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嘉峪檢測網(wǎng) 2021-06-28 13:06
20世90年代，我國在對秦始皇陵進行發(fā)掘的過程中，在整理一號坑的時候，發(fā)現(xiàn)一把被陶俑壓彎了的青銅劍，其劍身彎曲小于90°。當人們搬離陶俑之后，讓人吃驚的事情發(fā)生了，又窄又薄的銅劍在一剎那間出現(xiàn)了反彈，一下子就自然恢復到正常形狀。莫非“形狀記憶合金”早在2000多年前就已經(jīng)被我們的“老祖宗”搞出來了？
“形狀記憶合金”現(xiàn)在已經(jīng)被普及使用，應用領域非常廣，甚至連女性的文胸也被使用，被人稱為“記憶罩杯”。但你有沒有想過，20世紀的科學技術居然會出現(xiàn)在公元前200多年的古墓中？
你相信“眼見為實”嗎？別逗了，你看見的就是真相嗎？你看見的，只代表“你”看見了，僅此而已。材料世界的迷人之處，絕非是靠“看”就能弄明白的！
我，是不是我？
先來點兒餐前的開胃小菜。比如：常態(tài)下，一般的金屬材料在受到外力作用后，首先發(fā)生彈性變形，達到屈服點，就產(chǎn)生了塑性變形，應力消除后就會留下永久的變形。等等，這是什么卵？彈性變形、屈服點、塑性變形？是不是懵得不要不要的？簡單說吧：就是用手把一根鐵絲掰彎，手離開鐵絲后，如果鐵絲沒有彈回到原來的形狀，如果它不再承受任何外力作用，那么它就會永遠保持這種彎曲的狀態(tài)。有沒有一種“山盟海誓，?？菔癄€”的“趕腳（感覺）”？（哇，鐵絲妹妹終于找到真愛了！）
言歸正傳，上述只是一般情況下，注意是“一般情況”。那么有沒有“特殊情況”？（你居然不信我！我的心碎了一地的渣渣……）有些金屬材料，一般是2種以上金屬元素組成的合金，在低溫下受到外力作用時，形狀發(fā)生改變，當經(jīng)過合適的熱過程時，合金就會恢復到變形前的形狀，這種效應被稱為“形狀記憶效應”。具有形狀記憶效應的合金，當然就是形狀記憶合金啦。
為了研究形狀記憶效應的原理，我們要做微觀分析。那么對于記憶合金，在高溫下，它的原子排列方式被稱為“母相”，而在低溫下它的原子排列方式被稱為“馬氏體相”。在記憶合金中有熱彈性馬氏體，熱彈性馬氏體的特點就是隨著溫度的降低它會持續(xù)生長，隨著溫度的升高它又持續(xù)消失，這種相變就被稱為“熱彈性馬氏體相變”。
關于相變，有一些關鍵的溫度參數(shù)。溫度降低的過程，是馬氏體相變的過程；溫度升高的過程，是馬氏體相逆相變?yōu)槟赶嗟倪^程（見圖1）。所以熱彈性馬氏體相變和它的逆相變是形狀記憶效應的根本原理。
圖1 形狀以及合金相變示意圖
試試“離子燙”吧
1932年，瑞典人奧蘭德在觀察某種金鎘合金的性能時，首次發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應。因為金子真心太貴，用不起啊！形狀記憶合金第一次被放棄。1938年，哈佛大學的A·B·Greninger等學者在一種銅鋅合金中發(fā)現(xiàn)了一種隨溫度的升高和降低而逐漸增大或縮小的形狀變化現(xiàn)象。但這一現(xiàn)象只是被發(fā)現(xiàn)而已，在當時并未引起Greninger等人的重視。這是形狀記憶合金第二次被放棄。
俗話說：越放棄，越強大！1963年，美國海軍研究實驗室（圖3）W·J·Buchler等研究人員奉命研制一種新式艦船裝備材料，當時他們拿來的鎳鈦合金絲，就像一團亂麻，怎么用嘛？無奈之下，只能抽絲剝繭似的將這些金屬絲一根一根拉直，就像給每一根細絲都做了一遍“離子燙”。老費勁了！在實驗的時候，“見證時刻的奇跡到了”：當鎳鈦金屬絲在一定高溫環(huán)境下時，又變回了當初如“一團亂麻”似的樣子，Buchler等人徹底“石化”，“離子燙”白做了！這一團亂麻簡直亂出了新高度，居然與之前“亂”得如此一般不二。“Buchler們”想起了中國有句古語，叫：“夏天穿皮褲，必定有緣故”。
就這樣，“Buchler們”一次又一次地重復著摧毀“離子燙”的實驗，不管鎳鈦合金被改變成何種樣子，遇到之前的那個固定的溫度后立刻被“打回原形”。這種“改變—恢復”的現(xiàn)象循環(huán)往復，就像有了“記憶”一樣，引起了越來越多人們的關注。后來，這種現(xiàn)象就被稱作是“形狀記憶現(xiàn)象”。
1969年7月16日，美國阿波羅11號宇宙飛船成功著陸月球，當尼爾·阿姆斯特朗走出飛船，一只腳踏上月球地面的時候，他說了那句著名的“這是我個人的一小步，卻是人類的一大步。”隨后，他與伙伴巴茲·奧爾德林在月球表面進行了2.5h的月表行走（圖2）。而這些音頻和視頻被無遺漏地傳回到地球，地月平均距離是38.4404萬千米，如此遙遠的距離，如何保證這些影像的傳輸？這就需要再次把那個做了“離子燙”的家伙揪出來。那個跟著阿姆斯特朗和奧爾德林兩個人屁股后面的月球車上頂著一張半球形的網(wǎng)——天線（話說，頂?shù)媚敲锤撸慌略饫着鼏?？月球上會?ldquo;雷”嗎？哈哈），這個網(wǎng)就是用形狀記憶合金制成（圖5）。現(xiàn)將這個天線在低溫下縮成了一團，由宇宙飛船帶到月球，在月球表面，陽光的照射使其升溫，當達到了轉變溫度時，它終于想起來自己長什么樣了。哦，原來自己是個網(wǎng)啊（那我們就愉快的去捕魚吧）。就這樣，形狀記憶合金就把自己在地外露面的“第一次”，貢獻給了人類的航天事業(yè)。
圖2 人類第一次登上月球
圖3 形狀記憶合金月球車天線
“記憶合金家族”朋友圈
那么記憶合金從發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)有80多年的時間，人們不斷在擴大“記憶合金家族”的“朋友圈”，到目前為止已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和開發(fā)具有形狀記憶效應的合金達幾十種，但是只有幾種合金具備有工業(yè)應用價值。一種是鈦鎳合金，作為“記憶合金家族”的“大哥”——鈦鎳合金的綜合性能非常好，但是價格偏高。為了克服這個問題，人們相繼開發(fā)了鐵基形狀記憶合金和銅基形狀記憶合金，這2種記憶合金，雖然綜合性能比鈦鎳合金稍差，但是贏在價格低廉，可以在要求不高的場合使用。2016年，“記憶合金家族”迎來了新成員——鎂基形狀記憶合金，它的最大特點是密度低，只有鈦鎳合金的1/3，所以將來在航空航天上一定會有重要的用途。
近年來，科學家們又發(fā)展了不少改良的鈦鎳合金，這些改良的記憶合金主要是通過添加鈮、銅、鐵、鋁、硅、鉬、釩、鉻、錳、鈷、鋯、鈀等元素，如鈦—鎳—銅、鈦—鎳—鈮、鈦—鎳—鈀、鈦—鎳—鐵、鈦—鎳—鉻等，未來可作為高溫形狀記憶合金材料應用在更高溫度的工況下。日本形狀記憶合金研究協(xié)會還開發(fā)了添加微量的鐵或鉻的鎳—鈦形狀記憶合金，其轉變溫度低至-100℃，可以制作極低溫度環(huán)境下的驅(qū)動器。
我們要應用記憶合金，必須先要了解它的性能特點，記憶合金的性能特點有啥嘞？主要有2點：第一個就是它的形狀記憶效應，也就是說在低溫條件下改變記憶合金的形狀，溫度升高以后它的形狀就會恢復到原來的形狀；第二點就是記憶合金的超彈性，又稱為“偽彈性”。這是怎么回事呢？
對于普通的合金，在外力作用下會經(jīng)歷彈性形變、塑性形變，那么卸載外力后塑性形變是不能恢復的，只有彈性形變可以恢復。那么普通合金的彈性形變的恢復量只有0.2%～0.5%。假如是記憶合金，它收到外力作用，隨著外力的增加，記憶合金會發(fā)生應力誘發(fā)馬氏體，應力誘發(fā)馬氏體會伴隨非常大的應變。這個應變只有在力的作用下才能穩(wěn)定存在，當這個力去掉以后，這個馬氏體又回到原來的母相，它的應變也隨之消失。記憶合金它的可恢復的形變量高達10%左右，但是這個可恢復的形變量不是真正意義上的彈性形變，所以被稱為“偽彈性”。因為記憶合金的可恢復形變量高于普通合金，所以又稱“超彈性”。記憶合金的應用主要基于上述2個性能特點，當然更主要的還是利用形狀記憶效應。
我們的世界里，沒你不行
記憶合金最為我們熟知的應用，莫過其在醫(yī)用材料上，如牙科的牙齒矯正絲，人體體內(nèi)的各種支架包括血管支架（圖4）、腸道支架，骨科的各種固定器（圖5）、矯正器等等。據(jù)統(tǒng)計，全球用于醫(yī)療健康的形狀記憶合金占其總產(chǎn)量的60%還多。現(xiàn)在，在人們的日常生活或者各種高檔的家具家電上也能看到記憶合金的影子，比如說記憶合金的眼鏡架；裝有記憶合金的智能水溫調(diào)節(jié)器；還有空調(diào)記憶合金驅(qū)動的百葉板，它的吹風方向會隨著溫度自動調(diào)節(jié)。
圖4 形狀記憶合金血管支架
圖5 骨科固定器
工業(yè)應用如記憶合金管接頭，其作用就是將2個管子聯(lián)接起來，緊密、不脫落。美國是率先將記憶合金管接頭用在噴氣式戰(zhàn)斗機油壓系統(tǒng)中的國家，用上以后從來沒有發(fā)生過零件脫落、燃油滲漏，可靠性很高。這種記憶合金管接頭的加工過程分為4個步驟：第一步要在高溫母相狀態(tài)下將記憶合金管接頭尺寸、形狀加工好，這時候管接頭的內(nèi)徑要比聯(lián)接的管子的外徑小4%；第二步是將管接頭從高溫母相冷卻室溫，冷卻到室溫以后，將管接頭內(nèi)徑擴建8%；第三步是將聯(lián)接的管子從兩端插入管接頭；第四步加熱、升溫，管接頭中的馬氏體轉變?yōu)楦邷啬赶?，管接頭的形狀恢復到原來的形狀，將2個管子緊固地聯(lián)接在一起。
記憶合金在航空航天領域的應用除文章開頭的介紹的月球車天線外，美國國家航空航天局（NASA）在2017年研發(fā)了一種由形狀記憶合金制造的非充氣式輪胎（圖6），不但更輕、更堅固、更安全，而且可以使用在各種惡劣地形。將來這種輪胎除了應用在火星探測任務中之外，也可以作為傳統(tǒng)輪胎的替代品，在地球上使用。“超彈性輪胎”減少了爆胎的可能性，因此也改善了行車安全。此外這種輪胎的設計也減少了對內(nèi)框的需求，有助于輪胎組裝的簡化，也降低了輪胎的重量。除了安裝在火星探測車上進行太空任務之外，這種輪胎也可以應用在地球上的各式車輛和飛機上，包括軍車、一般汽車、重裝備車輛、農(nóng)用車輛、全地形車等，以適應各種地形的需求。
圖6 NASA研制的記憶合金輪胎計劃用于美國2020年的火星探測
“超彈性輪胎”由形狀記憶合金制造，可在崎嶇不平的地面上平穩(wěn)地行進，當此輪胎遇到石頭之類的突出物時，它會以暫時變形的方式應對，隨后便會恢復原狀，而不會有永久性的損傷?？梢哉f在多地形行駛起來一馬平川。相信形狀記憶合金這種材料未來能夠應用到民用產(chǎn)品上。
再來看一下記憶合金比較“奇葩”也是更為腦洞大開的一種應用。提起Intel，不少人的第一反應就是“處理器”。近幾年，Intel在智能硬件領域也頗有建樹，比如——形狀記憶運動胸罩?？梢跃徑?ldquo;大胸”妹子運動時胸部愛出汗的尷尬。前不久，Intel中國官方微博曝光了一款由Chromat研發(fā)的運動文胸——Aeros Bra（圖7）,其內(nèi)部集成了Intel的Curie平臺芯片，可利用傳感器收集到的人體心跳、體溫等人體數(shù)據(jù)，通過在衣服中集成的形狀記憶合金進行變形，當檢測到用戶出現(xiàn)出汗加劇、體溫上升、心跳加速等狀況時，Aeros Bra的形狀記憶合金便會張開衣服上的排氣孔，幫助用戶散熱。這款爆燃的運動內(nèi)衣獲得許多愛運動的妹子們的喜歡。
圖7 Intel研發(fā)的運動文胸——Aeros Bra
近年來，形狀記憶合金憑借其自調(diào)節(jié)和自控制的性能，被列入了智能材料的行列。有科研團隊正試圖用其研制出一種集記憶功能、驅(qū)動源和控制系統(tǒng)為一體的集成元件；記憶合金材料還有望成為微型機器人的制作材料，其應用領域?qū)⒉辉僖陨镝t(yī)藥領域為主，將會擴展到核反應、加速器、太空實驗等搞技術應用領域。
隨著人工智能的不斷發(fā)展，具有記憶功能的合金材料將會無限滲透到人類生存和生活的方方面面，到那時記憶合金材料對人類來說真正能稱得上是——沒你不行。
來源：新材料產(chǎn)業(yè)
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