五、永不忘本的材料——形狀記憶合金

早在六千多年前，人類就發(fā)現(xiàn)并使用了金屬銅，公元前五世紀(jì)前后又逐漸使用了鐵器以及金、銀、鐵、鋁等其他金屬。但是能夠像聰明而智慧的高級(jí)生物那樣具有記憶能力的金屬，人們卻聞所未聞，甚至難以想象。如今，這種能夠“記憶”住形狀的合金，確確實(shí)實(shí)在我們面前出現(xiàn)了，這真令世人大開(kāi)眼界，拍手叫絕！

1932年瑞典人奧蘭德在金-鎘合金中首次觀察到這種“記憶”效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)尚未引起人們的關(guān)注。1963年，美國(guó)海軍軍械研究所科學(xué)家比勒在一項(xiàng)試驗(yàn)中需要使用鎳-鈦合金絲，但當(dāng)時(shí)領(lǐng)回來(lái)的合金絲都彎彎曲曲，無(wú)法使用，便將其一根根拉直。但在隨后的試驗(yàn)中，一個(gè)神奇的現(xiàn)象出現(xiàn)了：當(dāng)溫度升到一定值時(shí)，這些已經(jīng)被拉得筆直的合金絲，突然又魔術(shù)般地恢復(fù)了原形，更令人驚訝的是：形狀的恢復(fù)竟和原來(lái)不差分毫！多次反復(fù)試驗(yàn)結(jié)果完全一致，被拉直的合金絲只要到達(dá)某一個(gè)特定溫度后，便立即恢復(fù)原形。就好像一條被“凍”得失去知覺(jué)的蛇，當(dāng)溫度升高到一定值后，突然“甦醒”過(guò)來(lái)，重新恢復(fù)“記憶”一般。“形狀記憶效應(yīng)”和“形狀記憶合金”（Shape Memory Alloy，SMA）便由此得名。如圖4-5（a）所示為一根由銅鋅鋁組成的形狀記憶合金（稱為CZA合金）彈簧，在其特征溫度（T_m）65℃～85℃（溫度值由材料配方而定）時(shí)預(yù)先加工成一定形狀（200cm），當(dāng)對(duì)它進(jìn)行熱處理幾分鐘至半小時(shí)后，便“記憶”住了被加工成的形狀。然后在室溫下無(wú)論形狀怎樣變化，比如如圖4-5（a）所示壓縮成為45 cm，一旦將它的溫度升至T_m后，便重又恢復(fù)成原來(lái)被加工成的形狀。如圖4-5（b）所示的鎳和鈦合金（稱為NT合金）形狀記憶裝飾花，在65℃～85℃的特征溫度下加工為圖4-5（b）左邊的開(kāi)放形式，室溫時(shí)又令其呈閉合花蕾狀，當(dāng)使用熱風(fēng)等使溫度上升至T_m后，金屬花則又會(huì)自行盛開(kāi)至美麗的原形，動(dòng)作轉(zhuǎn)角可達(dá)180℃，煞是有趣！

通常，合金材料的高溫相母體被稱為“奧氏體”，而降溫產(chǎn)生相變后的結(jié)構(gòu)被稱為“馬氏體”。據(jù)科學(xué)家們推測(cè)，這時(shí)雖然外表沒(méi)有變化，但在加熱和冷卻時(shí)結(jié)晶狀態(tài)是各不相同的，在某個(gè)特定溫度下，金屬原子的排列方式會(huì)發(fā)生突變，晶體結(jié)構(gòu)的這種變化常常是可逆的，被稱為“相變”。例如，含Ti和Ni各為50%的記憶合金，即存在著菱形和立方體兩種晶體結(jié)構(gòu)，在某個(gè)特殊溫度時(shí)這兩種晶體結(jié)構(gòu)能相互轉(zhuǎn)換，形狀也就隨著結(jié)構(gòu)類型而改變。隨后的研究還發(fā)現(xiàn)，除鎳鈦合金外，還先后發(fā)現(xiàn)銅-鋅、金-鎘、鎳-鋁等約二十余種合金也具有記憶功能，但其中“記憶力”最強(qiáng)的當(dāng)屬NT合金Nifinol。但由于NT合金成本昂貴，人們正在尋求廉價(jià)的體系材料，其中最有希望的則是銅系形狀記憶合金。

圖4-5　形狀記憶合金的記憶效應(yīng)示意圖

1969年，鎳-鈦合金的“形狀記憶效應(yīng)”首次在工業(yè)上得到應(yīng)用，用來(lái)制作一種與眾不同的管道接頭。為了將兩根需要對(duì)接的金屬管連接，在高轉(zhuǎn)變溫度T_m時(shí)預(yù)先制作一個(gè)，內(nèi)徑較待接管道外徑小40%左右的形狀記憶合金接頭箍，然后又在低于轉(zhuǎn)變溫度情況下將管徑擴(kuò)大后與兩根待接管道裝配妥當(dāng)（如圖4-6上圖所示），當(dāng)溫度上升到使用溫度后時(shí)，接頭箍便自動(dòng)收縮后與被連接兩管道咬合（如圖4-6下圖所示），從而實(shí)現(xiàn)了不需焊接的牢固緊密對(duì)接，不但免去了麻煩的焊接工藝，而且接封質(zhì)量無(wú)可挑剔。美國(guó)加州Raychem公司生產(chǎn)的Cryofit接頭，在海軍噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)的油壓系統(tǒng)中使用已超過(guò)30萬(wàn)個(gè)，長(zhǎng)年從未發(fā)生過(guò)漏油、脫落或破損事故。如今，在其他工業(yè)和科技產(chǎn)品中的應(yīng)用也很普遍，諸如溫度控制裝置、汽車與機(jī)械零件、集成電路引線等等。

圖4-6　Nitinol形狀記憶合金管道緊密對(duì)接箍結(jié)構(gòu)示意圖

注：上圖為馬氏體擴(kuò)管時(shí)的對(duì)接裝配狀態(tài)，下圖為奧氏體復(fù)原后兩管咬合工作狀態(tài)

形狀記憶合金最引人注目的使用實(shí)例，是1969年7月20日美國(guó)宇航員Armstrong乘坐“阿波羅11”號(hào)登月艙在月球上首次留下了人類足跡時(shí)，必須將一個(gè)傳輸月球和地球之間信息的龐然大物——直徑為10米的半球形金屬天線攜上太空。正是形狀記憶合金材料解決了這項(xiàng)史無(wú)前例的難題。即先在其轉(zhuǎn)變溫度以上按預(yù)定要求將天線定形（如圖4-7（a）所示），然后降低溫度再將它壓制成團(tuán)狀小體積裝進(jìn)登月艙（如圖4-7（b）所示），當(dāng)宇航員在月球表面安置完畢以后，經(jīng)陽(yáng)光照射溫度再上升至該合金的轉(zhuǎn)變溫度（77^oC）后，天線“記憶”功能使其恢復(fù)了本來(lái)面貌，即恢復(fù)成一個(gè)巨大的拋物面半球（如圖4-7（c）所示），其均方根精度可達(dá)±0.5mm。試驗(yàn)的完全成功使人類破天荒第一次得到由月球發(fā)回的圖像和聲音，同時(shí)也為這一神奇的新材料爭(zhēng)得了榮譽(yù)。

圖4-7　形狀記憶合金宇航天線自動(dòng)張開(kāi)原理示意圖

經(jīng)過(guò)研究，使用與生物體相容性很好、耐蝕性強(qiáng)的形狀記憶合金材料，使它在臨床醫(yī)療及現(xiàn)代醫(yī)療器械領(lǐng)域也扮演著不可替代的重要角色。例如制作人造骨骼、傷骨固定加壓器、牙科正畸及脊柱矯形器，還可從小腔隙置入各類腔內(nèi)支架、栓塞器、心臟修補(bǔ)器、血栓過(guò)濾器、節(jié)育環(huán)、骨科手術(shù)定型抱合器、人造肛門(mén)等。

形狀記憶合金同樣也與我們的日常生活休戚相關(guān)。例如一種在低溫下定形的記憶彈簧，在熱水中令其伸長(zhǎng)，當(dāng)其遇到冷水時(shí)便會(huì)立即恢復(fù)原狀。該制品可用來(lái)控制浴室水管的水溫，在溫度過(guò)高時(shí)通過(guò)“記憶”功能，可自動(dòng)調(diào)節(jié)或關(guān)閉供水管道，避免燙傷。如果記憶彈簧放在暖氣閥門(mén)內(nèi)，則可用以保持暖房的溫度，當(dāng)溫度過(guò)低或過(guò)高時(shí)，則自動(dòng)開(kāi)大或關(guān)小暖氣閥門(mén)。此外，還可以制作為消防報(bào)警及電器設(shè)備保安裝置。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，記憶彈簧發(fā)生形變，即可啟動(dòng)消防報(bào)警裝置報(bào)警。用記憶合金制作的眼鏡架，如果不小心被碰彎變形，只要放在熱水中加熱，就可恢復(fù)原狀。甚至人們?cè)O(shè)想將來(lái)用記憶合金制造汽車外殼，如果不小心碰癟，只要用電動(dòng)吹風(fēng)機(jī)加溫便可復(fù)原，既省錢又省力，實(shí)在很方便。