“靈氣”的智能材料

人類(lèi)歷史的發(fā)展，與材料、工具的改進(jìn)是密不可分的。從石器時(shí)代、銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代到如今，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，又出現(xiàn)了許多性能奇異的新型材料，其中智能材料就是最引人注目的材料之一。智能材料是指能感知外界環(huán)境或內(nèi)部狀態(tài)所發(fā)生的變化，并且能通過(guò)自身的或外界的某種反饋機(jī)制，適時(shí)地將材料的一種或多種性質(zhì)改變，作出某種響應(yīng)的材料。

形狀記憶合金是智能材料中的一種，據(jù)說(shuō)是美國(guó)海軍研究所在一次制作鎳－鈦合金絲的試驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)的。鎳－鈦合金絲的初始形狀如卷曲的線團(tuán)，在試驗(yàn)中必須將它們一根根地拉直才可使用。但當(dāng)溫度升到一定值時(shí)，奇怪的現(xiàn)象出現(xiàn)了，這些被拉直的細(xì)絲，突然又恢復(fù)到原來(lái)卷曲的狀態(tài)，其形狀與當(dāng)初一模一樣。反復(fù)多次試驗(yàn)，結(jié)果均一樣。這一發(fā)現(xiàn)引起了科學(xué)家們的極大興趣，他們對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行深入和反復(fù)的研究，發(fā)現(xiàn)很多合金都具有這一特性。即人們可以根據(jù)需要，在一定溫度范圍內(nèi)任意改變它們的形狀，可是到達(dá)某一特定溫度時(shí)，它們便一個(gè)個(gè)自動(dòng)地恢復(fù)自己的原貌，分毫不差。即使這種“改變一恢復(fù)”的過(guò)程重復(fù)500萬(wàn)次，仍然“記憶”能力不減，可以100%的恢復(fù)它們的原狀。不久，這一具有“形狀記憶”效應(yīng)的智能材料就被應(yīng)用于1969年7月美國(guó)科學(xué)家登月的世界壯舉之中。

當(dāng)1969年7月20日美國(guó)登月飛船“阿波羅”Ⅱ號(hào)到達(dá)380000千米以外的月球之后，月球與地球之間的信息溝通是依賴于一個(gè)直徑數(shù)米的半球形的天線來(lái)完成的。人們?cè)陔娨暺聊簧峡粗@個(gè)直徑數(shù)米的龐然大物，可心里在納悶：如此大的天線怎么能裝進(jìn)比它更小的登月艙里送上太空呢？原來(lái)奧秘在于半球形天線是采用一種智能材料——NiTi記憶合金制成的。在宇宙飛船發(fā)射之前，在室溫條件下，用極薄的NiTi記憶合金絲制作正常大小的拋物凸?fàn)钐炀€，然后降低溫度，把經(jīng)過(guò)形狀記憶處理的NiTi拋物凸?fàn)钐炀€折成直徑小于5厘米的球狀放入飛船。飛船進(jìn)入太空后，通過(guò)加熱或利用太陽(yáng)能使合金絲升溫，當(dāng)溫度升高至一定溫度后，被折疊成球狀的合金絲團(tuán)就自動(dòng)打開(kāi)。成為原先定形的拋物凸?fàn)钐炀€。

為什么NiTi類(lèi)合金具有形狀記憶能力？這是由于在幾種不同金屬混合而成的合金中，金屬原子按一定的方式排列起來(lái)，當(dāng)受到一定的外力時(shí)，它們可以離開(kāi)原來(lái)的位置而“遷居”到鄰近的另一個(gè)地方。這種原子的遷居不是一個(gè)個(gè)地進(jìn)行，而是一定范圍內(nèi)的原子集體位移，俗稱軍隊(duì)式相變。原子遷居的過(guò)程，也就是金屬在外力作用下發(fā)生形狀改變的過(guò)程。當(dāng)我們對(duì)材料加溫，原子獲得一定的能量，又從暫住地遷回原地。這就是有靈性的金屬加熱到一定溫度后又“記起”自己模樣而恢復(fù)原狀的過(guò)程。而這個(gè)“喚醒”形狀記憶合金并使它們發(fā)生改變的溫度叫“轉(zhuǎn)變溫度”。不同的形狀記憶合金有不同的轉(zhuǎn)變溫度。各種形狀記憶合金在轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)晶體結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，當(dāng)?shù)陀诖藴囟葧r(shí)，用外力改變合金的形狀，合金的外形發(fā)生了變化。但此時(shí)合金的晶體結(jié)構(gòu)處于一種不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀況，只要溫度一達(dá)到合金材料的轉(zhuǎn)變溫度，這種不穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)就會(huì)立即轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這樣就使得它們從不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)時(shí)被改變的形狀恢復(fù)成原來(lái)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的形狀，這就是形狀記憶合金做成的物體能夠“回憶”起原來(lái)形狀并發(fā)生變化的原因。經(jīng)過(guò)科學(xué)家們的多年努力，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一系列形狀記憶的智能新產(chǎn)品，主要有鎳－鈦系、銅系和鐵系。這些新材料在高科技工程、自動(dòng)控制等方面大顯身手，發(fā)揮了重要作用。例如，用形狀記憶合金制備管子的接頭和緊固件有著傳統(tǒng)方法不可比擬的優(yōu)越性。先用形狀記憶合金加工成內(nèi)徑比連接管外徑小4%的套管，然后在液氮溫度下，將套管內(nèi)徑擴(kuò)大約8%，將套管從液氮中取出，套入欲連接的兩管子的一端，當(dāng)溫度升至常溫時(shí)，套管收縮成緊固的密封件，這種裝備施工的連接方法不僅方便、快捷，而且密封程度極高。在技術(shù)上，遠(yuǎn)勝過(guò)一般的焊接。在飛機(jī)復(fù)合材料的機(jī)翼蒙皮、水平舵、垂尾及機(jī)身的重要區(qū)域埋人光纖傳感陣列，與外接信號(hào)處理系統(tǒng)、控制執(zhí)行系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連接，構(gòu)成遍布全身的神經(jīng)系統(tǒng)，形成所謂的“智能飛機(jī)”。這樣的智能飛機(jī)的機(jī)翼可以像魚(yú)尾一樣彎曲，自動(dòng)改變形狀，從而改進(jìn)升力或阻力。若在戰(zhàn)斗過(guò)程中，智能飛機(jī)可根據(jù)敵方雷達(dá)波的頻率和方向來(lái)改變自身的形狀和吸波能力，從而達(dá)到隱身的目的。在飛行結(jié)束后，智能飛機(jī)將飛行過(guò)程中各種損傷等信息存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)，供給地面維護(hù)人員作為維護(hù)及保養(yǎng)飛機(jī)的參考資料。具有自我調(diào)節(jié)功能的汽車(chē)懸架可以自動(dòng)識(shí)別路面的變化，并相應(yīng)改進(jìn)自身的剛度，使乘客感到舒適。在鋼筋混凝土中埋入光纖傳感器，可對(duì)高層建筑及大壩的溫度、壓力裂紋應(yīng)變進(jìn)行主動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制。若與通用光纖網(wǎng)相連，可實(shí)現(xiàn)大樓的管理自動(dòng)化，管理與監(jiān)測(cè)建筑物內(nèi)包括空調(diào)、照明、電器、電梯、安全通道、防盜、火警等各種服務(wù)設(shè)施與設(shè)備，形成智能大廈。

此外，智能材料還在人體脊柱矯形棒、人工關(guān)節(jié)等醫(yī)學(xué)生化領(lǐng)域獲得應(yīng)用?，F(xiàn)在科學(xué)家正在研制具有自適應(yīng)性并能響應(yīng)環(huán)境條件變化的薄膜，它可以通過(guò)控制釋放乙烯氣來(lái)適當(dāng)控制蔬菜及水果的熟化，并在包裝的窗口顯示出什么時(shí)候是最佳的食用時(shí)間，使用后它在較短的時(shí)間內(nèi)自己溶解消亡，溶入環(huán)境，不會(huì)造成污染。

隨著智能材料的不斷發(fā)展，其材料已不僅僅局限于金屬和合金，其“靈氣”越來(lái)越多地發(fā)現(xiàn)于陶瓷、高分子材料和復(fù)合材料之中。智能材料更廣泛地應(yīng)用在醫(yī)療、民用建筑、電子、機(jī)械、航空航天、日常生活等領(lǐng)域中，前景十分樂(lè)觀。