李丹丹,張 燕,劉永佳,張凱凱

(北京普凡防護(hù)科技有限公司,北京 100161)

1 記憶合金

1.1 記憶合金的概述

形狀記憶合金也稱記憶合金,是由2種或2種以上的金屬元素組成,可以在一定溫度和應(yīng)力相互作用下進(jìn)行相變的金屬基智能復(fù)合材料。1932 年瑞典科學(xué)家OLANDER A 首次觀察到Au-Cd合金的“記憶”效應(yīng),但當(dāng)時(shí)的科學(xué)條件較薄弱,導(dǎo)致人們未關(guān)注這一現(xiàn)象[1]。直至1963年,美國海軍軍械研究所的BUEHLER WJ等研究發(fā)現(xiàn)Ti Ni合金有一個(gè)轉(zhuǎn)變溫度,即在高溫下將Ti Ni合金加工成彈簧形狀,然后在低溫下改變?yōu)槔毙螤?再對其加熱,發(fā)現(xiàn)Ti Ni合金會自動恢復(fù)為彈簧原狀[2-3]。這一現(xiàn)象確定了“記憶合金”的存在,并將其稱為形狀記憶效應(yīng)。至此記憶合金相關(guān)的研究工作才越來越多,引起了世界各國科研人員的極大關(guān)注和積極探索。記憶合金可以被加工制作成纖維、絲、顆粒、薄膜等多種形式,還可以與其他材料結(jié)合加工成形狀記憶復(fù)合材料[4]。

1.2 記憶合金的特性

記憶合金的顯著特性包括超彈性和形狀記憶效應(yīng),并且具有良好的吸能特性、高阻尼性能、抗疲勞性、抗腐蝕性、耐磨性、高比強(qiáng)度、能反復(fù)使用、使用壽命長、輸出能量大、可恢復(fù)變形等特性。從微觀角度分析,記憶合金產(chǎn)生這些特性的原因是其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu),可分為馬氏體相和奧氏體相2種。高溫狀態(tài)下,奧氏體穩(wěn)定;低溫狀態(tài)下,馬氏體穩(wěn)定。

1.2.1 形狀記憶效應(yīng)

記憶合金具有由溫度觸發(fā)的“形狀記憶”效應(yīng),即在較低溫度下對記憶合金施加外力產(chǎn)生塑性變形,然后在一定的范圍內(nèi)加熱升溫,其塑性變形會消失,記憶合金將收縮或恢復(fù)到變形前的原始形狀。記憶合金的這種效應(yīng)是由合金在高低溫轉(zhuǎn)變時(shí)發(fā)生的“相變化”來實(shí)現(xiàn)的。不同的熱力載荷條件下,即記憶合金從高溫冷卻時(shí),其相態(tài)由奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相,此時(shí)可對記憶合金施加任意形變;當(dāng)記憶合金再次加熱升溫至相態(tài)轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí),記憶合金從馬氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相,同時(shí)恢復(fù)原來的形狀[5]。

1.2.2 超彈性

超彈性也稱偽彈性,是指記憶合金在高溫相奧氏體狀態(tài)下受力發(fā)生較大變形,且實(shí)際變形量遠(yuǎn)大于對應(yīng)的彈性極限的變形量,在卸載應(yīng)力過程中無需加熱,記憶合金便可自行恢復(fù)為原始形狀的能力[6]。記憶合金的變形恢復(fù)能力要強(qiáng)于大部分普通金屬材料。

1.2.3 高阻尼性能

記憶合金具有高阻尼性能,這是由記憶合金的馬氏體相變效應(yīng)所致[7]。應(yīng)力作用下,由于記憶合金在馬氏體相應(yīng)力作用下不同界面之間相互摩擦引起位置變化,導(dǎo)致彈性遷移延遲,其應(yīng)變相對應(yīng)力的作用也被延遲,使振動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,宏觀表現(xiàn)為減震阻尼。因此,記憶合金是一種良好的減震材料。

1.3 記憶合金的分類

記憶合金按照材料可以分為50多種,目前主要應(yīng)用的有3類:鎳鈦基記憶合金、銅基記憶合金和鐵基記憶合金,見表1。其中鎳鈦基記憶合金發(fā)現(xiàn)較早,且性能穩(wěn)定,是實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用最為普遍的合金;銅基和鐵基記憶合金成本較低,但其性能不穩(wěn)定,可以在滿足特定情況的條件下使用[8-10]。

表1 記憶合金種類

根據(jù)記憶合金在溫度變化條件下所能夠發(fā)生的形變現(xiàn)象進(jìn)行區(qū)分,可將記憶合金分為3類:單程記憶合金、雙程記憶合金和全程記憶合金,見表2[11]。

表2 記憶合金種類及其圖示

2 記憶合金在防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用

記憶合金被廣泛應(yīng)用于日常生活中,以及航空航天、機(jī)械電子、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、防護(hù)等領(lǐng)域[12-22]。

2.1 防彈領(lǐng)域

防彈裝備是指在防彈材料的支持下,通過多層材料的組合結(jié)構(gòu),達(dá)到防彈效果的裝備,通常包含防彈外套、軟質(zhì)防彈層、硬質(zhì)防彈插板和裝甲板等。因此,防彈材料性能的提升對個(gè)體防護(hù)裝備的高效、舒適、輕量化具有重要意義。記憶合金具有高強(qiáng)、高彈和緩沖吸能的特性,不僅可以作為低速撞擊的吸能材料,而且在防彈領(lǐng)域上還可以作為爆炸沖擊載荷條件下的衰減和防護(hù)材料。

記憶合金用于防彈織物和防彈護(hù)具的專利。高正[23]的實(shí)用新型專利提供了一種由多個(gè)沿不同方向延伸的具有雙程記憶效應(yīng)的記憶合金絲編織而成的防彈織物,通過將多個(gè)防彈層堆疊并編織為一體結(jié)構(gòu),提高防彈層的防彈性能;也可以使用記憶合金絲和凱夫拉纖維組合編織成防彈織物,使得防彈織物更加柔軟舒適;防彈護(hù)具的設(shè)計(jì)可由上述防彈織物編織成相應(yīng)的護(hù)具形狀,也可將防彈織物放置于外套里,對重點(diǎn)部位進(jìn)行防護(hù)。采用記憶合金纖維制成的防彈層除了擁有記憶合金本身的高強(qiáng)度、超彈性等基本特性,還會因子彈沖擊防彈層產(chǎn)生的熱能使記憶合金收縮變形,進(jìn)而伴隨著吸能、動作偏轉(zhuǎn)等提高防彈效果的特性。

記憶合金用于裝甲板的專利。王耀奇[24]等發(fā)明提供了一種復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu),由3部分組成,分別為陶瓷復(fù)合面板、梯度泡沫金屬夾層和背板。其中陶瓷復(fù)合面板采用鎳鈦形狀記憶合金六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌六邊形陶瓷片構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)的復(fù)合裝甲在熱壓固化過程中,記憶合金蜂窩會發(fā)生奧氏體相變,產(chǎn)生收縮,進(jìn)而對陶瓷片形成強(qiáng)約束,減小陶瓷破碎過程中的擴(kuò)容,可有效提升復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)抗多發(fā)彈打擊能力。許英杰等[25]發(fā)明公開采用防彈陶瓷板、形狀記憶合金層和超高分子量聚乙烯板3 種材料制作的輕量化防彈裝甲板,解決了當(dāng)下防彈裝甲板采用防彈鋼重量大、厚度較厚的問題。該方案設(shè)計(jì)的輕量化防彈裝甲板質(zhì)量輕、厚度較薄、防彈能力較強(qiáng),并且記憶合金層放置在防彈陶瓷板和超高分子量聚乙烯板中間,形成夾芯結(jié)構(gòu)的裝甲板,可以發(fā)揮記憶合金的超彈性作用,具有較高的實(shí)用價(jià)值。

綜上所述,現(xiàn)有較少的專利為記憶合金應(yīng)用于防彈領(lǐng)域提供了一定的參考價(jià)值,但缺乏有關(guān)其具體特性對于改善防彈領(lǐng)域防護(hù)性能的系統(tǒng)和實(shí)際應(yīng)用的研究。

2.2 防火領(lǐng)域

記憶合金具備優(yōu)異的性能,在保護(hù)消防員的安危方面發(fā)揮出重要的作用,被廣泛運(yùn)用在防火領(lǐng)域。

LAH A S等[26]研究了一種新型形狀記憶的鎳鈦諾針織物,應(yīng)用于消防員防護(hù)服的主動隔熱襯布。該針織物采用冷加工的鎳鈦合金單絲制成,通過15個(gè)循環(huán)的訓(xùn)練過程,實(shí)現(xiàn)了鎳鈦諾織物的雙向形狀記憶效果。將經(jīng)過訓(xùn)練的鎳鈦諾織物插入由2層縫合在一起的織物制成的口袋中,制備了智能紡織品系統(tǒng)。當(dāng)暴露在75 ℃及更高的環(huán)境溫度時(shí),它會立即從二維形狀變?yōu)槿S形狀,增加口袋中的氣隙。由這種智能紡織品系統(tǒng)制成的絎縫織物可用于消防員的防護(hù)服,可以局部改善隔熱性能,保護(hù)人體皮膚免受過熱或燒傷。

HE J等[27]研究了6種不同的記憶合金排列方式和2種不同的彈簧尺寸對輻射熱暴露和熱表面暴露的熱防護(hù)的影響。結(jié)果表明,記憶合金彈簧加入到熱防護(hù)織物組件中能有效提高熱防護(hù)性能,但彈簧提供的熱防護(hù)程度取決于其排列方式和彈簧尺寸。使用記憶合金彈簧加強(qiáng)消防員防護(hù)服的有效性取決于防護(hù)服膨脹空氣層的能力,并提出建議將記憶合金彈簧置入防護(hù)服的脆弱部位,如手臂、胸部等直接暴露并經(jīng)常受到攻擊的部位。研究表明,記憶合金彈簧作為開發(fā)智能服裝的潛力材料,可以提供額外的熱防護(hù),從而減少熱防護(hù)服的層數(shù)。

陳艷等[28]采用記憶合金彈簧形成的空氣層作為瞬時(shí)隔熱組合面料的隔熱層。通過對蚊香型和圓柱型2種形狀的鎳鈦記憶合金彈簧進(jìn)行形變溫度測試,最終決定采用形變溫度為42 ℃的蚊香型鎳鈦形狀記憶合金彈簧,其形變溫度低于圓柱型,且低于損傷人體皮膚的溫度的下限。學(xué)者設(shè)計(jì)的瞬時(shí)隔熱組合面料由玄武巖織物作為耐高溫防火外層、記憶合金高溫變形的空氣層作為隔熱層、芳砜紗作為阻燃內(nèi)層,經(jīng)過熱防護(hù)性能測試和防護(hù)隔熱性能測試,結(jié)果表明,應(yīng)用蚊香型記憶合金彈簧構(gòu)成的空氣層隔熱效果明顯,并且其隔熱性能優(yōu)于消防員的傳統(tǒng)防護(hù)服面料。

潘夢嬌等[29]通過將記憶合金絲和芳綸紗線按一定間隔編織成10種記憶合金織物,進(jìn)而探究織物中記憶合金絲的間距、織物密度、芳綸紗線種類對防護(hù)服隔熱性能的影響。研究結(jié)果表明,相鄰2根記憶合金絲的間距越大,熱防護(hù)性能越差,間距為2 c m 時(shí)的熱防護(hù)性能最佳;記憶合金織物的密度越大,熱防護(hù)性能越好,設(shè)計(jì)緯密為20根/c m 時(shí)的熱防護(hù)性能佳;學(xué)者采用2種芳綸紗線編織出芳綸1414織物和芳綸1313織物,其中芳綸1414紗線的強(qiáng)度和隔熱性能較優(yōu),最終織造織物的熱防護(hù)性能也更優(yōu)。

綜上所述,目前記憶合金在防火領(lǐng)域的主要應(yīng)用形式是作為防護(hù)服的隔熱層,防護(hù)服在遇高溫后能形成一定的空氣間隙,減少傳遞到人體的熱量,提高防護(hù)服的熱防護(hù)性能。

2.3 其他領(lǐng)域

在汽車防護(hù)領(lǐng)域,利用記憶合金的形狀記憶效應(yīng),應(yīng)用在汽車輪胎防滑裝置,即在不同路面狀況下,不同車速的摩擦熱不同,記憶合金防滑裝置也隨著溫度變化呈現(xiàn)不同的狀態(tài);利用記憶合金優(yōu)異的可恢復(fù)變形性,廣泛運(yùn)用在汽車安全防護(hù)領(lǐng)域,如將記憶合金運(yùn)用在汽車的擋板、保險(xiǎn)杠等,在汽車發(fā)生交通事故造成碰撞損傷時(shí),若碰撞能量較低,通過加熱(熱風(fēng)、熱水等)即可使車體變形部分恢復(fù)原來的形狀[30]。在仿生防護(hù)領(lǐng)域,利用記憶合金的超彈性特性和優(yōu)異的力學(xué)性能,可設(shè)計(jì)仿生防護(hù)自恢復(fù)結(jié)構(gòu),如仿甲蟲鞘翅的自恢復(fù)汽車吸能填充結(jié)構(gòu)、仿貓科動物腳掌肉墊的自動回彈恢復(fù)結(jié)構(gòu)等[31-32]。在減震防護(hù)領(lǐng)域,利用記憶合金的高阻尼特性,設(shè)計(jì)地震阻尼器,主要應(yīng)用在高層建筑領(lǐng)域,可明顯提升建筑結(jié)構(gòu)的減震性能,保護(hù)人員的安全[33]。

3 前景展望

記憶合金作為一種新型的防護(hù)材料,其優(yōu)良的性能在防火領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用;在防彈領(lǐng)域還處于發(fā)展探索階段,僅有較少的專利涉及記憶合金在防彈領(lǐng)域的應(yīng)用。將記憶合金與防彈材料結(jié)合,發(fā)揮其獨(dú)特的性能,促進(jìn)國際防彈產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

縱觀當(dāng)代防彈領(lǐng)域的研究,優(yōu)先采用新材料、新技術(shù),是改進(jìn)我國防彈領(lǐng)域發(fā)展的一條必由之路,必須重視記憶合金在防彈領(lǐng)域的研究和應(yīng)用,可以通過以下2方面進(jìn)行研究。

(1)在防彈織物方面,從纖維的種類和織物組織結(jié)構(gòu)2方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。將記憶合金纖維與目前常用的芳綸II纖維、芳綸III纖維、超高分子量聚乙烯纖維按一定比例混合織造,采用雜化混合結(jié)構(gòu)將不同纖維根據(jù)防彈機(jī)理進(jìn)行織造,使織物在保持原有防彈性能的基礎(chǔ)上,增加其緩沖吸能特性,阻止穿透,減輕未完全穿透鈍傷。運(yùn)用記憶合金纖維與其他纖維混合織造的織物的組織結(jié)構(gòu)可以為梭織物、針織物、角連鎖織物、三維編織等。通過工藝的優(yōu)化,提高防彈織物的柔性、輕量化和高能量吸收等性能,最終選出防彈性能最好的纖維混雜比例和組織結(jié)構(gòu)。

(2)在復(fù)合裝甲、硬質(zhì)插板等產(chǎn)品設(shè)計(jì)上,可利用記憶合金的超彈性和緩沖吸能特性,將記憶合金設(shè)計(jì)為蜂窩狀結(jié)構(gòu),與陶瓷片鑲嵌結(jié)合,增加對陶瓷片的包覆性和約束力;或?qū)⑵渥鳛榫彌_層運(yùn)用在軟質(zhì)防彈層、硬質(zhì)防彈插板產(chǎn)品上,減少其對人體的非貫穿性損傷,因此記憶合金在緩沖、吸能、減震方面具有較為廣闊的應(yīng)用前景。