第3阶段在20世纪70～90年代，随着形状记忆合金的性能进一步提高，工程应用出现了爆炸性的增长。

第4阶段在20世纪90年代～21世纪20年代，形状记忆合金的基础理论研究飞速发展，科研人员和工程师针对形状记忆合金在航空航天、军事、机器人、民用消费产品、生物医疗领域进行了深入研究和广泛应用。

目前，形状记忆合金材料主要有铁基、铜基和NiTi基材料，尽管铁基和铜基形状记忆合金具有价格优势，如FeMnSi、CuZnAl和CuAlNi，但其稳定性、工程实用性和热力学性能均较差，因此目前绝大多数实际应用中均采用基于NiTi基材料的形状记忆合金。

目前，生产热控型形状记忆合金的公司主要有美国Dynalloy、英国Memry Corporation和日本Toki Corporation，国内的生产公司主要有江阴佩尔科技、兰州西脉股份有限公司和有研亿金有限公司。

形状记忆合金根据外加的激励条件不同，主要分为磁控型形状记忆合金和热控型形状记忆合金，磁控型形状记忆合金由于发现较晚，通常所提到的形状记忆合金均指热控型形状记忆合金。

磁控型形状记忆合金虽然具有较高的驱动频率，但需要体积和质量较大且复杂的磁场驱动控制设备，而且受磁场、温度和应力的影响，控制比较复杂，材料制备困难，价格较高，不方便工程应用，限制了磁控型形状记忆合金的应用场景。

而热控型形状记忆合金可以通过电流产生焦耳热的方式来控制，通电加热的同时形状记忆合金本身的电阻变化可作为反馈量，避免了采用复杂的磁场控制设备和传感器，提高了功率密度和集成度，进一步使执行器从原来的控制器、执行器和传感器的组合转变为控制器和传感执行集成的智能化执行机构，因此目前工程上常选用热控型形状记忆合金作为驱动元件。

形状记忆合金具有的形状记忆效应和超弹性等特性都是由其内部微观固态相变机制引起的。根据智能材料的性能差异，主要分为传感器用智能材料和驱动器用智能材料，用于驱动器的智能材料主要关注其驱动应力、应变、频率和能量密度等性能指标。

热控型形状记忆合金的驱动应力最大，工程上常用的磁或电致伸缩材料和压电材料驱动应力也较高，但其驱动应变非常低，通常只能应用于微小位移驱动器中，如果需要较大位移的驱动，需要增加位移放大装置，如超声波电机，压电材料在超声波频段产生微观机械振动，通过定子和转子之间的摩擦作用，将微观振动转换成宏观的单方向转动或直线运动，常应用到相机的对焦马达，虽然超声波电机具有响应快、无磁场干扰和噪声小等优势，但其需要高压驱动、装置复杂、摩擦损耗大、输出功率低和寿命低的缺点限制了它的应用场景。

形状记忆合金在具有高应力和应变特点的同时还有较高的功重比，驱动频率为30Hz左右，在所有智能材料中驱动频率处于中等水平。在现有智能材料中，形状记忆合金能量密度最高，同时也具有相对较高的驱动应力、应变和频率，综合性能突出，因此形状记忆合金非常适合作为执行器材料。

通常，形状记忆合金执行器（SMAA）主要由形状记忆合金丝作为驱动元件，包括偏执式和对抗式两种配置方式，偏置式由形状记忆合金丝和弹簧构成，形状记忆合金丝为驱动元件，弹簧为复位元件，对抗式的驱动元件和复位元件均由形状记忆合金丝构成，偏置式的结构和控制相对对抗式简单，因此应用较广。

在要求轻量化、小体积、高功重比和带负载能力强的应用场景下，传统执行器技术很难适用，形状记忆合金执行器却能够发挥其优势特性。形状记忆合金执行器特别适用于高功率密度、高精度和多功能性的执行器领域，如航空航天领域、机器人、生物医疗、汽车自动化和信息电子领域。

形状记忆合金执行器按照不同分类标准的本体分类情况如图2所示，主要按照不同的载荷情况、运动形式和结构形式进行分类，定载荷情况下通常应用于实验室相关研究。

图2 SMAA本体分类

线性变载荷形式通常采用弹簧作为快速回复元件；突变载荷则通常应用于航天非火工压紧释放装置中；直线驱动式在汽车发动机和电控阀领域逐步得到应用；旋转驱动式通过转换结构将直线运动转换为旋转运动；弯曲驱动器则通常利用仿生方法模拟动物的软体组织；装配驱动式直接利用形状记忆合金丝或弹簧以机械装配式集成到结构中；嵌入复合式通常采用形状记忆合金材料与其他材料复合的方式作为驱动元件；直接构件式为直接采用形状记忆合金作为元件构造外星球探测器新型轮胎结构。

通过总结大量的研究发现，形状记忆合金丝和弹簧通电加热不仅控制方便，而且丝式形状记忆合金容易生产，因此大部分研究和应用均采用形状记忆合金丝和弹簧，较少采用形状记忆合金棒、板或薄膜形式。

本文编自2022年第20期《电工技术学报》，论文标题为“形状记忆合金执行器研究综述”。本课题得到黑龙江省自然科学基金资助项目的支持。返回搜狐，查看更多