记忆合金应用领域及原理解析

记忆合金

Shape Memory Alloys

我们常常用“铁树开花”来比喻事情非常罕见或极难实现。其实这个成语适用于在北方种植的铁树（又名苏铁），因为它喜欢南方温暖潮湿的气候，如果移植到寒冷干燥的北方，就很难正常地开花结果。不过，铁树毕竟是一种活的绿色植物，假使给它制造合适的生长环境，即便在北方，它也会经常开花甚至结果。但你能想象一朵“金属花”，它由坚硬而毫无生命迹象的金属制成，也会绚烂绽放吗？

实验装置

形状记忆合金花、热涨弹簧、热缩弹簧（如图1所示）、盛水的容器两只、冷水和热水，竹镊子等。

图1　形状记忆合金花、热涨（缩）弹簧

现象观察

1.形状记忆合金花绽放与闭合现象观察

两个容器分别盛有冷水和热水，记忆合金花没有放入水中时是闭合的。把花朵浸入热水，可以看到花朵绽开，从热水中取出盛开的合金花，如图2（a）所示。然后把它浸入冷水或者置于空气中，会看到花朵慢慢闭合成原来的样子，如图2（b），像是能记住原来的形状一样。再放入热水中，花朵重又绽放，放入冷水又会闭合。重复多次都是一样的结果。

图2　不同温度环境中的记忆合金花的状态

2.热涨和热缩弹簧的现象观察

两根记忆合金弹簧中，较短的那根是热涨弹簧，较长是热缩弹簧。首先把热涨弹簧放入热水中，弹簧会迅速伸长，用竹镊子夹出放入冷水中，它会迅速缩短成原来的形状。再放入热水，又会伸长，可以不断重复。同样的，热缩弹簧也有类似的现象，只是它放入热水会收缩，放入冷水会伸长到原来的形状。

现象解密

形状记忆合金难道真的像人一样，能够记起自己以前的样子，从而在合适的条件下，有意识地恢复到原来的形状吗？答案当然是否定的。记忆合金能够在一定条件下恢复到原来的形状，不是它存在意识，而是源于一种它自身结构的热弹性马氏体相变。以典型的镍钛记忆合金为例，在不同的温度条件下，它存在两种结构不同的晶体结构相——马氏体相和奥氏体相，如图3所示。这两种相结构会随着温度的变化而相互转换，马氏体相是在温度较低情况下的状态，而奥氏体是温度较高时的状态，两种相发生转变的温度称为相变温度。一般的镍钛记忆合金的相变温度为40℃，也就是说，在40℃以下，这种合金以马氏体晶体结构相存在，而在40℃以上，则以奥氏体晶体结构相存在。如果我们制作的记忆合金花在奥氏体相下是盛开的，则温度降低到相变温度以下后，花朵会转变为马氏体相，花朵闭合；但当温度再次升高到相变温度以上，合金花又会转变为奥氏体相，回到原来盛开的样子。原来，记忆合金在相变温度上下存在两种截然不同的晶体结构相才是它神奇记忆功能的真正原因。

图3　镍钛记忆合金的两种基本相结构(www.xing528.com)

除了镍钛记忆合金，人们在铜锌、铜铝镍、铜芯铝等几十种合金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应，有关形状记忆合金的研究和应用也逐渐成为科学研究的一个重要课题。

应用拓展

独特的形状记忆功能，决定了记忆合金的广泛应用前景。目前记忆合金已经在航空航天技术、机械控制、热机和医疗等领域得到了应用。

早在1969年美国的登月计划中，就已经用记忆合金在常温下制作成天线，然后于低温下把它压成一团放入登月舱，如图4所示。登上月球后，在太阳光的照射下，月球表面的温度使记忆合金天线的晶体结构发生相变，重新“记起了”本来的形状，变回一个巨大的球形天线。

图4　记忆合金制作的天线用于航天

形状记忆合金还适用于热机械和自动化控制方面，如制成智能控制开关等。另外，用记忆合金制成套管可以代替焊接，在管道结合领域效果非常好。

图5　魔力水车和其工作示意图

图5（a）是中国科技馆展出的利用形状记忆合金制作的“魔力水车”，它的一部分浸入热水槽中，另一部分暴露在空气中。热水和空气之间的温差，可以使得这个水车像“永动机”一样转动不停。原因如图5（b）所示，当记忆合金制作的水车叶片进入热水后，它的晶体结构相发生变化而叶片展开，对热水产生一个作用力，在水的反作用力的推动下产生转动；当叶片出水后，在较低室温下自动恢复卷曲的样子。整个水车的叶片连续地出水、入水，叶片的卷舒给水车提供了持续不断的动力，这样水车就不停地转动起来。

图6　记忆合金接骨

记忆合金在医疗上的应用也是令人侧目的。譬如，在较低温度下用记忆合金接骨板固定断骨，手术完成后记忆合金在体温作用下恢复原来的形状，产生的收缩力把断骨牢牢接合在一起。图6是一部分医用的记忆合金接骨板。此外，矫牙用的矫齿丝、脊柱矫直用的支板、血栓滤器和人造心脏等医疗器材，都是利用植入人体后体温的作用来工作的。

思考题

1.形状记忆合金真的像人一样具有有意识的记忆吗？它的记忆机理是什么？

2.请利用形状记忆合金的神奇特性，给出一个小制作的设计方案。