摘要本文系统介绍形状记忆合金SMA的基本原理、材料特性与行业应用重点讲解镍钛合金的形状记忆效应和超弹性机制并结合实际工程案例给出SMA驱动电路设计单管MOSFET与H桥方案及PWM占空比控制方法。文章还基于兰州科立新材提供的样品整理了参数摸底与可靠性测试数据为SMA的选型、驱动设计和寿命评估提供参考。【1】简介形状记忆合金Shape Memory Alloy, SMA是一类能够“记忆”其初始形状的合金材料由于同时具有传感和驱动功能是一种智能材料。SMA具有两种特殊的宏观力学性能形状记忆效应Shape Memory Effect简称SME和超弹性Super Elasticity简称SE都是由其内部的微观相变机制引起的。已发现具有形状记忆效应的合金种类很多可以分为镍-钛系、铜系、铁系合金三大类。目前已经实用化的形状记忆合金只有Ni-Ti系合金和Cu系合金。镍钛合金Nitinol是一种特殊的金属合金由镍Ni和钛Ti两种元素组成。它的名称“Nitinol”是由其成分及发现地点——美国马里兰州的Naval Ordnance Laboratory缩写Ni-Ti-NOL组合而成。镍钛合金的主要成分是镍Ni和钛Ti二者的原子比例约为1:1即化学计量比接近NiTi。实际应用中镍的含量通常在49%~51%原子百分比之间钛的含量对应为51%~49%。这种比例的微小调整会影响合金的相变温度即形状记忆效应的触发温度。为了优化性能如调整相变温度、提高强度或耐腐蚀性有时会添加少量其他元素如铜Cu、铁Fe、钴Co等。例如添加铜可降低相变温度的滞后效应使合金更便于控制。【2】材料特性形状记忆效应是指SMA在环境温度低于其相变温度时对其加载并卸载卸载后存在残余应变此时对SMA进行加热就可以使残余应变消失SMA完全恢复到加载前的形状见图1。若将形状记忆合金丝和驱动负载相连负载作为偏置载荷将SMA丝拉长而SMA丝加热后又会将负载提升形成驱动循环如下视频所示。这一现象源于材料的马氏体与奥氏体两种晶体结构之间的可逆相变。形状记忆补充说明形状记忆效应分类三种记忆效应示意图合金的形状记忆效应是一种特殊的热—机械行为它是热弹性马氏体相变产生的低温相马氏体在加热时向高温相奥氏体进行可逆转变的结果大部分形状记忆合金是通过热弹性马氏体相变而呈现形状记忆效应的。普通的马氏体相变是钢的淬火强化方法即把钢加热到某个临界温度以上保温一段时间然后迅速冷却钢转变为一种马氏体结构并使钢硬化。具有热弹性马氏体相变的合金中马氏体生成后随着温度降低继续长大当温度回升时长大的马氏体又可以缩小直至恢复原来的母相状态即马氏体随着温度的变化可逆地长大或缩小——热弹性马氏体相变随着研究的深入逐渐发现不但温度场、应力场可以诱导形状记忆效应磁场也可以诱导马氏体相变从而出现形状记忆效应。超弹性是指当SMA在一定温度范围内对其施加应力使其发生较大变形当应力释放后SMA仍能恢复到变形前的初始形状的现象如图所示。超弹性示意图利用超弹性特性SMA可用在很多需要大变形或大阻尼的结构中。典型的超弹性应力—应变曲线如图所示其应力应变曲线形成滞回圈耗散机械加载的能量因此SMA具有良好的阻尼特性。NiTi记忆合金的比阻尼可达15%~20%CuZnAl记忆合金的比阻尼高达30%~85%是优秀的阻尼材料。利用形状记忆合金的超弹性特性可以将SMA材料做成心脏支架这种支架具有非常强的抗变形能力。形状记忆合金的上述宏观力学性能是由其微观相变引起的如下图所示在低温状态下SMA材料内部呈现孪晶马氏体相在温度升高到其相变温度As奥氏体相变开始温度点以上时材料开始发生固—固相变从马氏体变成奥氏体直到温度高于Af奥氏体相变结束温度点以上后相变结束。铜基形状记忆合金材料发生相变时其内部晶体结构变化如下视频所示。当然还有超弹性、耐磨耐腐蚀性、生物相容性、抗毒性、高强度和低密度等特性。钛镍合金相关标准类别标准编号标准名称检测标准GB/T 23614.1-2009钛镍形状记忆合金化学分析方法 第1部分镍量的测定 丁二酮肟沉淀分离EDTA络合-氯化锌返滴定法GB/T 23614.2-2009钛镍形状记忆合金化学分析方法 第2部分钴、铜、铬、铁、铌量的测定 电感耦合等离子体发射光谱法判定标准GB/T 24627-2023外科植入物用镍-钛形状记忆合金加工材GB/T 39985-2021钛镍形状记忆合金板材GB/T 39989-2021超弹性钛镍形状记忆合金棒材和丝材YS/T 859-2013直线型超弹性钛镍合金棒、丝材YS/T 971-2014钛镍形状记忆合金丝材YS/T 1076-2015钛镍合金板材YS/T 1136-2016医用镍-钛形状记忆合金无缝管YS/T 1684-2024双程钛镍形状记忆合金丝材常见型号NiTiNOL 55指镍和钛的原子比约为55%镍和45%钛是等原子比的经典配方具有最好的形状记忆效应和超弹性。在很多语境下“Nitinol”默认指的就是这种成分。NiTiNOL 60指含有60%镍原子比的合金。镍含量更高使其相变温度显著降低可能低于-30°C因此在室温下它不再具有超弹性而是作为一种常规的弹性材料使用但其耐腐蚀性和生物相容性依然很好。NiTiCu添加铜Cu可以降低滞后加热冷却曲线间隔变小使动作更迅速并提高疲劳寿命。常见的有NiTi-10Cu含10%铜。NiTiNb添加铌Nb可以拓宽相变滞后使得材料在低温下保存时也不会轻易恢复原状非常适用于需要长期存储的管接头等一次性作动件。NiTiFe、NiTiCr添加铁Fe或铬Cr主要目的是降低相变温度使其在更低温度下呈现超弹性。【3】行业应用行业应用参考行业产品应用方式其他航空航天人造卫星天线在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线然后冷却到28℃以下折叠成一小团到达月球后借助阳光照射或者其他加热方式使它恢复到原来的抛物面形状能用有限的空间来运送体积庞大的天线。形状记忆合金在航空航天领域主要应用有人造卫星天线卫星、航天飞机等自动启闭门窗和自适应智能机翼、智能旋翼等。机翼调节器镍钛合金因其优异的力学性能和轻量化特性在航空航天与国防领域的应用得到扩展如用于机翼调节器、燃油管道和传感器等关键部件。镍钛合金在航空航天领域也被用作智能材料用于自适应结构、减震系统和形状可变部件。医疗钛镍合金静脉支架镍钛的另一个重要特性是其弹性模量低至接近天然骨材料并且具有良好的生物相容性独特的应力/应变响应使其抗压强度高于天然骨材料因此广泛应用于各种生物医学应用例如医疗器械中的血管支架、心脏瓣膜牙科矫正中的镍钛牙箍血管介入手术中的导管等。人工关节、骨骼固定件、牙齿固定件形状记忆合金在医疗器械领域主要应用有人工关节、骨骼固定件、牙齿固定件、人工肾脏泵、能动型内窥镜、杀伤癌细胞置针等。贴片式胰岛素泵智能医疗器械微执行器利用SMA驱动性能、恢复大形变能力可以以丝材替代器械中的控制单元结构、微执行器单元以达到微小精准的位移控制。3C行业镜头防抖SMA代替音圈电机用作防抖在OSI中的应用康郡机电的行程扩展技术能将图像稳定性提高50%大推力SMA在智能手机摄像头中提供的推力是VCM的10倍钛丝的振动线性马达柔性电子器件镍钛合金用于制造柔性电子器件利用镍钛合金材料的柔性和耐用性制作可弯曲的显示屏和传感器汽车按摩座椅钛丝受热拉动气阀实现按摩功能。在汽车应用上SMA 多作为线制动器如后视镜折叠、温度控制副翼、锁控和热制动器如发动机温度控制、碳化合物发动机润滑、动力离合器工业电磁锁记忆合金管接头低温下适当膨胀应用时将套管套在需要连接的接头上加热后收缩回初始形状紧紧包覆主管接头。形状记忆合金在机械工业领域主要应用有各类连接件和紧固件、记忆合金弹簧、智能机器人、能量转换器等。家电热水器热水器等恒温阀芯电饭煲温控阀、百叶窗、空调出风口等【4】应用设计财哥说钛丝参考资料【电阻值】由于不同厂家的制作工艺及加工工艺上存在差别具体的阻值率要根据厂家提供的手册进行计算。1、财哥说钛丝博客计算方法PS如上的奥氏体和马氏体的阻值率写反了应该是高温加热马→奥低温恢复奥→马马氏体的阻值更高举例0.15mm直径长度100mm钛丝奥氏体R80uΩ*100mm/0.0177mm²800/1774.52Ω马氏体R100uΩ*100mm/0.0177mm²1000/1775.65Ω2、志联记忆计算方法R电阻【Ω/m】*长度【驱动电流/响应时间】以上参数均参考同一个公式QI²Rt1、响应时间如上图所示需要更快的响应时间相变温度所需要的加热功率不变的情况下需要更大的供电加热电流和供电加热电压但同时也会影响到寿命。2、驱动电流可参考厂家手册的推荐电流和通电时间如标题1电阻值中的截图所示。也可通过I²Q/RT自己设计需要考虑到寿命参数。【驱动力】基本公式为FPS【其它设计tips】1、不同应力下合金丝相变温度不同。随负载增加相变温度升高。2、在空间充裕的情况下厂家建议使用钛丝。3、驱动电流和保持电流若设计需要钛丝保持奥氏体状态的话驱动电流和保持电流存在差异核心问题是空气散热的对流系数。驱动方式恒压、恒流、恒功反馈补偿方式电流反馈、电压反馈、温度反馈及相关补偿恢复时间补偿泄放和散热推荐电路【行程开关驱动控制】工作原理驱动系统的MCU下达驱动指令后供电系统通过S1开关直接上电给钛丝钛丝通电收缩带动驱动滑块执行驱动动作驱动滑块执行到行程开关位置后完成驱动机构的执行工作。同时行程开关被关闭反馈驱动机构执行结果给控制系统停止驱动指令同时钛丝的供电被断开钛丝冷却恢复过程中带动驱动滑块执行返回归位。这时驱动机构完成驱动指令和恢复归位。方案特点1钛丝直接由供电系统供电不需要调试电流和时间无需软件编程硬件电路结构简单。2一般用于电流和控制时间要求比较低、负载数量少的情形。注意事项1供电系统电压不可过高驱动机构数量不可过多否则负载过大容易造成死机或重启。2有些应用场景下会出现行程开关损坏或意外造成开关无法动作有时会烧坏钛丝这个时候可以加多一级行程开关用于驱动监控和保护避免上述现象。应用案例无人售货机、快递柜等简单的电子锁、简易开合机构。【恒压驱动控制】工作原理驱动系统的MCU下达驱动指令后启动恒压芯片直接给钛丝一个恒定的电压驱动钛丝通电收缩驱动机构完成执行动作。MCU预先设定好了驱动时间时间达到后停止恒压芯片工作钛丝的供电被断开钛丝冷却恢复驱动机构返回归位。方案特点1无软件门槛硬件电路结构简单。2驱动机构的响应时间稳定。3对供电系统的负载较小。注意事项1需控制驱动机构和供电系统之间的连接线路阻值尽量小否则可能会导致驱动机构供电电流不足。2恒压驱动一般采用的DC TO DC芯片如线性LDO、升压、降压等芯片采用这类的驱动时需要注意钛丝的奥氏体和马氏体转化过程中电阻值会变化我们需要根据这2个电阻值重新核算钛丝的驱动电压范围避免钛丝驱动电流过大或过小的问题。【恒流驱动控制】工作原理恒流驱动的工作原理和恒压相似仅电路驱动和钛丝采用了串联的方式。恒流驱动可以采用传统的模拟恒流也可以采用集成度高的恒流芯片或LED灯的驱动芯片这些资源都非常的丰富。方案特点1无软件门槛硬件电路结构简单比较节能省电。2驱动机构的响应时间比恒压驱动要相对稳定。注意事项需控制驱动机构和供电系统之间的连接线路阻值尽量小否则可能会导致驱动机构供电电压不足。应用案例无人售货机锁、快递柜锁、箱包锁、指纹锁、记事本锁等简易开合机构。【恒功驱动控制】工作原理恒功控制是利用了焦耳定律的QI²Rt热功率电流²×电阻×时间。驱动系统的MCU下达驱动指令后MCU发出可控的PWM波驱动开关作用的MOS管工作。当开关管打开后供电系统经过钛丝和开关MOS管再经过电阻到地完成钛丝的通电加热执行驱动。在这个过程中开关MOS管对地的电阻起到两个作用1限流保护供电系统的稳定性2将供电系统通过钛丝的电流转换成电压形式经过电容滤波后反馈给MCU的ADC去计算其电流是否超标。当电流超标的情况下MCU通过调整PWM的占空比来控制开关MOS管校正我们设计的功率。方案特点1驱动机构的响应时间和位移指标可通过软件精准调整。2功耗更低省电节能可以用在功耗要求较高的场景。3可拓展钛丝更多的功能应用。注意事项软件工程师需要了解钛丝驱动的热功方程、电阻定律、焦耳定律参考本文第1节。应用案例手机镜头防抖、云台防抖、机器人、无人机拓展功能、汽车风路控制、汽车流体控制。【驱动保持控制】工作原理驱动保持控制的两个步骤恒功驱动参考《表1钛丝位移形变热功方程模拟计算表》对钛丝通电驱动让执行机构完成执行动作。驱动保持根据产品实际的结构空间情况计算或测量温度的损失做温度补偿电流控制使其驱动机构内的钛丝的温度始终维持在100°波动区间在10°的范围。【环境温度补偿设计】工作原理我们在恒功驱动的基础上增加一个普通的电阻和NTC热敏电阻这样就可以做到简单有效的环境温度的补偿设计。考虑到节能的问题我们需要MCU提供一个端口提供高电平作为环境温度检测的供电系统当NTC热敏电阻伴随环境温度变化而发生变化时MCU还需提供一个ADC脚来采集NTC变化的电压。我们再通过软件的计算补偿实时的调整PWM的输出占空比消除环境温度的偏差达到对钛丝稳定驱动的闭环效果。例如规格∅0.15mm长度100mm的钛丝从环境温度20°通过0.5S的响应时间达到驱动温度100°带入Qcm(t−t0)我们得到需要的驱动电流是 581mA。当环境温度降低10°我们就给Qcm(t−t010°)我们得到需要的驱动电流是 616mA。当环境温度提升10°我们就给Qcm(t−t0-10°)我们得到需要的驱动电流是 543mA。通过环境温度补偿设计就可以消除环境温度的差异对驱动机构带来的影响进一步提升了钛丝驱动的可靠性和稳定性。注意事项软件工程师一般情况下会考虑经济问题充分利用MCU的端口如需做环境温度的补偿设计需要预留2个端口一个ADC一个任意可以提供高电平的端口。应用案例手机镜头防抖、云台防抖、机器人、无人机拓展功能、汽车风路控制、汽车流体控制。【温度闭环控制设计】在一些可靠性要求较高的产品应用当中需要对钛丝驱机构实现温度监测反馈和闭环控制。驱动钛丝极小的线径导致了一般的温度检测传感器难以准确测量钛丝的实际温度我们可以结合钛丝的物理特性通过测量钛丝的电压和电阻同样可以达到闭环监测目的。工作原理我们在恒功驱动的基础上将钛丝置于MOS对地的位置通过钛丝靠近MOS的一端采集电压数据给到MCU的ADC由于钛丝本身的电阻是随温度的变化而变化这样就可以实时监控钛丝的驱动过程中的对应温度变化情况。【任意定位驱动控制】工作原理任意定位驱动控制是在温度闭环控制设计的基础上做更加精细的软件控制思路实现位移或定位的精准控制。【矩阵式驱动控制】矩阵式驱动一般应用于数量较多或大规模的钛丝驱动机构的情况下。矩阵式驱动有很多种类电子工程师一般都可以根据自己的实际情况灵活调整本案例给出其中一种表现形式供大家参考。矩阵式驱动的重点是结合MCU本身的资源能力给出最有效的矩阵设计思路软件工程师通过矩阵的数量设定合适的周期和对应的占空比。工作原理本例依然采样PWM恒功驱动的设计方案驱动4组钛丝驱动机构。通过软件控制:P1、P2、P3、P4实现驱动钛丝的L1、L2或L3、L4 或L1、L4或 L2、L3的4种驱动状态达到矩阵控制和交叉矩阵控制的目的。本例中的软件控制可以采用4组PWM也可以采用2组PWM 我们的软件工程师需要结合MCU的资源去灵活调整。注意事项矩阵式驱动方案需要足够的供电系统的支持我们需要考虑同时驱动多少数量的钛丝。单片机的频率是否满足扫描周期的占空比控制。应用案例手机镜头防抖、云台防抖、机器人、无人机拓展功能、汽车风路控制、汽车流体控制。【5】参数摸底【负载/响应时间测试】测试条件100mm直径0.2mm厂家推荐应用负载≤5.3N驱动电流1A通电时间≤1S应变≤3.5%测试环境如下图通电时间1s停止散热10s负载驱动电压电流峰值响应时间应变长度波形结论空载3V1.1A315ms4mm应力和响应时间成正向影响200g(1.96N)3V1.1A420ms4mm500g(4.9N)3V1.1A525ms4mm500g(4.9N)3.3V1.2A420ms4mm通电电流加快响应时间QI²RT【相变温度测试】测试条件持续3.3V通电通电时间1s停止散热5s测试环境常温热电偶贴图示位置进行测试采样精度不够此图只有变化趋势有参考意义【简易寿命测试】样本一测试条件驱动电压负载总计状态图片通电时间1s停止散热10s3V500g3H981次正常一直通电3V500g30min通电时间1s停止散热5s3.3V500g12H搭建PCB板强度不够断开钛丝无异常断续持续通电温度测试3.3V500g5H左右断裂样本二测试条件驱动电压负载总计状态图片制冷剂测试3.3V500g喷四到五次正常通电时间1s停止散热5s3.3V500g5H(3000次正常测试工装顶部脱胶钛丝无异常通电时间1s停止散热5s3.3V500g4H15min(2550次)断裂样本三测试条件驱动电压负载总计状态图片通电时间1s停止散热5s3.3V500g34H(20400次)断裂【6】可靠性测试测试工装示意图原理图工装示意图样本1日期/时间收缩距离图片测试次数2025.8.2610304.6mm12025.8.2710004.41mm144002025.8.2719004.26mm198002025.8.289504.28mm288002025.8.2817504.27mm336002025.8.2911:30预计39600样本2:前期测试数量不够2025.9.5跟厂家索要了第二批钛丝厂家回复这批材质有做优化进行第二轮测试同时测试两根一根有传感器监控长130mm命名为A一根无传感器监控140mm命名为B通电电压4.6V电流极限值是0.9A10秒一次上下电周期日期/时间收缩距离图片测试次数2025.9.518003.83mm12025.9.910003.6mm31680持续88小时2025.9.1018003.6mm43200持续88小时2025.9.119003.37mm48600持续135小时2025.9.1210473.4257240持续159小时2025.9.14070238A钛丝断了累计run7天共计60480次测试时日比较长过程中出了一些意外A钛丝有一次被其他人拿走了电源中断了12h中间由于其他紧急项电脑用于其他用途的时间由于操作失误取走电脑时未断钛丝电源钛丝一直负载2h所以预估A钛丝的实际寿命要大于60480次理想测试寿命参考B钛丝2025.9.15104783520B钛丝连续run9天16小时10秒一次上下电共83520次2025.9.16190095040B钛丝刚刚好连续run11天断了高低温测试日期/时间温箱温度测试参数环境图片图片2025.9.1914:3060摄氏度2025.9.2211:3060摄氏度钛丝通电正常变化但工装塑料部份全部软化此时负载已没有500g 形状记忆钛镍合金-钛丝
摘要本文系统介绍形状记忆合金SMA的基本原理、材料特性与行业应用重点讲解镍钛合金的形状记忆效应和超弹性机制并结合实际工程案例给出SMA驱动电路设计单管MOSFET与H桥方案及PWM占空比控制方法。文章还基于兰州科立新材提供的样品整理了参数摸底与可靠性测试数据为SMA的选型、驱动设计和寿命评估提供参考。【1】简介形状记忆合金Shape Memory Alloy, SMA是一类能够“记忆”其初始形状的合金材料由于同时具有传感和驱动功能是一种智能材料。SMA具有两种特殊的宏观力学性能形状记忆效应Shape Memory Effect简称SME和超弹性Super Elasticity简称SE都是由其内部的微观相变机制引起的。已发现具有形状记忆效应的合金种类很多可以分为镍-钛系、铜系、铁系合金三大类。目前已经实用化的形状记忆合金只有Ni-Ti系合金和Cu系合金。镍钛合金Nitinol是一种特殊的金属合金由镍Ni和钛Ti两种元素组成。它的名称“Nitinol”是由其成分及发现地点——美国马里兰州的Naval Ordnance Laboratory缩写Ni-Ti-NOL组合而成。镍钛合金的主要成分是镍Ni和钛Ti二者的原子比例约为1:1即化学计量比接近NiTi。实际应用中镍的含量通常在49%~51%原子百分比之间钛的含量对应为51%~49%。这种比例的微小调整会影响合金的相变温度即形状记忆效应的触发温度。为了优化性能如调整相变温度、提高强度或耐腐蚀性有时会添加少量其他元素如铜Cu、铁Fe、钴Co等。例如添加铜可降低相变温度的滞后效应使合金更便于控制。【2】材料特性形状记忆效应是指SMA在环境温度低于其相变温度时对其加载并卸载卸载后存在残余应变此时对SMA进行加热就可以使残余应变消失SMA完全恢复到加载前的形状见图1。若将形状记忆合金丝和驱动负载相连负载作为偏置载荷将SMA丝拉长而SMA丝加热后又会将负载提升形成驱动循环如下视频所示。这一现象源于材料的马氏体与奥氏体两种晶体结构之间的可逆相变。形状记忆补充说明形状记忆效应分类三种记忆效应示意图合金的形状记忆效应是一种特殊的热—机械行为它是热弹性马氏体相变产生的低温相马氏体在加热时向高温相奥氏体进行可逆转变的结果大部分形状记忆合金是通过热弹性马氏体相变而呈现形状记忆效应的。普通的马氏体相变是钢的淬火强化方法即把钢加热到某个临界温度以上保温一段时间然后迅速冷却钢转变为一种马氏体结构并使钢硬化。具有热弹性马氏体相变的合金中马氏体生成后随着温度降低继续长大当温度回升时长大的马氏体又可以缩小直至恢复原来的母相状态即马氏体随着温度的变化可逆地长大或缩小——热弹性马氏体相变随着研究的深入逐渐发现不但温度场、应力场可以诱导形状记忆效应磁场也可以诱导马氏体相变从而出现形状记忆效应。超弹性是指当SMA在一定温度范围内对其施加应力使其发生较大变形当应力释放后SMA仍能恢复到变形前的初始形状的现象如图所示。超弹性示意图利用超弹性特性SMA可用在很多需要大变形或大阻尼的结构中。典型的超弹性应力—应变曲线如图所示其应力应变曲线形成滞回圈耗散机械加载的能量因此SMA具有良好的阻尼特性。NiTi记忆合金的比阻尼可达15%~20%CuZnAl记忆合金的比阻尼高达30%~85%是优秀的阻尼材料。利用形状记忆合金的超弹性特性可以将SMA材料做成心脏支架这种支架具有非常强的抗变形能力。形状记忆合金的上述宏观力学性能是由其微观相变引起的如下图所示在低温状态下SMA材料内部呈现孪晶马氏体相在温度升高到其相变温度As奥氏体相变开始温度点以上时材料开始发生固—固相变从马氏体变成奥氏体直到温度高于Af奥氏体相变结束温度点以上后相变结束。铜基形状记忆合金材料发生相变时其内部晶体结构变化如下视频所示。当然还有超弹性、耐磨耐腐蚀性、生物相容性、抗毒性、高强度和低密度等特性。钛镍合金相关标准类别标准编号标准名称检测标准GB/T 23614.1-2009钛镍形状记忆合金化学分析方法 第1部分镍量的测定 丁二酮肟沉淀分离EDTA络合-氯化锌返滴定法GB/T 23614.2-2009钛镍形状记忆合金化学分析方法 第2部分钴、铜、铬、铁、铌量的测定 电感耦合等离子体发射光谱法判定标准GB/T 24627-2023外科植入物用镍-钛形状记忆合金加工材GB/T 39985-2021钛镍形状记忆合金板材GB/T 39989-2021超弹性钛镍形状记忆合金棒材和丝材YS/T 859-2013直线型超弹性钛镍合金棒、丝材YS/T 971-2014钛镍形状记忆合金丝材YS/T 1076-2015钛镍合金板材YS/T 1136-2016医用镍-钛形状记忆合金无缝管YS/T 1684-2024双程钛镍形状记忆合金丝材常见型号NiTiNOL 55指镍和钛的原子比约为55%镍和45%钛是等原子比的经典配方具有最好的形状记忆效应和超弹性。在很多语境下“Nitinol”默认指的就是这种成分。NiTiNOL 60指含有60%镍原子比的合金。镍含量更高使其相变温度显著降低可能低于-30°C因此在室温下它不再具有超弹性而是作为一种常规的弹性材料使用但其耐腐蚀性和生物相容性依然很好。NiTiCu添加铜Cu可以降低滞后加热冷却曲线间隔变小使动作更迅速并提高疲劳寿命。常见的有NiTi-10Cu含10%铜。NiTiNb添加铌Nb可以拓宽相变滞后使得材料在低温下保存时也不会轻易恢复原状非常适用于需要长期存储的管接头等一次性作动件。NiTiFe、NiTiCr添加铁Fe或铬Cr主要目的是降低相变温度使其在更低温度下呈现超弹性。【3】行业应用行业应用参考行业产品应用方式其他航空航天人造卫星天线在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线然后冷却到28℃以下折叠成一小团到达月球后借助阳光照射或者其他加热方式使它恢复到原来的抛物面形状能用有限的空间来运送体积庞大的天线。形状记忆合金在航空航天领域主要应用有人造卫星天线卫星、航天飞机等自动启闭门窗和自适应智能机翼、智能旋翼等。机翼调节器镍钛合金因其优异的力学性能和轻量化特性在航空航天与国防领域的应用得到扩展如用于机翼调节器、燃油管道和传感器等关键部件。镍钛合金在航空航天领域也被用作智能材料用于自适应结构、减震系统和形状可变部件。医疗钛镍合金静脉支架镍钛的另一个重要特性是其弹性模量低至接近天然骨材料并且具有良好的生物相容性独特的应力/应变响应使其抗压强度高于天然骨材料因此广泛应用于各种生物医学应用例如医疗器械中的血管支架、心脏瓣膜牙科矫正中的镍钛牙箍血管介入手术中的导管等。人工关节、骨骼固定件、牙齿固定件形状记忆合金在医疗器械领域主要应用有人工关节、骨骼固定件、牙齿固定件、人工肾脏泵、能动型内窥镜、杀伤癌细胞置针等。贴片式胰岛素泵智能医疗器械微执行器利用SMA驱动性能、恢复大形变能力可以以丝材替代器械中的控制单元结构、微执行器单元以达到微小精准的位移控制。3C行业镜头防抖SMA代替音圈电机用作防抖在OSI中的应用康郡机电的行程扩展技术能将图像稳定性提高50%大推力SMA在智能手机摄像头中提供的推力是VCM的10倍钛丝的振动线性马达柔性电子器件镍钛合金用于制造柔性电子器件利用镍钛合金材料的柔性和耐用性制作可弯曲的显示屏和传感器汽车按摩座椅钛丝受热拉动气阀实现按摩功能。在汽车应用上SMA 多作为线制动器如后视镜折叠、温度控制副翼、锁控和热制动器如发动机温度控制、碳化合物发动机润滑、动力离合器工业电磁锁记忆合金管接头低温下适当膨胀应用时将套管套在需要连接的接头上加热后收缩回初始形状紧紧包覆主管接头。形状记忆合金在机械工业领域主要应用有各类连接件和紧固件、记忆合金弹簧、智能机器人、能量转换器等。家电热水器热水器等恒温阀芯电饭煲温控阀、百叶窗、空调出风口等【4】应用设计财哥说钛丝参考资料【电阻值】由于不同厂家的制作工艺及加工工艺上存在差别具体的阻值率要根据厂家提供的手册进行计算。1、财哥说钛丝博客计算方法PS如上的奥氏体和马氏体的阻值率写反了应该是高温加热马→奥低温恢复奥→马马氏体的阻值更高举例0.15mm直径长度100mm钛丝奥氏体R80uΩ*100mm/0.0177mm²800/1774.52Ω马氏体R100uΩ*100mm/0.0177mm²1000/1775.65Ω2、志联记忆计算方法R电阻【Ω/m】*长度【驱动电流/响应时间】以上参数均参考同一个公式QI²Rt1、响应时间如上图所示需要更快的响应时间相变温度所需要的加热功率不变的情况下需要更大的供电加热电流和供电加热电压但同时也会影响到寿命。2、驱动电流可参考厂家手册的推荐电流和通电时间如标题1电阻值中的截图所示。也可通过I²Q/RT自己设计需要考虑到寿命参数。【驱动力】基本公式为FPS【其它设计tips】1、不同应力下合金丝相变温度不同。随负载增加相变温度升高。2、在空间充裕的情况下厂家建议使用钛丝。3、驱动电流和保持电流若设计需要钛丝保持奥氏体状态的话驱动电流和保持电流存在差异核心问题是空气散热的对流系数。驱动方式恒压、恒流、恒功反馈补偿方式电流反馈、电压反馈、温度反馈及相关补偿恢复时间补偿泄放和散热推荐电路【行程开关驱动控制】工作原理驱动系统的MCU下达驱动指令后供电系统通过S1开关直接上电给钛丝钛丝通电收缩带动驱动滑块执行驱动动作驱动滑块执行到行程开关位置后完成驱动机构的执行工作。同时行程开关被关闭反馈驱动机构执行结果给控制系统停止驱动指令同时钛丝的供电被断开钛丝冷却恢复过程中带动驱动滑块执行返回归位。这时驱动机构完成驱动指令和恢复归位。方案特点1钛丝直接由供电系统供电不需要调试电流和时间无需软件编程硬件电路结构简单。2一般用于电流和控制时间要求比较低、负载数量少的情形。注意事项1供电系统电压不可过高驱动机构数量不可过多否则负载过大容易造成死机或重启。2有些应用场景下会出现行程开关损坏或意外造成开关无法动作有时会烧坏钛丝这个时候可以加多一级行程开关用于驱动监控和保护避免上述现象。应用案例无人售货机、快递柜等简单的电子锁、简易开合机构。【恒压驱动控制】工作原理驱动系统的MCU下达驱动指令后启动恒压芯片直接给钛丝一个恒定的电压驱动钛丝通电收缩驱动机构完成执行动作。MCU预先设定好了驱动时间时间达到后停止恒压芯片工作钛丝的供电被断开钛丝冷却恢复驱动机构返回归位。方案特点1无软件门槛硬件电路结构简单。2驱动机构的响应时间稳定。3对供电系统的负载较小。注意事项1需控制驱动机构和供电系统之间的连接线路阻值尽量小否则可能会导致驱动机构供电电流不足。2恒压驱动一般采用的DC TO DC芯片如线性LDO、升压、降压等芯片采用这类的驱动时需要注意钛丝的奥氏体和马氏体转化过程中电阻值会变化我们需要根据这2个电阻值重新核算钛丝的驱动电压范围避免钛丝驱动电流过大或过小的问题。【恒流驱动控制】工作原理恒流驱动的工作原理和恒压相似仅电路驱动和钛丝采用了串联的方式。恒流驱动可以采用传统的模拟恒流也可以采用集成度高的恒流芯片或LED灯的驱动芯片这些资源都非常的丰富。方案特点1无软件门槛硬件电路结构简单比较节能省电。2驱动机构的响应时间比恒压驱动要相对稳定。注意事项需控制驱动机构和供电系统之间的连接线路阻值尽量小否则可能会导致驱动机构供电电压不足。应用案例无人售货机锁、快递柜锁、箱包锁、指纹锁、记事本锁等简易开合机构。【恒功驱动控制】工作原理恒功控制是利用了焦耳定律的QI²Rt热功率电流²×电阻×时间。驱动系统的MCU下达驱动指令后MCU发出可控的PWM波驱动开关作用的MOS管工作。当开关管打开后供电系统经过钛丝和开关MOS管再经过电阻到地完成钛丝的通电加热执行驱动。在这个过程中开关MOS管对地的电阻起到两个作用1限流保护供电系统的稳定性2将供电系统通过钛丝的电流转换成电压形式经过电容滤波后反馈给MCU的ADC去计算其电流是否超标。当电流超标的情况下MCU通过调整PWM的占空比来控制开关MOS管校正我们设计的功率。方案特点1驱动机构的响应时间和位移指标可通过软件精准调整。2功耗更低省电节能可以用在功耗要求较高的场景。3可拓展钛丝更多的功能应用。注意事项软件工程师需要了解钛丝驱动的热功方程、电阻定律、焦耳定律参考本文第1节。应用案例手机镜头防抖、云台防抖、机器人、无人机拓展功能、汽车风路控制、汽车流体控制。【驱动保持控制】工作原理驱动保持控制的两个步骤恒功驱动参考《表1钛丝位移形变热功方程模拟计算表》对钛丝通电驱动让执行机构完成执行动作。驱动保持根据产品实际的结构空间情况计算或测量温度的损失做温度补偿电流控制使其驱动机构内的钛丝的温度始终维持在100°波动区间在10°的范围。【环境温度补偿设计】工作原理我们在恒功驱动的基础上增加一个普通的电阻和NTC热敏电阻这样就可以做到简单有效的环境温度的补偿设计。考虑到节能的问题我们需要MCU提供一个端口提供高电平作为环境温度检测的供电系统当NTC热敏电阻伴随环境温度变化而发生变化时MCU还需提供一个ADC脚来采集NTC变化的电压。我们再通过软件的计算补偿实时的调整PWM的输出占空比消除环境温度的偏差达到对钛丝稳定驱动的闭环效果。例如规格∅0.15mm长度100mm的钛丝从环境温度20°通过0.5S的响应时间达到驱动温度100°带入Qcm(t−t0)我们得到需要的驱动电流是 581mA。当环境温度降低10°我们就给Qcm(t−t010°)我们得到需要的驱动电流是 616mA。当环境温度提升10°我们就给Qcm(t−t0-10°)我们得到需要的驱动电流是 543mA。通过环境温度补偿设计就可以消除环境温度的差异对驱动机构带来的影响进一步提升了钛丝驱动的可靠性和稳定性。注意事项软件工程师一般情况下会考虑经济问题充分利用MCU的端口如需做环境温度的补偿设计需要预留2个端口一个ADC一个任意可以提供高电平的端口。应用案例手机镜头防抖、云台防抖、机器人、无人机拓展功能、汽车风路控制、汽车流体控制。【温度闭环控制设计】在一些可靠性要求较高的产品应用当中需要对钛丝驱机构实现温度监测反馈和闭环控制。驱动钛丝极小的线径导致了一般的温度检测传感器难以准确测量钛丝的实际温度我们可以结合钛丝的物理特性通过测量钛丝的电压和电阻同样可以达到闭环监测目的。工作原理我们在恒功驱动的基础上将钛丝置于MOS对地的位置通过钛丝靠近MOS的一端采集电压数据给到MCU的ADC由于钛丝本身的电阻是随温度的变化而变化这样就可以实时监控钛丝的驱动过程中的对应温度变化情况。【任意定位驱动控制】工作原理任意定位驱动控制是在温度闭环控制设计的基础上做更加精细的软件控制思路实现位移或定位的精准控制。【矩阵式驱动控制】矩阵式驱动一般应用于数量较多或大规模的钛丝驱动机构的情况下。矩阵式驱动有很多种类电子工程师一般都可以根据自己的实际情况灵活调整本案例给出其中一种表现形式供大家参考。矩阵式驱动的重点是结合MCU本身的资源能力给出最有效的矩阵设计思路软件工程师通过矩阵的数量设定合适的周期和对应的占空比。工作原理本例依然采样PWM恒功驱动的设计方案驱动4组钛丝驱动机构。通过软件控制:P1、P2、P3、P4实现驱动钛丝的L1、L2或L3、L4 或L1、L4或 L2、L3的4种驱动状态达到矩阵控制和交叉矩阵控制的目的。本例中的软件控制可以采用4组PWM也可以采用2组PWM 我们的软件工程师需要结合MCU的资源去灵活调整。注意事项矩阵式驱动方案需要足够的供电系统的支持我们需要考虑同时驱动多少数量的钛丝。单片机的频率是否满足扫描周期的占空比控制。应用案例手机镜头防抖、云台防抖、机器人、无人机拓展功能、汽车风路控制、汽车流体控制。【5】参数摸底【负载/响应时间测试】测试条件100mm直径0.2mm厂家推荐应用负载≤5.3N驱动电流1A通电时间≤1S应变≤3.5%测试环境如下图通电时间1s停止散热10s负载驱动电压电流峰值响应时间应变长度波形结论空载3V1.1A315ms4mm应力和响应时间成正向影响200g(1.96N)3V1.1A420ms4mm500g(4.9N)3V1.1A525ms4mm500g(4.9N)3.3V1.2A420ms4mm通电电流加快响应时间QI²RT【相变温度测试】测试条件持续3.3V通电通电时间1s停止散热5s测试环境常温热电偶贴图示位置进行测试采样精度不够此图只有变化趋势有参考意义【简易寿命测试】样本一测试条件驱动电压负载总计状态图片通电时间1s停止散热10s3V500g3H981次正常一直通电3V500g30min通电时间1s停止散热5s3.3V500g12H搭建PCB板强度不够断开钛丝无异常断续持续通电温度测试3.3V500g5H左右断裂样本二测试条件驱动电压负载总计状态图片制冷剂测试3.3V500g喷四到五次正常通电时间1s停止散热5s3.3V500g5H(3000次正常测试工装顶部脱胶钛丝无异常通电时间1s停止散热5s3.3V500g4H15min(2550次)断裂样本三测试条件驱动电压负载总计状态图片通电时间1s停止散热5s3.3V500g34H(20400次)断裂【6】可靠性测试测试工装示意图原理图工装示意图样本1日期/时间收缩距离图片测试次数2025.8.2610304.6mm12025.8.2710004.41mm144002025.8.2719004.26mm198002025.8.289504.28mm288002025.8.2817504.27mm336002025.8.2911:30预计39600样本2:前期测试数量不够2025.9.5跟厂家索要了第二批钛丝厂家回复这批材质有做优化进行第二轮测试同时测试两根一根有传感器监控长130mm命名为A一根无传感器监控140mm命名为B通电电压4.6V电流极限值是0.9A10秒一次上下电周期日期/时间收缩距离图片测试次数2025.9.518003.83mm12025.9.910003.6mm31680持续88小时2025.9.1018003.6mm43200持续88小时2025.9.119003.37mm48600持续135小时2025.9.1210473.4257240持续159小时2025.9.14070238A钛丝断了累计run7天共计60480次测试时日比较长过程中出了一些意外A钛丝有一次被其他人拿走了电源中断了12h中间由于其他紧急项电脑用于其他用途的时间由于操作失误取走电脑时未断钛丝电源钛丝一直负载2h所以预估A钛丝的实际寿命要大于60480次理想测试寿命参考B钛丝2025.9.15104783520B钛丝连续run9天16小时10秒一次上下电共83520次2025.9.16190095040B钛丝刚刚好连续run11天断了高低温测试日期/时间温箱温度测试参数环境图片图片2025.9.1914:3060摄氏度2025.9.2211:3060摄氏度钛丝通电正常变化但工装塑料部份全部软化此时负载已没有500g