高曉軻，安旭龍，孫文文

(1.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211189)

(2.常州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

1 前 言

形狀記憶效應(yīng)(shape memory effect，SME)是指在外界條件(如熱、光、電磁、化學(xué)感應(yīng)等)的刺激下，材料恢復(fù)到初始形狀的現(xiàn)象。形狀記憶效應(yīng)最早由瑞典物理學(xué)家Arne ?lander[1]于1932年在Au-Cd合金中發(fā)現(xiàn)，直到1963年美國(guó)海軍武器實(shí)驗(yàn)室Buehler等在等原子比Ni-Ti合金中發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)并將該合金成功應(yīng)用后，形狀記憶效應(yīng)才得到重視。20世紀(jì)80年代，形狀記憶陶瓷和形狀記憶高分子相繼被研究報(bào)道。1996年，Ullakko等[2]首次報(bào)道在Ni-Mn-Ga合金中發(fā)現(xiàn)磁致應(yīng)變效應(yīng)。至今，作為應(yīng)用領(lǐng)域最廣、最常見(jiàn)的形狀記憶材料，形狀記憶合金(shape memory alloy，SMA)近些年來(lái)的研究熱點(diǎn)包括高溫形狀記憶合金、寬滯后形狀記憶合金以及形狀記憶合金薄膜等。。

形狀記憶合金除了具備形狀記憶效應(yīng)，還具有超彈性，超彈性允許材料加載過(guò)程中產(chǎn)生的較大應(yīng)變隨著卸載而恢復(fù)，形狀記憶效應(yīng)和超彈性均與馬氏體相變有關(guān)。馬氏體相變屬于一級(jí)相變，相變時(shí)需要克服兩相之間的界面阻力與界面摩擦力，需要過(guò)冷度或應(yīng)力場(chǎng)作為相變驅(qū)動(dòng)力。低溫下的馬氏體經(jīng)加熱可恢復(fù)母相，稱(chēng)為馬氏體逆相變。馬氏體相變溫度與逆相變溫度通常不相等，這一現(xiàn)象稱(chēng)為熱滯后，熱滯后較小的馬氏體(熱彈性馬氏體)晶格結(jié)構(gòu)與晶體學(xué)位向可以完全恢復(fù)，熱彈性馬氏體材料經(jīng)冷卻-變形-加熱后會(huì)恢復(fù)初始形狀(如圖1所示)，基于這種特效，可制備特殊用途的形狀記憶合金。

圖1 馬氏體相變?cè)鞦ig.1 Principle of martensitic transformation

隨著形狀記憶合金技術(shù)的發(fā)展及成本的下降、產(chǎn)業(yè)政策的推動(dòng)和消費(fèi)者接受度的不斷提高，形狀記憶合金逐漸走入人們的日常生活，除汽車(chē)、機(jī)器人、家用電器、醫(yī)療器械等產(chǎn)品外，部分生活中的小物品也用到了形狀記憶合金。隨著科技的發(fā)展，形狀記憶合金的種類(lèi)不斷擴(kuò)展，新型形狀記憶合金不斷涌現(xiàn)。明確形狀記憶合金的發(fā)展現(xiàn)狀和最新的研究成果，了解形狀記憶合金的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)新型形狀記憶合金的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用有重要的指導(dǎo)意義。

本文全面總結(jié)形狀記憶合金的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)現(xiàn)有形狀記憶合金的種類(lèi)和制備方法，重點(diǎn)介紹新型形狀記憶合金——高熵形狀記憶合金的最新研究成果，并系統(tǒng)性介紹形狀記憶合金的相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域。此外，總結(jié)和展望形狀記憶合金的設(shè)計(jì)及應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)。

2 形狀記憶合金

2.1 形狀記憶合金種類(lèi)

形狀記憶合金的分類(lèi)方式較多，主要的分類(lèi)依據(jù)有：功能屬性、材料成分及記憶效應(yīng)。

2.1.1 按功能屬性分類(lèi)

經(jīng)過(guò)90多年的發(fā)展，形狀記憶合金已經(jīng)發(fā)展為普通SMA、高溫SMA、磁性SMA和復(fù)合SMA等。形狀記憶合金近50年的發(fā)展歷史如圖2所示。

圖2 形狀記憶合金近50年的發(fā)展歷史Fig.2 Development history of shape memory alloys(SMA) in recent 50 years

(1)普通SMA主要包括Ni-Ti基、Cu基、Fe基、Ag基、Au基、Co基SMA等，其中Ni-Ti基SMA的綜合性能較好，具有優(yōu)異的形狀記憶效應(yīng)、良好的耐熱性、耐腐蝕性及高的強(qiáng)度，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械、電子、能源及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

(2)高溫SMA一般指馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度(Ms)高于100 ℃的形狀記憶合金，常見(jiàn)的合金系為Ni-Ti-X(X=Pd，Pt，Au)與Ni-Ti-Y(Y=Zr，Hf)。部分NiTi基高溫SMA的熱學(xué)性能如表1所示[3-11]。

表1 部分Ni-Ti基高溫形狀記憶合金性能

其中，Ni-Ti-X系合金中的貴金屬元素價(jià)格昂貴，難以大范圍推廣；Ni-Ti-Y系合金則會(huì)形成(Ti，Zr)2Ni等Laves相，合金脆性增大，難以加工成型。Firstov等[12]的研究認(rèn)為，Zr元素對(duì)氧的強(qiáng)親和力會(huì)使Ni-Ti-Zr系合金在高溫下氧化加劇，從而難以進(jìn)行高溫軋制，并認(rèn)為Ni-Ti-Hf系合金是應(yīng)用前景較大的高溫SMA。相關(guān)文獻(xiàn)[13，14]報(bào)道Hf元素可以有效抑制Ni3Ti和Ni3Ti2相的形成，而Nb元素可以改善Ni-Ti合金中析出相的形貌。近些年由鈦與難熔金屬構(gòu)成的新型高溫SMA因其優(yōu)異的高溫形狀記憶效應(yīng)而受到關(guān)注[15，16]。

(3)磁性SMA又稱(chēng)磁致SMA，是指具有熱彈性馬氏體相變的磁性合金，磁性SMA的形狀記憶效應(yīng)不僅受溫度驅(qū)動(dòng)，還受到磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)。磁致應(yīng)變有2種機(jī)制，即磁場(chǎng)誘發(fā)鐵磁性馬氏體孿晶再取向和磁場(chǎng)誘發(fā)馬氏體相變，其中前者所需外場(chǎng)小，應(yīng)變較大，但穩(wěn)定性較差，而后者的輸出應(yīng)力大，是目前磁致SMA的研究熱點(diǎn)。在磁致SMA中，馬氏體相變過(guò)程中往往伴隨磁性強(qiáng)弱和磁性類(lèi)型的改變，Jiang等研究發(fā)現(xiàn)[17]，成分的變化對(duì)馬氏體相變溫度有顯著的影響，對(duì)居里溫度的影響程度較小。而Aydogdu等[18]的研究表明，B元素會(huì)顯著影響SMA的居里溫度。目前磁致SMA以Ni基、Fe基和Co基合金為主，典型磁致SMA體系包括Ni-Mn、Ni-Co、Ni-Fe、Fe-Pd、Fe-Mn等。

(4)復(fù)合SMA是以金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料等作為基體，形狀記憶合金作為增強(qiáng)體，通過(guò)多種方法將基體和增強(qiáng)體結(jié)合后形成的兩相或多相的材料系統(tǒng)。這種復(fù)合材料不僅表現(xiàn)出基體材料的大部分性能，還兼具一定的形狀記憶功能特性，作為一種新型形狀記憶合金，因其制備難度較大，成本較高，目前尚未有應(yīng)用的案例。

2.1.2 按材料成分分類(lèi)

形狀記憶合金按照成分分類(lèi)主要包括：Ni-Ti基SMA、Fe基SMA、Cu基SMA和其他SMA。目前，我國(guó)已頒布的形狀記憶合金國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、軍用標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)共14項(xiàng)，均集中在鎳鈦形狀記憶合金，如表2所示。

(1)Ni-Ti基形狀記憶合金 Ni-Ti合金是目前研究最成熟、應(yīng)用最廣泛的形狀記憶合金體系之一，其優(yōu)良的形狀記憶效應(yīng)已廣泛應(yīng)用于航天、軍事、生物醫(yī)療等尖端科技領(lǐng)域。NiTi相圖中NiTi單相區(qū)附近的溶解度曲線(xiàn)異常陡峭，為使NiTi合金具有較好的形狀記憶效應(yīng)，Ni與Ti的原子比應(yīng)為1∶1。與其他SMA相比，Ni-Ti合金包容性較強(qiáng)，Ni原子與Ti原子均可被同族或鄰族的原子置換，例如向Ni-Ti合金中加入Cu，Co，Zr，Hf元素可以形成(NiCuCo)50(TiZrHf)50的等原子比合金體系。

(2)Fe基形狀記憶合金 Fe-Mn-Si合金是Fe基形狀記憶合金的典型代表。Fe-Mn-Si記憶合金具有成本低、力學(xué)性能好、切削性能好等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種加工零件、管接頭、器械安裝等工程應(yīng)用，然而Fe-Mn-Si基記憶合金的形狀記憶效應(yīng)較差，形狀恢復(fù)率隨預(yù)變形量增大而減小，室溫下形狀恢復(fù)率僅為2%～3%，在室溫工作時(shí)還易發(fā)生回復(fù)力松弛。熱處理、熱-機(jī)械處理和調(diào)控析出相等手段均能一定程度上提高Fe-Mn-Si記憶合金形狀恢復(fù)率，此外，鑒于此類(lèi)形狀記憶合金差的耐蝕性能，通常采用添加Cr元素的方法提高Fe-Mn-Si合金的耐蝕性。

(3)Cu基形狀記憶合金 Cu基形狀記憶合金中研究最多的合金體系為Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni，這2種合金各有優(yōu)缺點(diǎn)。Cu-Zn-Al合金的加工性能較好，在馬氏體狀態(tài)時(shí)效時(shí)會(huì)出現(xiàn)馬氏體穩(wěn)定化現(xiàn)象；Cu-Al-Ni合金的相變溫度最高可達(dá)200 ℃，可用于制備高溫下服役的零部件，然而該合金機(jī)加工性能較差，需要添加其他合金元素進(jìn)行改善。相較于其他SMA，Cu基SMA具有導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、相變溫度范圍寬和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在強(qiáng)度與塑性較小、服役壽命短等不足。

(4)其他基形狀記憶合金 除Ni-Ti基、Fe基和Cu基形狀記憶合金，Co基、Ti-Nb基和Ni-Mn基等合金中也存在形狀記憶效應(yīng)，但這類(lèi)合金存在力學(xué)性能不足、記憶功能不穩(wěn)定等問(wèn)題，應(yīng)用前景受限。

2.1.3 按形狀記憶效應(yīng)分類(lèi)

形狀記憶合金經(jīng)低溫變形-升溫-形狀恢復(fù)后，根據(jù)再次降溫后的形狀變化行為可分為單程、雙程和全程形狀記憶合金。單程形狀記憶合金再次降溫后保持高溫母相形狀，雙程形狀記憶合金可通過(guò)熱循環(huán)在母相形狀與馬氏體形狀間來(lái)回發(fā)生轉(zhuǎn)變，全程形狀記憶合金再次降溫后形狀與母相形狀相反，如圖3所示。

需要注意的是，雙程形狀記憶效應(yīng)并不是形狀記憶合金的固有能力，必須經(jīng)過(guò)一定的“訓(xùn)練”處理，常見(jiàn)的“訓(xùn)練”方法有熱-力循環(huán)、約束時(shí)效處理和塑性變形等。研究表明[19]，工藝參數(shù)的選擇會(huì)顯著影響雙程形狀記憶效應(yīng)，如時(shí)效溫度不足會(huì)影響第二相的析出，從而無(wú)法建立特定取向的應(yīng)力場(chǎng)，使“訓(xùn)練”失敗。

2.2 形狀記憶合金的制備與成型方法

2.2.1 熔鑄法

熔鑄法作為工業(yè)上生產(chǎn)大型鑄錠的常用手段之一，具有熔煉速度快、操作工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此也是制備形狀記憶合金的一種最常用的方法。熔鑄法制備形狀記憶合金的難點(diǎn)在于高溫下合金熔體與耐火材料之間的界面反應(yīng)。Ti元素高溫下化學(xué)活性極高，易與氧氣及坩堝材料反應(yīng)，常見(jiàn)的石墨坩堝、CaO坩堝、Al2O3坩堝僅可用于生產(chǎn)少量NiTi合金。Druker等[20]通過(guò)熱軋制備了Fe-15Mn-5Si-9Cr-5Ni SMA并進(jìn)行退火處理，研究結(jié)果表明，800 ℃退火可使合金的形狀恢復(fù)率和永久變形率分別提高到83%和3.6%，而650 ℃退火的合金則具有最好的成形性和焊接性。Ehara等[21]的研究采用“軋制+退火”工藝方法提高Fe-Mn-Si SMA形狀恢復(fù)率，并總結(jié)了回復(fù)率提高的主要原因：一是加工硬化使屈服點(diǎn)上升從而允許更多的彈性變形；二是部分馬氏體相在卸載過(guò)程中發(fā)生逆相變，釋放部分變形量。Tasaki等[22]用熔鑄法制備了Fe-Mn-Si SMA，并利用背散射電子衍射(electron backscattered diffraction，EBSD)技術(shù)研究了Fe-Mn-Si SMA在塑性變形過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)的變化，表明該材料在Ms溫度附近變形，馬氏體板條交界處會(huì)形成孿晶馬氏體，而在應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變最高溫度(Md)附近變形則會(huì)在ε-馬氏體變體的交界處形成孿晶馬氏體和90°-rotatedγ-奧氏體。

此外，“熔鑄+甩帶法”是制備形狀記憶合金薄帶的常用辦法之一，大量研究表明，影響薄帶質(zhì)量的因素主要包括熔體流動(dòng)性、輥輪旋轉(zhuǎn)速度、熔煉爐石英管與輥輪表面距離、噴射氣體壓力大小等。Lu等[23]利用“熔煉+甩帶法”制備N(xiāo)i56Mn21Cu4Ga19高溫形狀記憶合金薄帶并進(jìn)行退火處理，結(jié)果表明700 ℃退火會(huì)抑制組織中γ相的形成，差示掃描量熱儀(differential scanning calorimeter，DSC)結(jié)果顯示經(jīng)700 ℃/5 h退火后的材料在多次熱循環(huán)中，轉(zhuǎn)化峰幾乎保持不變，表現(xiàn)出良好的熱循環(huán)穩(wěn)定性。

2.2.2 機(jī)械合金化與粉末冶金

機(jī)械合金化是一種常用的粉末生產(chǎn)技術(shù)，粉末冶金是一種將金屬粉末加壓燒結(jié)的材料成型技術(shù)。與鑄造和熔煉相比，粉末冶金技術(shù)可以精準(zhǔn)控制合金的化學(xué)成分，成型后的組織更加精細(xì)，并且可用于生產(chǎn)多孔結(jié)構(gòu)，是目前生產(chǎn)醫(yī)用多孔NiTi形狀記憶合金的最主要的手段之一。Saito等[24]通過(guò)機(jī)械合金化與燒結(jié)技術(shù)制備具有形狀記憶效應(yīng)的Fe-30Mn-6Si合金，屈服強(qiáng)度約為500 MPa，高于傳統(tǒng)鑄造制備的Fe-Mn-Si合金，并證明機(jī)械合金化是促進(jìn)Mn和Si原子擴(kuò)散，形成γ相，實(shí)現(xiàn)馬氏體逆相變的關(guān)鍵過(guò)程。Arslan研究組[25]研究了球磨過(guò)程中影響形狀記憶效應(yīng)的主要因素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)球磨時(shí)間是影響Fe-Mn-Si SMA形狀記憶效應(yīng)最大的因素，當(dāng)球磨時(shí)間超過(guò)20 h后，F(xiàn)e-Mn-Si粉末尺寸迅速減小同時(shí)晶格由FCC轉(zhuǎn)為HCP。機(jī)械合金化與粉末冶金在理論上可生產(chǎn)晶粒細(xì)小的高強(qiáng)度Fe-Mn-Si SMA，然而Xu等研究表明[26]粉末冶金制備的合金拉伸強(qiáng)度往往非常低，這與燒結(jié)樣品的致密度、孔隙大小及孔隙分布有關(guān)。向粉末中添加粘結(jié)劑可有效提高燒結(jié)致密度，Pricop等[27]向Fe-18Mn-3Si-7Cr-4Ni合金粉末中加入硬脂酸鋅粘合劑，燒結(jié)樣品的斷裂應(yīng)力與斷裂應(yīng)變均得到明顯提升。

2.2.3 激光增材制造

激光增材制造技術(shù)又稱(chēng)3D打印技術(shù)，是一種基于離散-堆積原理、利用激光束熔融粉末的材料快速成型技術(shù)，適用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高精度一體化成形，是21世紀(jì)最具發(fā)展優(yōu)勢(shì)和潛力的材料制備和加工技術(shù)之一。其中，選區(qū)激光熔化技術(shù)(selective laser melting，SLM)已在制備形狀記憶合金方面展現(xiàn)巨大的潛力。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)激光增材制備形狀記憶合金的研究主要集中在工藝優(yōu)化探索和組織演變規(guī)律等方面。Zhang等[28]通過(guò)SLM制備馬氏體相變溫度接近室溫的NiTi形狀記憶合金，當(dāng)掃描速度較低時(shí)合金為精細(xì)致密的NiTi馬氏體相，提高掃描速度則會(huì)在馬氏體基質(zhì)中析出NiTi2相。Lu等[29]利用SLM制備了具有超細(xì)晶粒組織和超高形狀記憶效應(yīng)的Ni49.4Ti50.6SMA，合金的相變溫度隨激光能量密度的降低而降低，經(jīng)10次加-卸載循環(huán)后形狀恢復(fù)率達(dá)到了98.7%，優(yōu)于傳統(tǒng)制造的NiTi合金。姜沐池等[30]研究了激光掃描速度對(duì)TiNi形狀記憶合金組織及性能的影響，結(jié)果表明，隨著激光掃描速度的增加，合金的相變溫度先降低后升高，當(dāng)掃描速度為900 mm/s時(shí)，合金的缺陷最少，性能最佳，抗壓強(qiáng)度和壓縮應(yīng)變分別為為3120 MPa和41%。

目前關(guān)于增材制造Fe-Mn-Si SMA的研究文獻(xiàn)報(bào)道較少，雖有部分學(xué)者通過(guò)激光增材技術(shù)制備出具有較大回復(fù)應(yīng)變的Fe-Mn-Si合金，但都未能解決材料形狀回復(fù)率隨預(yù)變形量增大而減小的問(wèn)題。相關(guān)研究表明[31]，F(xiàn)e-Mn-Si系形狀記憶合金的回復(fù)應(yīng)力受析出相與織構(gòu)的影響較大，與晶粒大小無(wú)顯著關(guān)系，這或許可以解釋為何激光快速凝固技術(shù)無(wú)法顯著改善Fe-Mn-Si SMA的形狀記憶能力。

強(qiáng)政策 增投入 重管理 農(nóng)村水利發(fā)展再上新臺(tái)階——訪(fǎng)水利部農(nóng)村水利司司長(zhǎng)王愛(ài)國(guó) ………………… （24.43）

3 高熵形狀記憶合金

近年來(lái)，高熵合金(亦稱(chēng)多主元合金)因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)性能，成為材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?；诟哽睾辖鸬脑O(shè)計(jì)理念，高熵形狀記憶合金(high entropy shape memory alloys，HE-SMA)的研究也逐漸展開(kāi)，下面主要就高熵形狀記憶合金及相關(guān)的最新研究成果展開(kāi)介紹。

3.1 高熵形狀記憶合金的研究進(jìn)展

1994年葉均蔚提出將5種以上金屬元素以近等摩爾比熔煉在一起的高熵合金設(shè)計(jì)理念，也有學(xué)著認(rèn)為熵值在1.5R以上即可稱(chēng)為高熵合金(其中R為氣體常數(shù)，其值為8.314 J/(mol·K))，高熵合金中每種元素的原子占比在5%～35%之間，晶體結(jié)構(gòu)通常為簡(jiǎn)單的固溶體結(jié)構(gòu)。Guo等[32]提出價(jià)電子濃度(VEC)判據(jù)用以預(yù)測(cè)高熵合金晶體結(jié)構(gòu)。

圖4為高熵合金相穩(wěn)定性與VEC的關(guān)系，當(dāng)VEC<6.7時(shí)高熵合金傾向于形成FCC，當(dāng)VEC>8.0時(shí)則傾向形成BCC，當(dāng)VEC處于6.7～8.0則易形成FCC+BCC的雙相組織。

圖4 高熵合金晶體結(jié)構(gòu)與價(jià)電子濃度(VEC)的關(guān)系[32]Fig.4 Relationship between HEA phase stability and VEC[32]

高熵合金具有四大效應(yīng)：高熵效應(yīng)、晶格嚴(yán)重畸變效應(yīng)、延遲擴(kuò)散效應(yīng)和雞尾酒效應(yīng)。高熵合金的緩慢擴(kuò)散效應(yīng)可有效抑制原子在高溫時(shí)的擴(kuò)散，但并不會(huì)影響非擴(kuò)散型的馬氏體相變，因此可將高熵合金的設(shè)計(jì)理念運(yùn)用于設(shè)計(jì)新型高溫形狀記憶合金。

2015年，F(xiàn)irstov等[33-35]基于等原子比NiTi形狀記憶合金設(shè)計(jì)了A50B50的等原子比高熵形狀記憶合金體系，如圖5所示，其中A原子為T(mén)i，Zr，Hf，Nb，Ta，B原子為Ni，Co，Cu，Ru，Rh，Pd，Ir，Pt，Au。Firstov等[34]利用電弧熔煉技術(shù)制備(TiZrHf)50(NiCoCu)50高熵形狀記憶合金，在合金中觀察到B2奧氏體+B19’型的組織結(jié)構(gòu)并證明該結(jié)構(gòu)為馬氏體轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。Li等[36]設(shè)計(jì)了一種新型Ti20Hf15Zr15Cu25Ni25高熵形狀記憶合金，在其組織中可觀察到典型的樹(shù)突結(jié)構(gòu)，經(jīng)檢測(cè)確認(rèn)元素分布不均勻，明亮的樹(shù)突狀區(qū)域富含Hf和Ni，暗的樹(shù)突狀間區(qū)域富含Ti，Zr和Cu，如圖6所示。該合金在285 ℃條件下表現(xiàn)出4.0%的可恢復(fù)應(yīng)變，且屈服強(qiáng)度高于1.65 GPa。Yoko[37]總結(jié)了TiPd基和TiPt基三元合金和多主元合金的高溫形狀記憶特性，發(fā)現(xiàn)多主元合金的不可恢復(fù)應(yīng)變一般小于三元合金，將其原因歸結(jié)于多主元合金中發(fā)現(xiàn)的額外固溶強(qiáng)化效應(yīng)。

圖5 構(gòu)成A50B50高熵形狀記憶合金的元素在元素周期表中的位置[33]Fig.5 Positions of chemical elements for constituting A50B50 high entropy SMA (HE-SMA) in the periodic table of elements[33]

圖6 Ti20Hf15Zr15Cu25Ni25高熵形狀記憶合金組織在垂直凝固方向(a)與平行凝固方向(b)的背散射電子照片及EDS圖譜(c)[36]Fig.6 Backscattered electron images taken in the planes perpendicular to (a) and parallel to (b) the solidification direction；EDS maps of the elements (c)[36]

在等原子比NiTi合金中，成分的微小偏差會(huì)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和相轉(zhuǎn)變產(chǎn)生巨大影響，在高熵形狀記憶合金中更是如此。Piorunek等[38]熔煉了不同成分的非等原子比(NiCuPd)50-x(TiZrHf)50+x系高熵形狀記憶合金，研究了當(dāng)NiTi基高熵形狀記憶合金的成分偏離等原子比時(shí)，合金形狀記憶效應(yīng)和相變溫度的變化規(guī)律，結(jié)果表明非等原子比高熵合金中會(huì)析出大量Ti2Ni、Zr/Hf第二相，第二相的析出降低馬氏體相變所需的過(guò)冷度，進(jìn)而使合金相變溫度顯著提高。Piorunek等[38]基于此制備出一種兼具高相變溫度和寬熱滯范圍的(NiCuPd)40(TiZrHf)60高熵形狀記憶合金。Matsuda等[39]探究了多組分合金化對(duì)TiPd基合金高溫形狀記憶效應(yīng)的影響，將合金較大的熱滯范圍原因歸結(jié)為嚴(yán)重的晶格畸變限制了馬氏體板條集體生長(zhǎng)。Lee等[40]利用TCHEA3數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算合金成分對(duì)FCC-HCP兩相自由能之差ΔGHCP-FCC的影響，通過(guò)電弧熔煉制備N(xiāo)i原子比例分別為5%、10%和15%的3種非等原子比(CrMnFe)60(Co40-xNix)高熵合金，并研究合金中的可逆馬氏體相變行為，發(fā)現(xiàn)合金形狀記憶轉(zhuǎn)變的可調(diào)控溫度范圍為162～425 ℃，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的形狀記憶合金。

3.2 高熵形狀記憶合金性能的影響因素

3.2.1 合金成分

高熵合金的雞尾酒效應(yīng)決定了合金元素的加入會(huì)顯著改變材料的性能。Chang等[41]在Firstov的基礎(chǔ)上制備了多種不同Cu含量的(CuNi)50(HfTiZr)50高熵形狀記憶合金，結(jié)果表明Cu的加入會(huì)使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度發(fā)生急劇下降，但同時(shí)會(huì)減小熱循環(huán)后的不可恢復(fù)應(yīng)變。與不含Cu的樣品對(duì)比，Cu含量25%時(shí)合金的Ms溫度下降近400 ℃，不可恢復(fù)應(yīng)變由0.73%降低至0.03%。李斌強(qiáng)等[42]總結(jié)了(TiZrHf)50(NiCoCu)50系高熵形狀記憶合金與(TiZrHf)50(NiCu)50系高熵合金的晶格參數(shù)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)含Co的高熵形狀記憶合金中BCC結(jié)構(gòu)的B2奧氏體相晶格發(fā)生輕微收縮，而B(niǎo)19′馬氏體相晶體學(xué)參數(shù)變化不大。Chang等[43]降低(TiHfZr)50(NiCu)50合金中Hf與Zr的含量，使得Cu15Ni35Ti25Hf12.5Zr12.5合金的斷裂強(qiáng)度和延伸率分別提高至1670 MPa和24.7%，合金經(jīng)10次熱循環(huán)后僅有0.14%的不可回復(fù)應(yīng)變，并且在拉伸過(guò)程中觀察到不同于傳統(tǒng)合金的“雙屈服”現(xiàn)象。Hashimoto等[44]調(diào)節(jié)Al含量使(TiZrHf)90-xNb5Ta5Alx高熵合金實(shí)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)和超彈性，并且深入探究Al含量對(duì)合金功能特性的影響，當(dāng)添加3% Al時(shí)，合金表現(xiàn)出良好的形狀記憶效應(yīng)，Al含量介于7%～9%時(shí)合金表現(xiàn)出較好的超彈性，當(dāng)Al含量超過(guò)10%時(shí)材料喪失形狀記憶效應(yīng)和超彈性，Hashimoto等分析認(rèn)為這與Al元素降低馬氏體相變溫度有關(guān)。

3.2.2 熱機(jī)械處理工藝

目前高熵形狀記憶合金多由真空電弧熔煉制備，鑄態(tài)組織存在縮孔、縮松、成分偏析等問(wèn)題，比如Firstov等[35]通過(guò)熔鑄法制備的(TiZrHf)50Ni25Co10Cu15高熵合金可恢復(fù)應(yīng)變不足2%，因此有必要研究熱-機(jī)械處理對(duì)高熵形狀記憶合金性能的影響。

Chen等[45，46]對(duì)(TiZrHf)50Ni25Co10Cu15高熵形狀記憶合金進(jìn)行了1000 ℃/2 h的熱處理，并對(duì)材料進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示，處理后的高熵形狀記憶合金在650 MPa下表現(xiàn)出4.8%的可恢復(fù)應(yīng)變，高于鑄態(tài)組織的1.63%。Chen等[45，46]認(rèn)為固溶處理使組織中的部分Ti2Ni相溶解，基質(zhì)中Ti和Ni含量增加使合金的屈服點(diǎn)提高，轉(zhuǎn)變溫度范圍也得以加寬，此外，固溶處理會(huì)誘導(dǎo)高熵效應(yīng)使晶格畸變程度提高，合金強(qiáng)度提高從而允許更多彈性變形。Yaacoub等[47]對(duì)(TiZrHf)50Ni25Co10Cu15進(jìn)行固溶與時(shí)效的熱處理，處理后對(duì)材料進(jìn)行壓縮測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。經(jīng)時(shí)效處理后的樣品在-75 ℃下表現(xiàn)出形狀記憶效應(yīng)，在室溫下表現(xiàn)出可完全恢復(fù)的超彈性，這與孿晶馬氏體的去孿晶化有關(guān)。特別值得注意的是，經(jīng)1050 ℃/2 h+450 ℃/90 min處理后的樣品在室溫變形下表現(xiàn)出5.0%的局部超彈性。Yamabe-Mitarai等[48]對(duì)Ti-Pd-Zr-Ni與Ti-Pd-Zr-Co這2種高熵形狀記憶合金進(jìn)行熱循環(huán)訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)Ti45Zr5Pd40Ni10經(jīng)300 MPa熱循環(huán)訓(xùn)練后，可恢復(fù)應(yīng)變提高至3.6%，Ti45Zr5Pd40Co10經(jīng)700 MPa熱循環(huán)訓(xùn)練后，表現(xiàn)出完全的形狀恢復(fù)率。同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨熱循環(huán)訓(xùn)練次數(shù)的增加，材料的熱滯范圍縮小。

圖7 經(jīng)1000 ℃/2 h固溶處理后(TiZrHf)50Ni25Co10Cu15高熵形狀記憶合金在三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)中不同應(yīng)力作用下的形狀記憶效應(yīng)[45]Fig.7 Shape memory effect of (TiZrHf)50Ni25Co10Cu15 HE-SMA after 1000 ℃/2 h solution treatment under different flexural stresses applied in a three-point bending test[45]

圖8 時(shí)效前后(TiZrHf)50Ni25Co10Cu15在25 ℃ (a)、100 ℃ (b)和-75 ℃(c)下的壓縮應(yīng)力應(yīng)變行為；25 ℃壓縮后的TEM照片與衍射圖譜(d)[47]Fig.8 Compressive stress strain behavior of (TiZrHf)50Ni25Co10Cu15 in unaged and aged conditions at 25 ℃ (a)，100 ℃ (b) and -75 ℃ (c)；TEM image and corresponding diffraction patterns after compressive testing at 25 ℃ (d)[47]

3.2.3 相組成

根據(jù)吉布斯自由能定理，合金中任何其他有序相的形成都會(huì)降低合金的總熵，因此預(yù)計(jì)高熵合金中不會(huì)形成除單一固溶相外的其他金屬間相。上述Chen等[46]的研究中，在高熵形狀記憶合金中觀察到碳化物析出，該析出相被視作熔煉過(guò)程中引入雜質(zhì)元素的結(jié)果，并被認(rèn)為可能有損形狀記憶效應(yīng)。然而最近的一些工作認(rèn)為高熵合金中可以存在第二相，并且第二相會(huì)對(duì)高熵合金產(chǎn)生諸多有利影響。

Li等[49]基于降低相穩(wěn)定性提出亞穩(wěn)態(tài)工程，并成功制備出FCC+HCP亞穩(wěn)態(tài)雙相的(FeMn)80Co10Cr10高熵合金體系，F(xiàn)CC相與HCP相成分上不存在明顯差異，在變形過(guò)程中兩相呈現(xiàn)協(xié)同作用，克服了傳統(tǒng)合金中的異質(zhì)界面問(wèn)題與強(qiáng)塑性矛盾。Yang等[50]向FeCoNi基合金體系中引入高密度納米尺寸共格金屬間化合物作為第二相，得到屈服強(qiáng)度1.5 GPa且兼具高塑性(50%)的FeCoNiAlTi高熵合金。Hinte等[51]在TiZrHfCoNiCu高熵形狀記憶合金中觀察到一種異常的納米析出相，該析出相在晶粒中的析出取向規(guī)律與濃度梯度無(wú)關(guān)，而受到成分均勻和機(jī)械應(yīng)力的影響，Hinte等基于此提出了對(duì)目前高熵合金是均勻單相固溶體認(rèn)知的質(zhì)疑。Chang等[41]研究結(jié)果表明，奧氏體穩(wěn)定元素Cu的少量加入會(huì)促進(jìn)(HfTiZr)50Ni50-xCux合金由單一的B19′相轉(zhuǎn)為B19′+B2雙相結(jié)構(gòu)。高熵合金已被證實(shí)可以生成第二相，并且第二相會(huì)對(duì)高熵合金的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響，但目前尚未見(jiàn)到有關(guān)第二相對(duì)高熵形狀記憶合金功能特性影響的深入研究報(bào)道，這或許是高熵形狀記憶合金未來(lái)的研究方向之一。

4 形狀記憶合金的應(yīng)用

4.1 航空航天領(lǐng)域

作為一種性能優(yōu)異的智能材料，形狀記憶合金在研發(fā)之初就表現(xiàn)出在航空航天領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。

管接頭是形狀記憶合金最成功的應(yīng)用之一，早在1969年，美國(guó)便將形狀記憶合金管接頭應(yīng)用于F14戰(zhàn)斗機(jī)。形狀記憶合金管接頭原理如圖9所示，在母相狀態(tài)下將管接頭內(nèi)徑尺寸加工為略小于管道外徑，在低于相變溫度時(shí)強(qiáng)制擴(kuò)徑，裝配完成后升溫，利用形狀記憶效應(yīng)使管接頭內(nèi)徑收縮，實(shí)現(xiàn)緊密連接。據(jù)報(bào)道，自1969年以來(lái)應(yīng)用于美國(guó)各型號(hào)飛機(jī)的150多萬(wàn)個(gè)SMA管接頭至今無(wú)一失效。

圖9 形狀記憶合金管接頭工作原理：(a)內(nèi)徑小于管外徑的管接頭，(b)低溫?cái)U(kuò)徑，(c)裝配，(d)升溫縮徑Fig.9 The principle of SMA pipe joint：(a) pipe joint thinner than the outer diameter of the pipe，(b) enlarge radius at low temperature，(c) assembly，(d) radius reduces when heating

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的噴氣氣流會(huì)產(chǎn)生極大的噪音，研究表明將渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴邊緣做成鋸齒狀可以有效降低噪音水平，但同時(shí)也會(huì)影響渦輪機(jī)的工作效率。利用可變形的SMA制作渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴，在飛機(jī)起飛時(shí)鋸齒伸出以降低噪音，在飛行過(guò)程中鋸齒收回以降低能耗。

航空飛機(jī)的機(jī)翼為飛機(jī)提供飛行時(shí)的空氣動(dòng)力，翼形形狀決定著機(jī)翼的氣動(dòng)性，不同的飛行狀態(tài)需要不同的翼形。傳統(tǒng)機(jī)翼通常為剛性結(jié)構(gòu)，隨著輕量化智能材料的應(yīng)用，柔性可變機(jī)翼成為討論和研究的熱點(diǎn)。從20世紀(jì)末至今，柔性可變機(jī)翼的設(shè)計(jì)理念主要包括：SMA驅(qū)動(dòng)機(jī)翼整體扭轉(zhuǎn)變形、SMA驅(qū)動(dòng)機(jī)翼分段變形、SMA彈簧驅(qū)動(dòng)機(jī)翼厚度等。多項(xiàng)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果均表明基于SMA的柔性可變機(jī)翼能夠適應(yīng)不同空氣流速，綜合表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)翼。遺憾的是，直到今天還沒(méi)有真實(shí)應(yīng)用于飛機(jī)的柔性機(jī)翼，因?yàn)楹教祛I(lǐng)域?qū)χ亓渴置舾?，這限制了SMA驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的尺寸和重量。但SMA在柔性變形機(jī)翼上具有良好的應(yīng)用前景這一觀點(diǎn)毋庸置疑，諸多研究也致力于開(kāi)發(fā)適應(yīng)航空配置的SMA柔性機(jī)翼驅(qū)動(dòng)器[52]。

隨著人類(lèi)探索太空的腳步不斷向前，航天設(shè)備需要適應(yīng)惡劣的太空環(huán)境，例如月球探測(cè)器要在-180～120 ℃的月球環(huán)境工作，在未來(lái)，開(kāi)發(fā)超低溫寬溫域高強(qiáng)度的SMA對(duì)航空航天領(lǐng)域具有重要意義。

4.2 工程建筑領(lǐng)域

近年來(lái)，形狀記憶合金優(yōu)越的性能引起了工程建筑領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注，利用SMA的阻尼性能和形狀記憶特性，可以有效提高復(fù)合材料的強(qiáng)度、減振和自愈能力。減震器通常安裝在橋梁和承重柱之間，或建筑物地基和水平面之間，作為一個(gè)能量耗散機(jī)制減少地震震動(dòng)的影響。Sawaguchi等[53]基于SMA的雙程形狀記憶效應(yīng)將SMA應(yīng)用于地震減震器，并對(duì)Fe-Mn-Si基SMA減震器進(jìn)行低周疲勞測(cè)試，結(jié)果如圖10所示，SMA減震器在循環(huán)過(guò)程中表現(xiàn)出穩(wěn)定的滯后曲線(xiàn)，同時(shí)兼具比現(xiàn)有鋼制減震器更長(zhǎng)的疲勞壽命。

圖10 Fe-Mn-Si基形狀記憶合金動(dòng)態(tài)加載測(cè)試結(jié)果[53]：(a)載荷與旋轉(zhuǎn)角的關(guān)系，(b)低周疲勞壽命Fig.10 Fe-Mn-Si based SMA dynamic load testing results[53]：(a) relationship between load and rotation angle，(b) low-cycle fatigue characteristics

混凝土是現(xiàn)代社會(huì)高層建筑、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的常用材料，大量震害研究表明，混凝土柱因延性不足而容易在地震作用下發(fā)生脆性破壞。在混凝土中嵌入SMA鋼筋或纖維結(jié)構(gòu)，能夠有效提高混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，圖11為SMA增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)示意圖。Michels等[54]將Fe基SMA埋入混凝土梁中，在抗壓試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中混凝土梁均未發(fā)生破裂，即使在失效時(shí)SMA仍然提供了巨大的加固增韌作用，裂紋范圍縮小近40%。有研究表明[55]，在受壓時(shí)，SMA可以將混凝土梁拉伸區(qū)域中的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓縮應(yīng)力，使混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫閉合，實(shí)現(xiàn)混凝土梁的損傷修復(fù)。

圖11 形狀記憶合金增強(qiáng)混凝土的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Schematic diagram of SMA reinforced concrete structure

此外，對(duì)混凝土進(jìn)行探傷監(jiān)測(cè)可以預(yù)測(cè)材料的失效，因此有學(xué)者提出通過(guò)測(cè)量埋入的SMA的電阻變化實(shí)現(xiàn)損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這一構(gòu)想可能成為SMA在工程建筑領(lǐng)域的未來(lái)研究熱點(diǎn)。需要注意的是，許多學(xué)者在研究過(guò)程中忽視了服役條件的影響，例如減震器在地下環(huán)境中的腐蝕行為等，因此今后的研究中有必要考慮服役條件對(duì)材料性能破壞的評(píng)估。

4.3 醫(yī)療領(lǐng)域

Ni-Ti基SMA具有良好的生物相容性和優(yōu)異的形狀記憶能力，在醫(yī)用支架領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注，早在1983年就有關(guān)于鎳鈦記憶合金作為植入支架的臨床應(yīng)用報(bào)道。目前，Ni-Ti基SMA已廣泛應(yīng)用于骨科、心血管、口腔等臨床領(lǐng)域，其產(chǎn)品包括：正畸弓絲、脊柱矯形棒、人工關(guān)節(jié)、介入支架等。臨床上對(duì)肋骨骨折的治療方式有加壓包扎、支架固定等，傳統(tǒng)的固定器存在矯正壓力過(guò)大、斷骨復(fù)位穩(wěn)定性差等問(wèn)題，而SMA固定器可在植入后的人體溫度環(huán)境中恢復(fù)原形狀，具有復(fù)位穩(wěn)定、手術(shù)時(shí)間短、患者痛苦小等諸多優(yōu)點(diǎn)。NiTi偽彈性正畸弓絲能夠在較大的應(yīng)變下提供幾乎恒定的較小應(yīng)力，避免牙齒矯正過(guò)程因外力過(guò)大產(chǎn)生的不適感。相比于不銹鋼弓絲，Ni-Ti基SMA弓絲可以極大降低醫(yī)生的操作難度和患者的痛苦，因此目前臨床使用的口腔正畸弓絲已幾乎全部為NiTi合金弓絲。此外，對(duì)形狀記憶合金進(jìn)行表面處理可以提高合金表面的生物活性，王海瑞[56]通過(guò)微弧氧化在NiTi合金表面制備了TiO2微孔薄膜，在不損害材料力學(xué)性能和形狀記憶功能的基礎(chǔ)上，極大提高了NiTi合金誘導(dǎo)磷灰石的沉積能力與成骨細(xì)胞的增殖能力。

4.4 智能仿生領(lǐng)域

大量研究表明，傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人靈活性較差，限制了機(jī)器人在某些復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)軟體機(jī)器人有利于機(jī)器人行業(yè)的快速發(fā)展。軟體機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式可分為壓縮空氣驅(qū)動(dòng)、電活性聚合物驅(qū)動(dòng)和形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)3種，其中依靠形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)具有較好的穩(wěn)定性。Han等[57]的研究表明，將SMA線(xiàn)編織成可變形框架后嵌入到軟結(jié)構(gòu)中，構(gòu)建智能軟復(fù)合材料，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)。Villanueva等[58]將傘狀軟硅膠包裹在SMA外層，設(shè)計(jì)了一種仿生水母，利用SMA的形狀變化帶動(dòng)傘狀軟硅膠獲得運(yùn)動(dòng)動(dòng)力，仿生水母的運(yùn)動(dòng)能力可達(dá)0.19 s-1，接近天然水母0.25 s-1。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)董二寶團(tuán)隊(duì)[59]利用3D打印技術(shù)構(gòu)建軟體組織，內(nèi)嵌SMA彈簧作為運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)了一種仿生海星軟體機(jī)器人，該機(jī)器人可以輕松跨過(guò)高度為自身2倍的障礙物?；诖搜芯浚琙hang等[60]又基于SMA彈簧設(shè)計(jì)了一種具有4個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的柔性機(jī)械手，通過(guò)控制各驅(qū)動(dòng)單元中SMA彈簧的通斷電，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的彎曲并成功完成抓取任務(wù)，如圖12所示。作為智能材料實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人的案例之一，Kim等[61]利用聚集離子束(focused ion beam，F(xiàn)IB)將SMA線(xiàn)銑削為如圖13所示的以菱形框架連接的微型機(jī)械結(jié)構(gòu)，在光熱驅(qū)動(dòng)的作用下，該機(jī)械結(jié)構(gòu)可通過(guò)SMA合金的伸縮實(shí)現(xiàn)連續(xù)爬行運(yùn)動(dòng)。

圖12 形狀記憶合金柔性機(jī)械手抓取動(dòng)作[60]Fig.12 Grasping action of SMA soft manipulator arm[60]

圖13 微型形狀記憶合金機(jī)器人設(shè)計(jì)圖[61]Fig.13 Design drawing of micro shape memory alloy robot[61]

此外，還有諸多基于SMA驅(qū)動(dòng)的仿生毛蟲(chóng)、仿生魚(yú)鰭、仿生章魚(yú)觸角等，盡管SMA在軟體機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，但想要取得更大的進(jìn)展，仍需解決SMA作為驅(qū)動(dòng)裝置存在的驅(qū)動(dòng)頻率低(一般小于12 Hz)和能量傳遞效率低等問(wèn)題。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著產(chǎn)業(yè)智能化新范式的發(fā)展，各行業(yè)對(duì)智能材料的需求逐漸增大。作為智能材料的代表之一，形狀記憶合金已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的應(yīng)用價(jià)值，但仍存在諸多需要解決的問(wèn)題。① 制備成本較高。形狀記憶合金對(duì)成分及工藝的要求很高，這在一定程度上提高了形狀記憶合金生產(chǎn)成本，也限制了其廣泛應(yīng)用。②存在技術(shù)壁壘。目前性能相對(duì)穩(wěn)定的形狀記憶合金種類(lèi)有限，對(duì)于一些智能制造領(lǐng)域用形狀記憶合金的開(kāi)發(fā)依然滯后，比如現(xiàn)在用作智能驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的形狀記憶合金存在驅(qū)動(dòng)頻率低、能量轉(zhuǎn)化效率不穩(wěn)定等問(wèn)題。③ 亟待開(kāi)發(fā)用于苛刻條件下的高性能形狀記憶合金。當(dāng)服役于極端環(huán)境時(shí)，形狀記憶合金往往會(huì)暴露出相變溫度不足、形狀記憶效應(yīng)不穩(wěn)定等致命缺陷。例如，添加Zr，Hf，Pd等元素可獲得相變溫度400 ℃左右的三元NiTi合金，但合金元素的加入往往會(huì)使材料的加工脆性增大，嚴(yán)重限制了其生產(chǎn)應(yīng)用。此外，用于航空航天領(lǐng)域的輕質(zhì)形狀記憶合金、服役于太空環(huán)境的超低溫形狀記憶合金、用于心血管支架的微型形狀記憶合金、復(fù)合形狀記憶材料以及利用激光增材技術(shù)實(shí)現(xiàn)形狀記憶合金形狀復(fù)雜化等都將是形狀記憶合金未來(lái)的發(fā)展方向。

近些年，高熵形狀記憶合金因其優(yōu)異的力學(xué)性能和形狀記憶功能成為未來(lái)極具應(yīng)用潛力的智能材料，其主要優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。① 力學(xué)性能優(yōu)異。高熵合金的高熵效應(yīng)使其兼具高的強(qiáng)度和塑韌性。② 相變溫度高，熱滯范圍大。晶格嚴(yán)重畸變效應(yīng)、延遲擴(kuò)散效應(yīng)已被證明可以有效抑制高溫軟化行為，相比于普通二元形狀記憶合金，高熵形狀記憶合金具有更高的相變溫度和更寬的熱滯范圍，是目前最有希望實(shí)現(xiàn)超高溫形狀記憶的途徑之一。③開(kāi)發(fā)空間大。目前高熵形狀記憶合金種類(lèi)較少，相關(guān)研究仍集中于Firstov提出的A50B50成分體系，特別是(TiZrHf)50(NiCoCu)50體系研究較多。鑒于高熵合金的高熵效應(yīng)與雞尾酒效應(yīng)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新型高熵形狀記憶合金具有很大的空間。④ 有望取得理論突破。高熵記憶合金相比于傳統(tǒng)記憶合金，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相關(guān)理論不能簡(jiǎn)單套用，目前針對(duì)高熵形狀記憶合金相關(guān)的理論研究依然較少，高熵形狀記憶合金的性能只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，特別是有關(guān)合金的設(shè)計(jì)依據(jù)、影響形狀記憶特性因素等方面的研究缺失，一旦取得理論突破，將會(huì)帶來(lái)高熵形狀記憶合金飛躍式發(fā)展?？梢灶A(yù)見(jiàn)，高熵形狀記憶合金具有極大的研究?jī)r(jià)值與發(fā)展?jié)摿?，?duì)高熵形狀記憶合金的深入研究有望突破形狀記憶合金的發(fā)展瓶頸，開(kāi)發(fā)新一代高性能智能材料。