速度可达到20 Hz。其尺寸微小,可用于微型驱动器。
Bayashi等人[26]用TiNi合金薄膜制成长度小于1 mm的微型机械手,用电控制TiNi合金薄膜的相变,从而控制它的动作。美国Lawrence Livermore国家实验室也制成了微钳,该钳的相变温度正好在体温之上,十分适用于医用。
TiNi合金薄膜还被用于制作成光阀门,M. Tabib-Azar等[27]制备的光阀门可以将光强度在1 s之内减少17%。
除上述应用外,TiNi合金薄膜在MEMS中还被用于制作微泵,微型继电器,线性微驱动器,智能传感器等[28]。由于TiNi合金具有良好的生物相容性和抗腐蚀能力,TiNi合金薄膜还被广泛应用于医学领域,制作医用支撑架、人工心脏等。
4 TiNi合金薄膜的发展前景
形状记忆合金丝 篇8
在临床的应用过程中, 发现术中术后骨折端分离移位是一个不容忽视的问题。主要的原因在于掌骨不同层面的外径差别较大, 而记忆合金固定时其内径较为一致, 这样当掌骨骨折受到牵拉应力时, 就容易发生骨折端分离, 不利于骨折的愈合。尤其骨折部位位于掌骨干偏两端, 更容易发生骨折端移位[1]。
我们经过不断总结, 对形状记忆合金固定掌骨骨折进行了改进。即采用形状记忆合金和克氏针相结合的方法, 通过其对骨折加压锁定的原理, 扩大了形状记忆合金的应用范围, 收到了良好的治疗效果。
1 资料与方法
1.1 一般材料
我院2006年—2012年收治15例掌骨骨折病例, 均采用了形状记忆合金环抱器-锁定系统治疗。本组15例均为新鲜骨折, 其中1例为重物砸伤致多发掌骨骨折, 且为开放性, 软组织损伤严重。余均为单根骨折。共有15处骨折, 其中第2掌骨3例、3, 4掌骨各5例, 第5掌骨2例, 掌骨干骨折9例, 掌骨中远1/3或近中1/3处6例;骨折类型除3例为短斜形, 余均为横断形。年龄20岁~53岁, 男14例, 女1例, 平均年龄31岁。
内固定材料采用张家港市苏南医疗器械有限公司生产的形状记忆合金环抱器及克氏针, 4对环抱臂, 臂长3/4周, 变形温度为0~4℃, 回复温度为37~45℃。直径为1.0 mm的同质材料克氏针。
1.2 手术方法
采用臂丛麻醉, 于上臂上段气囊止血带下操作。取手背侧纵向或S形切口, 向侧方拉开肌腱, 在骨膜外分离, 暴露骨折端。清除骨折端血凝块及嵌插组织, 复位, 临时固定。
选用合适形状的环抱器, 在紧贴最近端环抱臂的远侧缘垂直于骨面钉入1枚锁定针, 至穿透对侧皮质, 另1枚锁定针置于环抱器主梁另一侧。
取下环抱器浸泡于无菌生理盐水的冰水混合物中, 等其变软后撑开各环抱臂, 环抱于骨折部位 (骨折端位于环抱器中段) , 环抱器主梁尽量紧贴于骨质。用37~45℃温盐水纱布覆盖其上, 使环抱器恢复原状, 通过锁定针对骨折产生加压作用。
术中检查复位满意, 固定牢固, 截短克氏针, 约留0.5 cm, 针尾折弯。松止血带, 止血, 逐层缝合。
1.3 术后处理
其中1例开放性骨折患者, 术后应用3 d抗生素, 余均给予消肿治疗。2周拆线, 进行功能锻炼。复查骨折愈合后, 可恢复日常生活。
2 结果
本组15例患者除1例局部软组织发生感染, 2周后取出固定物, 给予抗炎、换药石膏托外固定, 3个月复查X线片, 骨折端临床愈合。余14例在3个月~6个月复查, 未发现骨折端分离、移位, 骨折端全部愈合。1年内施行内固定取出术, 不影响正常生活[2]。优良率100%。
3 讨论
利用镍钛形状记忆合金的物理特性, 随着温度的变化, 其硬度会发生变化, 在0℃左右的环境里, 其硬度变软, 在手术中术者根据骨折部位的形状将环抱器变形, 置入容易;而在接近人体体温时, 迅速恢复到初始状态, 变得坚硬无比, 起到了坚强内固定的作用。另外形状记忆合金的弹性模量较低, 顺应性高, 避免了与应力强行对抗导致内固定断裂。这种弹性固定的方式符合生物学固定的理念, 有利于骨折愈合, 避免了传统内固定材料坚强刚性和顺应性低而引起的内固定断裂情况。在应用形状记忆合金固定时, 骨膜不需要广泛剥离, 各个环抱臂与骨皮质是点状接触, 不影响骨皮质微循环;加上手术不破坏骨髓腔内的血运, 从而保护了骨折局部血运, 有利于骨折的愈合[3]。
掌骨是短状骨, 其结构中干细, 两端粗大, 手术固定不属于坚强固定, 在术后功能锻炼及日常生活中会受到扭转应力, 有可能出现骨折端分离及旋转移位, 导致骨折畸形愈合或不愈合。在此, 我们做了进一步的改进, 2枚锁钉紧贴于环抱臂的两侧, 可预防某一方向的旋转, 但不能控制向另一方向的旋转。如果厂家在环抱器主梁上留置2个锁钉孔, 在使用时就方便很多, 另外可推广到形状记忆合金髌骨爪、肋骨骨折环抱器等。
并不是所有的掌骨骨折都适用该加压环抱器, 对于粉碎性骨折、掌骨基底或掌骨头骨折及骨折斜面较长或螺旋形骨折就不适用;另外, 形状记忆合金环抱器价格偏高, 在应用时应考虑患者的经济状况。镍钛合金长时间存在人体内对人体健康造成一定的影响, 然而, 经过生产过程中表面钝化处理, 对控制镍离子的释放有显著作用[4]。
参考文献
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基于形状记忆合金的动力吸振研究 篇9
形状记忆合金 (shape memory alloys, 以下简称SMA) 是近几十年逐步发展起来的一种新型智能材料, 其特点是在较低的温度条件下塑性成形且可消除外部应力, 而加热时又可恢复最初形状。而动力吸振技术自1902年由Frahm发明以来, 由于其结构简单, 抑振效果好, 在工程实践中得到广泛应用。而主动式吸振器抑振范围较宽, 减振效果更好, 近年来得到了长足的发展, 将SMA等新型智能材料应用到结构振动控制中, 成为现代结构控制的研究热点。
1 基于SMA的吸振器模型
基于SMA的变刚度的调谐吸振器的工作原理是基于SAM自身的加热与冷却间变化时, 其弹性模量变化致使调谐吸振器的固有频率可变, 从而可追踪外部激励频率的变化而变化, 最终实现以较小的能量, 在较宽的频带范围内达到更好地减振效果。为了实现SMA式动力吸振器在较宽频带内衰减主振系统的振动, 采用了多根SMA丝来产生一系列离散的调谐条件。故增加形状记忆合金丝数量, 可增多可调谐的固有频率。而基于SMA的动力吸振器由悬臂梁、末端质量块两部分组成, 如图1所示, 其中SMA合金丝置于悬臂梁结构构件中。对末端质量块施加作用力, 悬臂梁可以实现横向运动, 则可将悬臂梁作为吸振器的弹性元件, 变刚度的实现则由悬臂梁执行。即通过适时的加热和冷却SMA丝, 使SMA丝的弹性模量改变, 从而改变梁的刚度, 最终改变吸振器的固有频率。
2 耦合SMA吸振器的主振系统模型
如图2所示, 由力学原理, 得到耦合SMA吸振器的主系统的运动方程:
其中, M1和K1分别为主系统的质量和等效刚度, M2、KSMA和C分别为动力吸振器的质量、等效刚度和等效阻尼, F0sinωt为主振系统上的激励力。
定义以下无量纲参数:
其中, ω1为主振系统的固有频率, ω2为动力吸振器的固有频率;δ为主振系统在激励下的静位移;μ为动力吸振器与主振系统的质量比;α为动力吸振器与主振系统的频率比;β为激励力频率与主振系统的频率比;λ为动力吸振器的相对等效阻尼比。
由振动理论可知, 减振特性可由主振系统的振幅A1与主振系统在激励下的静位移之比来描述, 即
3 减振特性分析
为了对比传统的动力吸振器与SMA式动力吸振器的减振效果, 选取动力吸振器与主振系统的质量比μ=0.25, 动力吸振器的相对等效阻尼比λ=0.1, 传统的动力吸振器与主振系统的频率比α=1, 而基于SMA的动力吸振器的固有频率可以跟踪外界的激振频率变化, 即其中β为激励力频率与主振系统的频率比, 则可以得出
根据公式 (2) 和 (3) , 得到两者不同的吸振效果理论曲线图, 如图3所示。从图中可知, 在反共振点上, 即β=1时, 两种动力吸振器的效果相同。但当激励频率发生偏移后, 即偏离反共振点时, 传统的动力吸振器的吸振效果急剧恶化, 而基于SMA的主动调谐吸振器, 在偏离反共振点的较大范围内依然具有较好的吸振效果, 没有出现吸振效果恶化的情况。
4 结语
基于形状记忆合金的弹性特性, SMA式动力吸振器的刚度可随着减振对象的激励频率变化而改变, 具有可调范围较大, 振动线性度较好, 拓宽了有效吸振频带, 具有很好的减振效果。下一步工作需要研究SMA式动力吸振器的各参数对减振效果的影响, 为主动式SMA吸振器设计提供理论储备。
摘要：形状记忆合金 (SMA) 具有体积小、质量轻、响应速度快、自适应强的特点。本文研究了基于SMA的动力吸振器, 并建立了与主振系统耦合的力学模型, 对比分析了传统动力吸振器与耦合SMA的动力吸振器的减振效果, 并分析了SMA式动力吸振器的主振系统的稳态响应特性。
关键词：形状记忆合金,动力吸振,力学模型
参考文献
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[2]顾仲权, 马扣根, 陈卫东.振动主动控制[M].北京:国防工业出版社, 1997.
形状记忆合金丝 篇10
1 实验材料与方法
将直径为ϕ0.40mm的NiTi合金丝 (Ni, Ti原子比为50.8∶49.2) 剪成2～3mm长的小段, 清洗干净后球磨4h, 球料的质量比为20∶1, 球磨后的NiTi合金粉末形貌如图1所示。再按一定比例将NiTi合金粉末与粒径为40～80目的尿素颗粒混合均匀, 用不同的预成型压力压制成ϕ20mm×20mm的圆柱状生坯。然后将生坯置于真空热压烧结炉中, 在6.67×10-3MPa的真空度下加热到250℃并保温1h, 以除去尿素造孔剂, 然后再以15℃/min的加热速度加热到预定温度并保温一段时间, 烧结后得到不同孔隙率和孔径尺寸的多孔NiTi合金样品。用体积-密度法测量烧结后多孔NiTi合金样品的孔隙率, 用Panalytical公司生产的X’Pert PRO型X射线衍射仪进行物相组成分析。用ROSCAN-450型扫描电子显微镜对NiTi合金粉末及烧结后的多孔NiTi合金的微观形貌进行观察。采用Instron万能材料试验机测试多孔合金的压缩性能。
2 实验结果与分析
2.1 多孔NiTi合金的相组成
低温烧结时, 多孔NiTi合金中主相为Ni3Ti, 在高于850℃的情况下, NiTi成为主相。为使烧结产物具有良好的性能, 须使烧结产物基体中的主相为NiTi相[11], 因而本工作烧结温度选择为900, 950, 1000, 1050℃。图2是不同烧结温度制备的多孔NiTi合金样品的XRD分析结果。可见, 四组多孔合金主要由B2, B19相组成, 并伴有Ni4Ti3相。但相对于传统的Ni粉和Ti粉近等原子比混合烧结方法制备的多孔NiTi合金, 本方法制得的相组成纯净一些。
2.2 烧结温度对多孔合金组织和性能的影响
图3为造孔剂添加量为70%, 预成型压力为150MPa, 不同温度下保温4h后制备的多孔NiTi合金的微观形貌。从图中可以看出, 多孔合金的平均孔隙尺寸随着烧结温度的升高逐渐增大, 并且趋于均匀化。900℃烧结时, 多孔合金内部孔隙大多比较小, 并且大小分布不均, 粉体基本没有经扩散作用黏合, 只是简单的粉末间的堆砌。随烧结温度的升高, 孔径尺寸变大, 但数量减少。这是由于一部分小孔因固相及气相的热膨胀等原因使孔径增大, 而另一部分小孔则受到热膨胀产生的应力向内挤压, 使得孔径收缩甚至孔隙闭合。高于950℃烧结时, 还可看到样品内部有某些熔化的区域。根据 NiTi合金相图[6], 在 950℃左右有一个共晶熔点, 所以当烧结温度高于 950℃时, 压坯内部就会产生一定的液相。在1050℃烧结时制得的多孔NiTi合金样品的孔径分布更加均匀, 集中在50～400μm。
(a) 900℃; (b) 950℃; (c) 1000℃; (d) 1050℃ (a) 900℃; (b) 950℃; (c) 1000℃; (d) 1050℃
图4为制备的多孔NiTi合金的孔隙率变化情况。随烧结温度增加, 多孔合金孔隙率先增大后减小。900℃烧结的样品中粉末之间结合力较低, 还基本保持压制生坯的状态;950℃烧结的样品中有少量液相出现, 颗粒间的结合较紧密, 使得孔隙增多, 孔径增大;随着液相的增多, 很多细小孔隙因液相流过而减小或消失, 从而使得1000℃和1050℃烧结的样品孔隙率持续下降。
多孔NiTi合金的抗压强度变化曲线如图5所示。抗压强度随着烧结温度的升高逐渐增大。当烧结温度为900～1000℃时, 多孔合金的抗压强度较低, 这是因为在1000℃以下烧结时, 多孔NiTi合金的骨架内存在大量的微小孔隙, NiTi合金粉体间结合力较弱, 从而显著地降低了NiTi合金骨架的抗压强度。而1050℃烧结的多孔合金的抗压强度得到明显提高, 达30MPa, 原因是此时多孔NiTi合金的骨架相对较致密, 进而抗压的能力较强。
2.3 保温时间对多孔合金组织和性能的影响
随着保温时间的延长, 产物中NiTi相的含量相应增加[12]。因而本工作选取在1050℃分别保温3, 4, 5, 6h。图6为造孔剂添加量为70%, 预成型压力为150MPa, 1050℃保温不同时间制备的多孔NiTi合金的微观形貌。可以看出, 保温3h时, 合金样品中大多孔隙比较细小, 少数较大孔隙的分布和尺寸也很不均匀。粉体结合不够紧密, 烧结进行得不够完全。保温5h时, 样品中大孔隙所占的比例要比保温3h时的大, 分布也更均匀。但与保温4h的相比, 粉末间结合更加紧实。保温6h样品的孔隙尺寸要大于3h和5h的, 但小于4h的。而且, 从形貌观察可以看出样品的液化现象比较明显, 出现明显液相流过的痕迹, 而且存在较大由于液相留过而形成平滑表面的区域。
(a) 3h; (b) 5h; (c) 6h (a) 3h; (b) 5h; (c) 6h
图7为保温时间对孔隙率变化的影响。随保温时间的延长, 孔隙率先增加后减少。其原因主要是, 随着保温时间的延长, 粉体颗粒间的结合越来越紧密, 从而使原有孔隙一部分减小或消失, 而另一部分增大, 但同时多孔合金的体积也相应地减小, 开始是界面能最小原理起主导作用, 所以孔隙率是增加的, 随着保温时间的进一步延长, 转变成体积的收缩起主导作用, 所以随着NiTi合金的体积明显减小, 孔隙率也在减小。
保温时间对多孔NiTi合金抗压强度的影响曲线如图8所示。随着保温时间的延长, 多孔合金的抗压强度逐渐增大。这是因为随着保温时间的延长, 液相的形成及流动填充了多孔NiTi合金骨架内一定数量的微孔, 使得多孔NiTi合金的骨架变得越来越致密, NiTi合金粉体间结合的也越来越好, 所以其抗压强度逐渐增加。
2.4 预成型压力对多孔合金组织和性能的影响
图9为造孔剂添加量为70%, 1050℃保温4h时, 预成型压力对多孔NiTi合金微观形貌的影响。从图中可以看出, 150MPa和205MPa压力下制备的多孔合金的孔隙分布均匀且孔径细小, 而较小的136MPa压力下制备的合金相对来说孔隙分布较为随机且不均匀, 明显可以看出有较大孔。高达272MPa时, 孔隙分布不均匀, 三维通孔数量很少, 粉体颗粒紧密接触, 孔壁紧实。所以在预成型压力过大或过小时烧结样品的孔隙分布不均, 连通性较差, 只有在恰当的压力下才能获得孔隙尺寸、分布、连通性俱佳的多孔材料。
图10为预成型压力对多孔NiTi合金孔隙率的影响。可见, 随着预成型压力的增加, 多孔NiTi合金的孔隙率逐渐减小。这是由于压力越大, NiTi合金粉末间的缝隙越小, 烧结体的致密骨架部分结合的越充分所引起的。
不同预成型压力下制备的多孔NiTi合金抗压强度变化曲线如图11所示。由图可以看出, 随着预成型压力的增加, 多孔NiTi合金的抗压强度基本是逐渐增加的。当预成型压力为137MPa时, 抗压性能最差, 这主要是由于压力过小, NiTi合金粉体间结合不好造成的。
综合前面的分析, 在添加70%造孔剂时, 预成型压力为150MPa, 1050℃保温5h条件下可以制备出理想的多孔NiTi合金。
3 结论
(1) 采用球磨后的NiTi合金粉末, 添加尿素为造孔剂, 利用粉末烧结法成功制备出高孔隙率、具有较好抗压性能的多孔NiTi合金。
(2) 随烧结温度升高多孔NiTi合金的平均孔隙尺寸增大, 孔隙分布趋于均匀, 抗压强度逐渐增加, 且1050℃烧结的多孔NiTi合金的抗压强度可达30MPa;随保温时间延长, 多孔NiTi合金的孔径减小, 液化现象明显, 抗压强度增加, 但保温时间过长, 孔隙率会降低, 预成型压力过大或过小时烧结样品的孔隙分布不均, 连通性较差, 只有在适当的压力下才能获得孔隙尺寸、分布、连通性俱佳的多孔材料。
(a) 137MPa; (b) 150MPa; (c) 205MPa; (d) 272MPa (a) 137MPa; (b) 150MPa; (c) 205MPa; (d) 272MPa
(3) 在添加70%造孔剂时, 预成型压力为150MPa, 1050℃保温5h条件下可以制备出理想的多孔NiTi合金。
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形状记忆合金丝 篇11
【关键词】 胸部损伤；多根多处的肋骨骨折；内固定术；记忆合金环抱器
文章编号：1004-7484（2013）-12-7210-01
多根多处肋骨骨折是最为常见的胸部外伤之一，其临床显著特点是患者疼痛明显，胸壁塌陷软化，出现胸壁反常呼吸运动，易出现肺不张、肺炎、呼吸功能不全等并发症，严重者可影响患者呼吸、循环功能。为消除胸壁浮动，减轻胸壁畸形，尽可能减少并发症风险并缓解患者痛苦，传统的治疗方法是采用胸壁外固定，连枷胸采用牵引外固定，但此手术方式疼痛持续时间长，患者恢复慢，并发症多，临床引用逐渐减少。近年来采用记忆合金环抱器内固定材料治疗多发性肋骨骨折已成为一种趋势，并越来越倾向于操作简单和微创化[1]。我院自2010年1月——2013年1月采用镍钛记忆合金环抱器治疗多发性肋骨骨折患者15例，取得了满意的疗效，报告如下。
1 资料与方法
1.1 一般资料 本组患者49例，经胸CT及胸片显示多根多发肋骨骨折，其中男29例，女20例；年龄18-63岁，平均年龄41岁。道路交通伤25例，高空坠落摔伤16，挤压伤7例。单侧多根肋骨骨折34例，双侧多根肋骨骨折15例。合并有颅脑损伤9例，腹腔脏器损伤15例，血气胸29例，肺挫伤37例，胸骨骨折5例，其他骨折14例。
1.2 手术方法 全组患者均选择全身麻醉后取健侧卧位，根据肋骨骨折的位置，选择不同的切口，以暴露好，胸内问题易于处理为准则，多段骨折暴露不充分者可同时做两处纵切口，或后外侧开胸切口。术中逐层切开胸壁组织，沿各肌肉走行方向暴露骨折端，保护肋间血管和肋间神经无损伤，尽量不切断或少切断肌纤维，充分暴露骨折端，去除骨折端软组织，手法解剖复位后用组织钳固定，根据肋弓曲度及较窄肋骨端宽度选择好合适环抱器后，将其置于0-4℃消毒冰生理盐水中，用撑开器将环抱器臂部缓慢撑开，充分暴露骨折端后置入环抱器，矫正骨折两端对称。检查抱合良好后，用40℃-45℃热生理盐水纱布湿敷，使环抱器快速闭合固定肋骨，活动肋骨两端以检验固定效果。术中如果单根多处骨折距离2处骨折较近而无法容纳2个环抱器时，可以先放一个小号环抱器，再用第2个较大环抱器抱合上一个小环抱器。一般只需固定3-4根肋骨即可起到支撑胸廓塌陷、消除反常呼吸的作用。因第1-3后肋骨折因有肩胛骨保护，对后肋的骨折只需到第4肋。靠近椎体的后肋骨骨折，因骨折常较稳定，且不易安置环抱器，多采用非手术治疗方法。
2 结 果
术后全组患者疼痛症状明显减轻，消除了胸壁浮动及反常呼吸，患者能自行排痰，呼吸功能明显改善。复查胸片、胸部CT，胸部畸形显著好转，无胸腔出血、肺不张、肺部感染等并发症。切口均一期愈合。术后3个月复查胸片或胸CT骨折线模糊或消失，骨折全部骨性愈合，无骨折移位，无肋间神经痛。内固定器材根据患者要求决定是否取出。
3 讨 论
肋骨骨折是胸部外伤中最常见的病例，好发部位为4-7肋。多根多处肋骨骨折后，患者胸部疼痛，不敢深呼吸、咳嗽、排痰等，致潮气量、功能潮气量和肺泡的顺应性大幅度降低，气体交换障碍，严重者可出现低氧血症。另外多根多处肋骨骨折后胸壁不稳定，浮动胸壁，连枷胸等致使反常呼吸、纵隔摆动使胸腔内压改变，严重影响回心血流量诱发肺水肿。特别是原有慢性肺部疾病的老年体弱患者，可引起严重肺部并发症[2]。其次，骨折处多不稳定，易损伤血管、肺组织，而致血胸、气胸或血气胸。多根多处肋骨骨折的治疗重点是消除浮动的胸壁，处理血气胸，防止肺不张[3]。记忆合金环抱型环抱器内固定术因具有操作简单、手术时间短、不易移位、术后无需取出等优点逐渐取代了传统手术。
记忆合金环抱器接骨板内固定有以下优点：①术后骨折对位整齐、稳定，能明显减轻患者疼痛，改善呼吸，尤其对原来慢性肺部疾病者，因术后能主动咳嗽排痰，利于肺复张，最大限度的降低了并发症；②合金环抱器利用环抱臂的握持力对骨折两端骨表面进行固定，维持骨折端的稳定，手术时骨髓腔不遭受破坏，且复位后有持续加压功能，骨折固定牢靠，术后2-3月骨折均能一期愈合；③镍钛记忆合金符合人体对置入材料的要求，生物安全性高，無排斥，可长期植入人体，手术后不需二次手术取出[4]。④能同时治疗胸部并发症和胸内脏器伤，降低了病死率；⑤缩短住院时间；⑥避免了胸部畸形愈合给患者造成心理上的伤害。
运用镍钛记忆合金环抱器行肋骨内固定治疗多处多根肋骨骨折，迅速稳定胸壁，有效避免了保守治疗存在的胸廓畸形及骨不连等后遗症，术后恢复快，疼痛减轻，利于肺复张，有效防治呼吸、循环并发症，明显缩短住院时间，并且是手术操作简单，技术容易掌握，是值得临床推广运用的一项实用技术。
参考文献
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[3] 杨春明.外科学原理与实践[M].北京：人民卫生出版社，2003：671-675.
形状记忆合金丝 篇12
SMA材料具有“智能”特性, 它既有传感功能 (感知和接收应力、应变、电、热等信号) , 又有驱动功能 (对激励产生响应) 。此外, 由于SMA具有源于热弹性马氏体相变的所谓形状记忆效应, 又可根据热、力、电各种物理参变量之间的关系对响应进行主、被动控制。另一方面, SMA还具有独特的超弹性 (伪弹性) 性质, 应力应变之间呈现出迟滞循环效应.利用该特性, 在一个加一卸载循环中, 可消耗和吸收结构的相当一部分能量, 实现结构振动的被动控制目的。
1 形状记忆合金的特性
1.1 形状记忆效应
SMA的形状记忆效应是指SMA具有记忆并回复至它在奥氏体状态下的形状的能力。例如, 开始时在较高温度下, SMA组织为奥氏体, 将SMA冷却至低温 (如室温) , SMA中奥氏体发生相变, 转变为马氏体, 如果在马氏体状态下拉伸SMA并留下较大的塑性变形, 那么将SMA加热至一定温度后, 马氏体就会转变为奥氏体, SMA将回复到它开始时的形状。这种形状的回复过程非常快.如果在SMA回复的过程中, 对SMA施加约束, 那么SMA将会产生很大的回复应力 (可达700 MPa) 。此种回复应力可用作结构控制时的驱动力, 也可以用来控制结构的刚度。
1.2 超弹性效应
在一定温度以上恒温拉伸奥氏体SMA, 在热与力的共同作用下, SMA除产生变形外, 还产生马氏体相变, 马氏体相变也会引起SMA变形, 其单轴拉伸应力应变曲线如图1所示。图1中, o点至a点为奥氏体弹性变形;a点到b点的变形由应力诱发的奥氏体向马氏体的相变而引起, b点时, 奥氏体向马氏体的相变已经全部完成;b点到c点的变形是马氏体的弹性变形, c点的应变可以达到8%;c点到d点为马氏体SMA因卸载引起的弹性回复;d点到e点是由于卸载造成的马氏体向奥氏体的相变引起的变形, e点处, 马氏体已全部相变为奥氏体;e点到o点为奥氏体SMA弹性回复。o点应变为零。在合适温度和应力下, 同一般金属相比, SMA的超弹性效应耗散了较多的能量。
利用SMA的超弹性效应可以制成耗能器, 将SMA耗能器中SMA加热到合适温度并加载到合适的应力水平, 当结构振动时, 耗能器可以较大程度地消耗结构振动能量, 从而达到有效抑制结构振动的目的。
2 形状记忆合金在结构振动控制中的应用
不论是处于超弹性阶段还是处于形状记忆效应下的形状记忆合金, 都具有高阻尼的特性, 在振动荷载作用下, 能吸收大量的振动能量。利用这种材料制成的耗能阻尼器安装在机械、建筑及桥梁结构上可以减轻各种因素所造成的振动反应, 实现工程结构的振动被动或主动控制。
2.1 被动控制
利用形状记忆合金的超弹性特性具有高阻尼且经较大变形后能恢复的特点, 可以制作成振动被动控制耗能阻尼器。目前, 以形状记忆合金丝绕制的拉压型阻尼器居多, 这是由于丝材在反复荷载作用下, 由应力诱发马氏体相变变化较均匀, 且相变过程中所产生的热量散失较快, 同时, 丝材力学性能的研究也较成熟。在以丝材为主要阻尼材料的阻尼器设计中, 通过改变绕丝数量和对丝材施加预应变来改变阻尼器的承载力和阻尼性能, 使阻尼器的各性能参数达到最佳, 以满足工程结构抗振的需要。运用超弹性形状记忆合金丝作为耗能器安装在框架结构上, 利用结构的层间相对变形使耗能器消耗能量, 并进行了实验研究, 结果表明:这种耗能器能很好地抑制结构的振动响应。运用形状记忆合金的板材和棒材所设计阻尼器的受力性能较为复杂一些, 这是由于SMA在弯、剪、扭共同作用下受有复杂的应力, 在加卸载过程中, SMA各截面上的相变状态随位置的变化有所不同。因此, 此类阻尼器设计的基础理论问题急需研究。而探讨SMA棒材阻尼器的减振效果, 有关专家也进行了尝试。
在被动控制阻尼器中, 最典型的就是CT阻尼器。它是利用超弹性形状记忆合金发生相变时的相变应力变化小、可恢复的相变应变较大的特性来设计的, 这种阻尼器提供了一个数值不变的库仑抵抗力, 且具刚度始终接近于零。只要环境温度T>Af (保证超弹性工作阶段) , 那么温度变化对阻尼器承载力的影响可以忽略。另外, 由于阻尼力的大小是不变的, 因此振动频率的影响也可不考虑。这两点使得CT阻尼器的性能大大地优于常规的粘弹性阻尼器。
工程中, 不仅可以利用SMA作为主要材料制作阻尼器, 还可以在传统阻尼器上复合SMA材料, 利用传统阻尼器材料和SMA材料各自的优点, 来设计性能更加优良的耗能阻尼器。在橡胶隔震垫上复合SMA棒, 从而形成复合橡胶隔振器, 并把它安装在桥梁上, 进行数值仿真计算, 同普通的橡胶隔震垫的减震性能相比, 复合SMA橡胶隔震器的减震性能不仅明显地优于普通橡胶隔震器, 而且还具有很好的可控性和自适应能力。
2.2 主动控制
由于SMA具有形状记忆效应及电阻特性, 工程中, 利用这些特性可以设计成各种主动控制器。
处于低温下的SMA, 受到大于相变应力的荷载作用后, 产生较大残余变形, 加热后, 残余变形消失, 若SMA受到约束, 则温度的升高将产生很高的回复力。利用这种特性所设计的主动控制器有SMA管接头、汽车用节温器、机器人手爪、记忆合金弹簧等。若将SMA复合到梁、板结构中, 利用SMA的形状记忆效应可实现对此类结构的主动控制。
SMA的弹性模量与材料中所含的马氏体的体积数有很大关系, 而温度的改变会引起马氏体体积数的变化, 因此, 随温度的变化, SMA的弹性模量会产生较大的变化, 一般来说, 处于完全奥氏体下的弹性模量是处于完全马氏体下的3倍以上。利用这种性质, 可实现结构中的振动主动控制。
利用SMA的电阻特性可以实现主动报警或控制, 利用记忆合金丝制成过热信号发生器。这种控制器是把SMA丝作为惠斯通电桥的一个电阻。当SMA丝感温后电阻率发生变化, 从而引起电桥失去平衡, 电流信号通过放大器被放大, 从而激活继电器产生动作。
由于SMA的电阻、变形是温度、应力等的函数。利用这一特性可感知复合材料结构中的内应力分布、裂缝产生及扩展等, 从而制成SMA增强复合材料, 实现结构的振动主动控制;利用SMA在马氏体逆相变时的弹性模量的突发性增加及产生的较大恢复力可主动控制振动, 抑制裂纹的扩展, 自动改变结构的外形。
从上面的分析可以看出, 对结构振动主动控制的思想主要是由于形状记忆合金所具有独特的形状记忆效应和其高温奥氏体相和低温马氏体相之间的弹性模量差异较大, 通过合理调节温度来调整复合SMA结构的刚度或控制力, 来控制结构的振动。但是, 在土木工程中, 由于结构的振动主要是地震和风荷载所引起的, 要真正实现对结构风振和地震反应的主动控制, 通过调节温度来实现SMA力学参数的调整是困难的, 必须采用新的措施来实现。
3 工程实例