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研究报告

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2024-2030全球形状记忆合金(SMA)执行器行业调研及趋势分析报告

第一章形状记忆合金(SMA)执行器行业概述

1.1行业定义及分类

形状记忆合金（ShapeMemoryAlloys，简称SMA）执行器是一种利用形状记忆合金材料在温度或应力作用下能够恢复原始形状的特性，实现机械运动或力传递的装置。SMA执行器具有体积小、重量轻、响应速度快、输出力矩大、驱动电压低、环境适应性强等优点，在航空航天、医疗器械、机器人技术、汽车工业等领域具有广泛的应用前景。SMA执行器按照工作原理可以分为两大类：一类是热激活型SMA执行器，通过温度变化引起SMA材料的相变来实现形状恢复和运动；另一类是应力激活型SMA执行器，通过施加应力使SMA材料发生塑性变形，并在卸载后恢复到原始形状，从而实现运动。热激活型SMA执行器通常采用镍钛合金等材料，其工作温度范围较广，适用于高温环境；应力激活型SMA执行器则多采用铜基或铝基SMA材料，其工作温度范围相对较窄，但响应速度更快。

SMA执行器的分类可以根据不同的标准进行划分。按照驱动方式，可以分为电驱动型、热驱动型、磁驱动型和光驱动型等；按照输出形式，可以分为直线型、旋转型和复合型等；按照应用领域，可以分为航空航天、医疗器械、机器人技术、汽车工业、军事装备等。不同类型的SMA执行器在材料选择、结构设计、驱动控制等方面都有所不同，但共同的特点是都具有形状记忆效应和自恢复能力。随着材料科学和制造技术的不断发展，SMA执行器的性能和应用范围也在不断拓展。

在SMA执行器的分类中，热激活型SMA执行器因其优异的性能和广泛的应用前景而备受关注。这类执行器的工作原理是通过加热或冷却SMA材料，使其从高温或低温的奥氏体相转变为低温或高温的马氏体相，从而实现形状的变化和运动。热激活型SMA执行器具有以下特点：首先，其驱动电压低，适用于低功耗应用；其次，其响应速度快，可以快速实现形状变化和运动；再次，其输出力矩大，可以满足较大负载的应用需求；最后，其环境适应性强，可以在高温、低温、潮湿等恶劣环境下稳定工作。因此，热激活型SMA执行器在航空航天、医疗器械、机器人技术等领域具有广泛的应用前景。

1.2SMA执行器的工作原理

(1)SMA执行器的工作原理基于形状记忆合金（SMA）的独特性质。SMA是一种智能材料，能够在一定条件下从一种形状转变为另一种形状。这种转变通常是通过温度变化触发的。SMA材料在室温下通常处于马氏体相，而当温度升高到某一临界值时，材料会转变为奥氏体相，这种转变称为相变。在相变过程中，SMA材料的尺寸和形状会发生显著变化，这一特性被广泛应用于执行器的设计中。例如，镍钛合金（NiTi）是一种常用的SMA材料，其相变温度范围大约在-50°C到+100°C之间。在航空航天领域，SMA执行器被用于控制飞行器的表面形状，如机翼的形状调整，以提高飞行效率。

(2)SMA执行器的工作过程可以分为三个阶段：预变形阶段、相变阶段和恢复阶段。在预变形阶段，SMA执行器被施加一个预定的变形，这个变形可以是机械变形或热变形。在相变阶段，通过加热或冷却，SMA材料从一种相转变为另一种相，导致执行器恢复到预变形前的形状。这个过程通常伴随着较大的形变，例如，镍钛合金在从马氏体相转变为奥氏体相时，其长度可以增加约8%。在恢复阶段，执行器在预变形状态下保持形状，直到再次加热或冷却触发相变。例如，在医疗领域，SMA执行器被用于心脏支架的展开，支架在植入后通过加热恢复到预定的形状，从而支撑受损的心脏血管。

(3)SMA执行器的驱动和控制通常通过电加热或冷却实现。电加热可以通过电流通过SMA材料产生热量，而冷却则可以通过外部冷却系统实现。这种驱动方式具有快速响应的特点，例如，SMA执行器的响应时间可以从毫秒级到秒级不等，具体取决于执行器的尺寸和驱动功率。在实际应用中，SMA执行器的控制可以通过微控制器或专用驱动器实现，这些设备可以精确控制执行器的温度或电流，从而实现精确的运动控制。例如，在机器人技术中，SMA执行器被用于制作柔性关节，这些关节可以根据需要进行形状和位置调整，以提高机器人的灵活性和适应性。

1.3SMA执行器的主要应用领域

(1)在航空航天领域，SMA执行器被广泛应用于飞行控制系统的设计。例如，机翼的形状调整、襟翼的自动控制以及飞行器的姿态控制等方面。SMA执行器能够快速响应飞行员的指令，实现精确的飞行控制，提高飞行安全性和效率。此外，SMA执行器在卫星展开、天线调整等方面也发挥着重要作用。

(2)在医疗器械领域，SMA执行器具有广泛的应用前景。例如，在心脏支架的展开、血管内支架的释放以及神经刺激器等方面，SMA执行器能够实现精确的控制和调整，提高手术成功率