NASA对形状记忆合金的研究进展

Othmane Benafan博士在美国航空航天管理局格林研究中心的一个实验室里进行形状记忆合金的测试。

形状记忆合金（SMA）是一种金属，它在受到温度等因素的刺激下会改变原来的形状，自20世纪30年代早期开始人们就对其进行研究，并在20世纪90年代初期将其应用于生物医学领域。

在航空航天领域，形状记忆合金可以用于驱动装置，例如机翼副翼或是用来展开火星探测器的太阳能电池板，其优点包括重量轻、静音操作和结构紧凑。

美国航空航天管理局格林研究中心（NASA Glenn ResearchCenter）的材料研究工程师Othmane Benafan博士也是形状记忆合金团队的负责人，他说：“通过改变这些金属的温度，可以让它们推或拉动零件来工作。驱动它们的热量可以来自电阻，也可以从发动机的余热中获得，或是从环境中被动的温度变化中获得，这种温度变化来自飞机起飞到巡航高度，或者来自航天器的热发射变化到温度低的太空轨道上。”

形状记忆合金含有相等份数的镍和钛，再用钯、铂、金、铪或锆等来取代10％到25％，产生的形状记忆激活温度范围从-150℃到500℃。铪和锆容易获得，并且价格较为便宜，这为用于航空领域的形状记忆合金的商业化提供了机会。

形状记忆合金借助相变原理来发挥作用，会经历可逆的相变，就像液态水变成固态冰。

“形状记忆合金的不同之处在于它们从一个固相转变成另一个固相。这种材料的晶体结构会移动并且变化形状，原子级的重排列是可逆的，因而可以记忆形状。”Benafan解释说。

超弹性——机械负载也可以诱发合金的形状记忆。一个例子就是可弯曲的金属眼镜架。

NASA格林研究中心开发的用形状记忆合金制成的扭矩管（图片由NASA格林研究中心提供）。

Benafan说：“假设你有一个可以变形的身体，当负载被移除后，身体就会恢复形状，类似橡皮筋那样，只不过现在是发生在金属身上。在设计会经历大的变形结构时，形状记忆合金的这种结构性能是非常有用的。而且它比常规金属（如铝或钢）能提供更大的变形恢复能力。”

可重复、可预测

自20世纪80年代以来，形状记忆合金制成的驱动器已经在太空中得到应用，美国航空航天管理局的火星探路者（Mars Pathfinder）探测器就使用了它。在大多数情况下，它们用于一次性天线或货物装卸、销拆卸器或其他单驱动装置。而飞机的标准要严格得多，因为这些设备必须能执行数百万次的操作。

现在，大多数形状记忆合金的活化温度限制在近100℃，这对于经常在炎热时停放于室外的飞机来说会出现问题：用形状记忆合金制造的翼片可能会突然移动。或者，如果形状记忆合金制成的驱动器无法冷却到形状回复温度以下，襟翼就不会收回。

形状记忆合金在微观水平上显示的晶体微结构。

形状记忆合金的另一个挑战是，随着时间和完成周期的增加，其性能会下降。此外，从供应商处采购形状记忆合金材料时通常需要花费较高的定制。这些挑战能解释为何它没有大举进入商用飞机市场。

进展

NASA格林研究中心的形状记忆合金团队正在积极地应对这些挑战。十多年来，该团队一直在研发新的合金、测试基础架构和建模工具。NASA开发的合金将SMA的温度范围扩大到近500℃。

Benafan强调说：“我们开发的材料最高可至数百磅，甚至更大批次。NASA在这个领域已经取得了许多专利，并与业界公司展开了关于合金化学和加工技术的合作。我们都希望看到更好、更高效的飞机，而这只有在这些材料能够成功商业化的情况下才能实现。”

NASA格林研究中心的团队已经用形状记忆合金制成直径为1英寸、长度从8至10英尺的棒。它的一个应用案例是可用于旋转运动的扭矩管。加热时, 它将会扭开机翼襟翼。

扭转的角度是一个长度和直径的函数。1英尺长、0.5英寸直径的管子可以产生100°的扭转。扭矩是直径的函数，而不是长度的函数，以前形状记忆合金被限制在300in-lb扭矩以下，而NASA格林研究中心的工程师现在可产生15000in-lb的扭矩。

除了较小形状的零件，如可以从1英寸直径的圆料制成的电线、电缆、管子或弹簧之外，现在也可以制造出具有合适温度和强度的大型驱动器。用形状记忆合金制成的电线和管子能用于传感器和驱动器。

形状记忆合金应用在飞机上至少有三种优势，其中一种就是减轻重量。

“它们比液压或气动系统要小，小小一个就能提供强大的力量——这是一个非常重要的优势。“Benafan说，“由于占地面积较小，所以能将它们放在更靠近机翼边缘的较小空间内。”

形状记忆合金还能减少零件数量——更少的泵、齿轮和密封件。由于零件数量减少，零件发生故障的几率也变小了。

Benafan补充说：“在需要时，它们也能提供静音驱动。”

NASA格林研究中心的SMA团队，从左到右依次为：Glen Bigelow、Timothy Halsmer、AnitaGarg 博士、Othmane Benafan博士、Santo Padula II博士和Darrell Gaydosh。（图片由NASA的Terry Condrich提供）

根据不同应用，形状记忆合金可以调整到不同的变形温度。到目前为止，大多数市场上能买到的合金在变形之前只能达到100℃。NASA的形状记忆合金则会到150℃或更高的温度时才变形，对于控制面来说是一种理想的选择。

这些先进的形状记忆合金现在只有在NASA的实验室内才存在。

“ 没有人向联邦航空管理局（FAA）证明它们已经准备好应用在飞机上了。另外，人们希望看到数百万次的疲劳和耐久性试验。因此我们仍在持续努力。”Benafan说。

下一步：认证

NASA格林研究中心的形状记忆合金团队希望看到这项技术在航天航空领域大展拳脚，这意味着认证和标准是必不可少的。NASA加入了由国际航空航天运载器系统研究机构（Aerospace Vehicle Systems Institute，AVSI）旗下的航空公司、政府机构和大学组成的国际团队，开发了有史以来第一个FAA认可的与商用航空用SMA驱动装置相关的材料规格和测试标准。该小组起草了两项标准，目前标准正在审查之中。

“这些材料的疲劳大部分还是未知数，系统集成也是一个全新的挑战，因此新的应用目前仍然会青睐传统的、久经考验的方法。这当然需要一种新的思维方式和新的范例式的转变，”Benafan说，“很多人并不知道形状记忆合金是可以移动的，我们希望让工程师和设计师更加了解这种材料。”

为此，该团队也在研究形状记忆合金材料选择表——一个用来查询形状记忆合金及其属性的数据库。

材料工程师Glen Bigelow说：“所有的一切进展都令人兴奋，但这并不意味着我们的工作就完成了。我们仍需在应用的道路上不断努力。”

形状记忆合金为未来变形机翼或自适应机翼的概念提供了一种解决方案，也将为制造更好、更高效的飞机贡献自己的力量。

NASA的工程师在形状记忆合金的研发上取得了可观的进展，发表了很多论文和专利，吸引了业界合作伙伴，并通过指导学生和博士来传播相关的技术和知识。

Benafan说：“我们希望在越来越多的航空和航天应用中看到形状记忆合金的身影。这只是一个时间问题，我们只需要在这条道路上坚持不懈。”

形状记忆合金的基础研究由NASA的TTT项目（Transformational Tools and Technologies）资助。