記憶金屬

記憶金屬又叫形狀記憶合金。

上個世紀70年代，世界材料科學中出現了一種具有“記憶”形狀功能的合金。記憶合金是一種頗為特別的金屬條，它極易被彎曲，我們把它放進盛着熱水的玻璃缸內，金屬條向前衝去；將它放入冷水裏，金屬條則恢復了原狀。在盛着涼水的玻璃缸裏，拉長一個彈簧，把彈簧放入熱水中時，彈簧又自動的收攏了。涼水中彈簧恢復了它的原狀，而在熱水中，則會收縮，彈簧可以無限次數的被拉伸和收縮，收縮再拉開。這些都由一種有記憶力的智能金屬做成的，它的微觀結構有兩種相對穩定的狀態，在高温下這種合金可以被變成任何你想要的形狀，在較低的温度下合金可以被拉伸，但若對它重新加熱，它會記起它原來的形狀，而變回去。這種材料就叫做記憶金屬（memory metal）。它主要是鎳鈦合金材料。例如，一根螺旋狀高温合金，經過高温退火後，它的形狀處於螺旋狀態。在室温下，即使用很大力氣把它強行拉直，但只要把它加熱到一定的“變態温度”時，這根合金彷彿記起了什麼似的，立即恢復到它原來的螺旋形態。這是怎麼回事？難道合金也具有人類那樣的記憶力？

原來不是那麼回事！這只是利用某些合金在固態時其晶體結構隨温度發生變化的規律而已。例如，鎳-鈦合金在40℃以上和40℃以下的晶體結構是不同的，但温度在40℃上下變化時，合金就會收縮或膨脹，使得它的形態發生變化。這裏，40℃就是鎳-鈦記憶合金的“變態温度”。各種合金都有自己的變態温度。上述那種高温合金的變態温度很高。在高温時它被做成螺旋狀而處於穩定狀態。在室温下強行把它拉直時，它卻處於不穩定狀態，因此，只要把它加熱到變態温度，它就立即恢復到原來處於穩定狀態的螺旋形狀了。

1.彎曲量大，塑性高

2.在記憶温度以上恢復以前形狀。

3.物理特性：當温度達到某一數值時，材料內部的晶體結構會發生變化，從而導致了外形的變化。

形狀記憶合金的高温相具有較高的結構對稱性，通常為有序立方結構。在Ms温度以下,單一取向的高温相轉變成具有不同取向的馬氏體變體。當在Ms温度以下使這種材料變形以製成元件時，材料內與應力方向處於不利地位的馬氏體變體不斷消減；處於有利地位的則不斷生長。最後轉變成具有單一取向的有序馬氏體的元件。如再度加熱到As點以上，這種對稱性低的、單一取向的馬氏體發生逆轉變時，又形成先前的單一取向的高温相。對應於這種微觀結構的可逆性轉變，便恢復了材料在高温時的宏觀形狀，這就是所謂的單程形狀記憶。經過某種工藝處理的記憶元件，冷卻到Ms以下時,可恢復到低温時的形狀,則稱為雙程形狀記憶效應

早在1951年美國人在一次試驗中偶然發現了金-鎘合金有形狀記憶特性，當時並未引起重視，

1953年又在銦-鉈合金發現這類效應，

1963年發現鎳-鈦合金具有形狀記憶特性後，掀起了這類合金研究的熱潮，併產生了多種實用化的新思想，新的形狀記憶合金應運而生，後來還發現了具有雙向記憶效應，即鉚釘如用雙向記憶合金製作時，把鉚好的鉚釘重新降温後，鉚釘又會變直，

形狀記憶合金可以分為三種：

（1）單程記憶效應

形狀記憶合金在較低的温度下變形，加熱後可恢復變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現象稱為單程記憶效應。

（2）雙程記憶效應

某些合金加熱時恢復高温相形狀，冷卻時又能恢復低温相形狀，稱為雙程記憶效應。

（3）全程記憶效應

加熱時恢復高温相形狀，冷卻時變為形狀相同而取向相反的低温相形狀，稱為全程記憶效應。

已開發成功的形狀記憶合金有TiNi基形狀記憶合金、銅基形狀記憶合金、鐵基形狀記憶合金等。

最早關於形狀記憶效應的報道是由Chang及Read等人在1952年作出的。他們觀察到Au-Cd合金中相變的可逆性。後來在Cu-Zn合金中也發現了同樣的現象，但當時並未引起人們的廣泛注意。直到1962年，Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中觀察到具有宏觀形狀變化的記憶效應，才引起了材料科學界與工業界的重視。到70年代初，CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也發現了與馬氏體相變有關的形狀記憶效應。幾十年來，有關形狀記憶合金的研究已逐漸成為國際相變會議和材料會議的重要議題，併為此召開了多次專題討論會，不斷豐富和完善了馬氏體相變理論。在理論研究不斷深入的同時，形狀記憶合金的應用研究也取得了長足進步，其應用範圍涉及機械、電子、化工、宇航、能源和醫療等許多領域。

（1）利用單程形狀記憶效應的單向形狀恢復。如管接頭、天線、套環等。

（2）外因性雙向記憶恢復。即利用單程形狀記憶效應並藉助外力隨温度升降做反覆動作，如熱敏元件、機器人、接線柱等。

（3）內因性雙向記憶恢復。即利用雙程記憶效應隨温度升降做反覆動作，如熱機、熱敏元件等。但這類應用記憶衰減快、可靠性差，不常用。

（4）超彈性的應用。如彈簧、接線柱、眼鏡架，自力式温控開關等。

TiNi合金的生物相容性很好，利用其形狀記憶效應和超彈性的醫學實例相當多。如血栓過濾器、脊柱矯形棒、牙齒矯形絲、腦動脈瘤夾、接骨板、髓內針、人工關節、避孕器、心臟修補元件、人造腎臟用微型泵等。

20世紀是機電學的時代。傳感——集成電路——驅動是最典型的機械電子控制系統，但複雜而龐大。形狀記憶材料兼有傳感和驅動的雙重功能，可以實現控制系統的微型化和智能化，如全息機器人、毫米級超微型機械手等。21世紀將成為材料電子學的時代。形狀記憶合金的機器人的動作除温度外不受任何環境條件的影響，可望在反應堆、加速器、太空實驗室等高技術領域大顯身手。

談到合金，當然要講最有趣的合金--記憶合金。金屬具有記憶，是一個偶然的發現：60年代初，美國海軍的一個研究小組從倉庫領來一些鎳鈦合金絲做實驗，他們發現這些合金絲彎彎曲曲，使用起來很不方便，於是就把這些合金絲一根根拉直。在試驗過程中，奇怪的現象發生了，他們發現，當温度升到一定的數值時，這些已經拉直的鎳鈦合金絲突然又恢復到原來的彎曲狀態，他們是善於觀察的有心人，又反覆做了多次試驗，結果證實了這些細絲確實具?"記憶"。

美國海軍研究所的這一發現，引起了科學界的極大興趣，大量科學家對此進行了深入的研究。發現銅鋅合金、銅鋁鎳合金、銅鉬鎳合金、銅金鋅合金等也都具有這種奇特的本領。人們可以在一定的範圍內，根據需要改變這些合金的形狀，到了某一特定的温度，它們就自動恢復到自己原來的形狀，而且這“改變--恢復”可以多次重複進行，不管怎麼改變，它們總是能記憶自己當時的形狀，到了這一温度，就絲毫不差地原形再現。人們把這種現象叫作形狀記憶效應，把具有這種形狀記憶效應的金屬叫作形狀記憶合金，簡稱記憶合金。

為什麼這些合金能具有這種形狀記憶效應？它們是怎樣記住自己的原形？用一般金屬鍵理論、自由電子理論是難以解釋合金的這種記憶效應的。記憶合金在一定的温度條件下能回覆到原形，為核外電子的運動--隨温度變化的運動，提供了絕佳的例證。

正是由於合金的形成是在高温條件下液態金屬的互熔，由於液態金屬的結構元排異，導致了這種元素的結構元與另一種金屬的結構元相互均布，凝固後，其微觀結構是不同種類的結構元成比例的有序排列，電磁力是構成合金物體的主要內聚力。

電磁力是由價和電子的運轉所形成，而電子的運轉速率隨温度條件而變化的，所以，物體內的電磁力（大小、方向、作用點）也是隨温度條件而變化。由此導致了金屬物體的內力隨温度條件而變化，只是這些變化在小温差範圍內不明顯，只有在較大温度變化（幾百攝氏度）時才有表現。

一般金屬在受力後，能產生塑性變形，如一根鐵絲被折彎了，在折彎部位，電磁力受到外力的干擾，導致產生電磁力的價和電子的運轉平面作出微量調整，一次塑性變形就完成了。

記憶合金由於是不同種類的結構元相互摻和均布，儘管結構元的個子、電磁力的大小不同，但各自都加快了自身的價和運轉，在一定的温度條件下相鄰相安。在受到外力後，電磁力受到外力的干擾，價和電子的運轉平面作出微量角度調整，物體產生塑性變形，在此塑性變形中，部分調整後的價和電子的運轉是不舒展的。當温度條件變化時價和電子的速率隨之變化，當温度回覆到相安舒展的（轉變温度）條件時，不舒展的價和電子的運轉立即回覆到當時的速率，電磁力隨之發生變化，使相鄰結構元的價和運轉也都作出相應的調整，全部回覆到原來的舒展狀態，於是整個物體也都回復到了原來的狀態。這就是記憶合金的記憶過程。

其實，金屬的記憶早就被發現：把一根直鐵絲彎成直角（90° ），一鬆開，它就要回復一點，形成大於90° 的角度。把一根彎鐵絲調直，必須把它折到超過180°後再鬆開，這樣它就能正好回覆到直線狀態，這就是中國成語中所講的矯枉過正。還有記憶力更好的合金就是彈簧，（這裏所説的是鋼製彈簧，鋼是鐵碳合金）彈簧牢牢地記住了自己的形狀，外力一撤除，馬上回復到自己的原來的樣子，只是彈簧的記憶温度很寬，不像記憶合金這樣有一個特定的轉變温度，從而有了一些特別的功用。

利用記憶合金在特定温度下的形變功能，可以製作多種温控器件，可以製作温控電路、温控閥門，温控的管道連接。人們已經利用記憶合金製作了自動的消防龍頭--失火温度升高，記憶合金變形，使閥門開啓，噴水救火。製作了機械零件的連接、管道的連接，飛機的空中加油的接口處就是利用了記憶合金--兩機油管套結後，利用電加熱改變温度，接口處記憶合金變形，使接口緊密滴水（油）不漏。製作了宇宙空間站的面積幾百平米的自展天線--先在地面上製成大面積的拋物線形或平面天線，摺疊成一團，用飛船帶到太空，温度轉變，自展成原來的大面積和形狀。

記憶合金已發展到幾十種，在航空、軍事、工業、農業、醫療等領域有着用途，而且發展趨勢十分可觀，它將大展宏圖、造福於人類。

形狀記憶合金的研究、發現已有十幾種記憶合金體系。包括Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、NiAl、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等

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