一、项目背景
形状记忆合金（Shape Memory Alloy, SMA）因其独特的热-机耦合响应特性，在智能结构与微机电系统中具有广泛的应用前景。Ni-Ti基形状记忆合金作为最典型的SMA材料，其性能核心在于可逆的固态相变行为——即在加热过程中由马氏体相向奥氏体相转变（逆相变），在冷却过程中则发生相反的相变过程。这种相变不仅引起晶体结构的变化，还伴随显著的力学性能差异和热量吸收/释放，是实现驱动功能的基础
二、分析方案
技术手段：采用差热分析（DTA）和差示扫描量热法（DSC）测定相变温度，验证合金稳定性。
实验条件：样品：Ni-Ti SMA悬臂材料（18.275 mg）。温度程序：加热（30°C→160°C，5°C/min）→保温（160°C，10 min）→冷却（160°C→20°C，5°C/min）。环境：动态空气氛围，铝坩埚。
项目 | 内容 |
|---|---|
分析技术 | 差热分析（DTA）、差示扫描量热法（DSC）、热重分析（TGA） |
样品信息 | Ni-Ti SMA 悬臂材料 质量：18.275 mg |
温度程序 | - 加热阶段：30°C → 160°C，升温速率 5°C/min |
坩埚类型 | 铝坩埚（带盖，适用于DSC/DSC-TGA联用） |
关键测量参数 | - 相变起始温度（As, Af, Ms, Mf） |
三、数据解读
图1：DSC数据
图2：加热曲线
图3： 降温曲线
图1所示为DSC热流信号随温度变化的完整曲线，清晰呈现了Ni-Ti SMA在一个完整热循环中的相变行为。在加热阶段（图2），观察到明显的吸热峰，对应马氏体向奥氏体的逆相变过程。通过切线法分析，确定As = 80°C，Af = 111°C，表明在此温度区间内材料逐步恢复原始形状，具备驱动能力。该过程吸收的能量为△H = 36.8858 J/g，反映了相变所需热能输入。在随后的冷却阶段（图3），DSC曲线显示一个宽而明显的放热峰，标志着奥氏体向马氏体的正相变过程。测得Ms = 69°C，Mf = 48.25°C，说明材料在降温过程中逐渐软化并进入易变形状态。对应的焓变为△H = -28.7792 J/g，绝对值略低于加热过程，可能源于部分残余奥氏体未完全转变或存在轻微滞后效应。
值得注意的是，As > Ms且Af > Mf，表现出典型的热滞现象，热滞宽度约为11~13°C，属于Ni-Ti合金正常范围，表明材料具有良好的可重复性和稳定性。此外，TGA结果显示在整个测试过程中质量变化小于0.2%，说明在空气氛围下短时间加热未引发显著氧化或分解，证实材料在160°C以下具有优良的热稳定性，适合在常规环境中长期使用。
过程 | 反应类型 | 起始温度 (°C) | 终止温度 (°C) | 焓变 △H (J/g) |
|---|---|---|---|---|
加热（马氏体→奥氏体） | 吸热反应 | As=80 | Af=111 | 36.8858 |
冷却（奥氏体→马氏体） | 放热反应 | Ms=69 | Mf=48.25 | -28.7792 |
四、结论
通过差示扫描量热法结合热重分析，成功测定了Ni-Ti形状记忆合金悬臂材料在零应力状态下的关键相变温度参数：As = 80°C、Af = 111°C、Ms = 69°C、Mf = 48.25°C，并获得了正逆相变的焓变数据。实验结果表明材料在完整热循环中表现出良好的热响应特性和结构稳定性，相变峰形清晰、重复性好，热滞适中，满足高性能致动器的设计需求