[发明专利]形状记忆材料及其制备方法

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2003年4月18日提交的美国临时专利申请 60/464,083的优先权。

技术领域

本发明主要涉及形状记忆材料。更具体地说，本发明涉及超弹 性或假弹性材料，这种材料的初始转变温度A_f高于体温。此外，本 发明涉及制备这种形状记忆材料的方法。

发明背景

镍钛(NiTi)合金具有形状记忆效应和超弹性。形状记忆现象约半 个世纪前被首次发现，即材料在低温呈现一种形状而在被加热到更 高温度时呈现另一种形状。材料在高温时呈现原形。当降至较低温 度时，材料保持原形但是结构变成马氏体，这种情况下材料可容易 地在较低温度下变形，形成不同形状。一旦加温，材料变回到奥氏 体，此时形变恢复、形状还原(单程形状记忆)。合金也可以具有两种 记忆(双程形状记忆)，呈现可逆效应，即加热导致形状变化而冷却后 该变化发生逆转。在较低温度稳定的相称为马氏体(B19′)；在较高温 度稳定的相称为奥氏体(B2)。

形状记忆效应(SME)源于热弹性马氏体的转变。当母体基质中的 奥氏体晶体被冷却至马氏体相变开始温度(M_s)以下时形成马氏体。因 为自我调适结构中的马氏体孪晶的形成，这个阶段没有宏观的形状 变化。在低于马氏体相变结束温度(M_f)的温度下，当马氏体获得增加 的应力时，孪晶边界能移动和消失，产生宏观形变。当加热至高于 奥氏体相变开始温度(A_s)时，变形的马氏体通过相反的转化(从马氏体 到奥氏体)能够恢复为母体相的原形。如果基质中马氏体相在增加的 应力下，马氏体的重取向有时可发生。这种现象极大地促成了形状 记忆效应。

当在高于奥氏体相变结束温度A_f的温度下形状记忆合金显示出 好的性能，在高于M_s的温度下合金发生形变时，产生超弹性(SE)或 是假弹性(PE)。例如，对PE来说，最好的可工作温度范围是高于A_f温度10℃至15℃之间。这个效应是由于在高于M_s的温度下形成了 应力诱导的马氏体(SIM)而引起的。由于马氏体随着应力的施加而产 生，当应力移除时，马氏体立即恢复成未变形的奥氏体。这个过程 产生了这些合金的“类橡胶”行为。该材料在拉伸或压缩试验中的 应力应变曲线上表现出两个平稳段，一个在上部(加荷)，另一个在下 部(卸荷)，其为超弹性区域。

发明概述

本发明提供了形状记忆材料，这种材料的超弹性的可工作温度 范围为低于所述材料的初始转变温度A_f约0℃至15℃之间。例如所 述形状记忆材料可以是经热处理的镍钛合金。所述形状记忆材料的 物理性质使得所述材料在室温下具有延展性，但是在体温下变成超 弹性的或是假弹性的。所述形状记忆材料可用在各种应用上，包括 但不限于整形外科植入物。

本发明还提供了制备形状记忆材料的方法。所述方法包括在约 700℃-900℃下将原材料处理约0.5小时至2小时。经热处理的原材 料可用各种方式冷却，例如用空气、水或炉内冷却。可在约200℃- 约520℃下将经处理的原材料时效处理0.25至2小时以提供形状记 忆材料。所述形状记忆材料可通过各种方式冷却，例如用空气、水 或炉内冷却。

任选所述方法包括材料的第二次时效处理方法，时效处理时间 为约0.5-2小时，时效处理温度为约200-约500℃，然后进行冷却， 如用空气、水或炉内冷却。

附图简述

结合附图，将更好地理解本发明详述，该附图用于举例说明。 本发明不限于这些图中显示的示例性的实施方案。

图1表示用于调节固溶体的初始转变温度A_f高于体温的各种热 处理方案。

图2表示固溶体的第二次时效处理的各种方案。

图3表示固溶体的第二次时效处理的各种可选方案。

图4表示第5号试样的机械测试结果，第5号试样在人的体温(如 96-99)下具有超弹性。

发明详述

为了加强对本发明原理的理解，将结合附图举例说明各种示例 性的实施方案并进行非常详细的讨论。尤其将对各种热处理方案进 行讨论，这将促进利用或最大限度地使用形状记忆材料的超弹性或 假弹性，如人体体温下的镍钛合金。