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追忆金属

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  记忆金属,在一定温度范围下发生塑性形变后,在另一温度范围又能恢复原来宏观形状的特殊金属材料。

  上个世纪70年代,世界材料科学中出现了一种具有“记忆”形状功能的合金。记忆合金是一种颇为特别的金属条,它极易被弯曲,我们把它放进盛着热水的玻璃缸内,金属条向前冲去;将它放入冷水里,金属条则恢复了原状。在盛着凉水的玻璃缸里,拉长一个弹簧,把弹簧放入热水中时,弹簧又自动的收拢了。凉水中弹簧恢复了它的原状,而在热水中,则会收缩,弹簧可以无限次数的被拉伸和收缩,收缩再拉开。这些都由一种有记忆力的智能金属做成的,它的微观结构有两种相对稳定的状态,在高温下这种合金可以被变成任何你想要的形状,在较低的温度下合金可以被拉伸,但若对它重新加热,它会记起它原来的形状,而变回去。这种材料就叫做记忆金属(memory metal)。它主要是镍钛合金材料。例如,一根螺旋状高温合金,经过高温退火后,它的形状处于螺旋状态。在室温下,即使用很大力气把它强行拉直,但只要把它加热到一定的“变态温度”时,这根合金仿佛记起了什么似的,立即恢复到它原来的螺旋形态。这是怎么回事?难道合金也具有人类那样的记忆力?

  原来不是那么回事!这只是利用某些合金在固态时其晶体结构随温度发生变化的规律而已。例如,镍-钛合金在40℃以上和40℃以下的晶体结构是不同的,但温度在40℃上下变化时,合金就会收缩或膨胀,使得它的形态发生变化。这里,40℃就是镍-钛记忆合金的“变态温度”。各种合金都有自己的变态温度。上述那种高温合金的变态温度很高。在高温时它被做成螺旋状而处于稳定状态。在室温下强行把它拉直时,它却处于不稳定状态,因此,只要把它加热到变态温度,它就立即恢复到原来处于稳定状态的螺旋形状了。

  3.物理特性:当温度达到某一数值时,材料内部的晶体结构会发生变化,从而导致了外形的变化。

  温度以下使这种材料变形以制成元件时,材料内与应力方向处于不利地位的马氏体变体不断消减;处于有利地位的则不断生长。最后转变成具有单一取向的有序马氏体的元件。如再度加热到

  点以上,这种对称性低的、单一取向的马氏体发生逆转变时,又形成先前的单一取向的高温相。对应于这种微观结构的可逆性转变,便恢复了材料在高温时的宏观形状,这就是所谓的单程形状记忆。经过某种工艺处理的记忆元件,冷却到

  早在1951年美国人在一次试验中偶然发现了金-镉合金有形状记忆特性,当时并未引起重视,

  1963年发现镍-钛合金具有形状记忆特性后,掀起了这类合金研究的热潮,并产生了多种实用化的新思想,新的形状记忆合金应运而生,后来还发现了具有双向记忆效应,即铆钉如用双向记忆合金制作时,把铆好的铆钉重新降温后,铆钉又会变直,

  形状记忆合金在较低的温度下变形,加热后可恢复变形前的形状,这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。

  某些合金加热时恢复高温相形状,冷却时又能恢复低温相形状,称为双程记忆效应。

  加热时恢复高温相形状,冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状,称为全程记忆效应。

  目前已开发成功的形状记忆合金有TiNi基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金等。

  最早关于形状记忆效应的报道是由Chang及Read等人在1952年作出的。他们观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象,但当时并未引起人们的广泛注意。直到1962年,Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应,才引起了材料科学界与工业界的重视。到70年代初,CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应。几十年来,有关形状记忆合金的研究已逐渐成为国际相变会议和材料会议的重要议题,并为此召开了多次专题讨论会,不断丰富和完善了马氏体相变理论。在理论研究不断深入的同时,形状记忆合金的应用研究也取得了长足进步,其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。

  (1)利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天线)外因性双向记忆恢复。即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作,如热敏元件、机器人、接线)内因性双向记忆恢复。即利用双程记忆效应随温度升降做反复动作,如热机、热敏元件等。但这类应用记忆衰减快、可靠性差,不常用。

  TiNi合金的生物相容性很好,利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹接骨板、髓内针、人工关节避孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。

  20世纪是机电学的时代。传感——集成电路——驱动是最典型的机械电子控制系统,但复杂而庞大。形状记忆材料兼有传感和驱动的双重功能,可以实现控制系统的微型化和智能化,如全息机器人、毫米级超微型机械手等。21世纪将成为材料电子学的时代。形状记忆合金的机器人的动作除温度外不受任何环境条件的影响,可望在反应堆、加速器、太空实验室等高技术领域大显身手。

  谈到合金,当然要讲最有趣的合金--记忆合金。金属具有记忆,是一个偶然的发现:60年代初,美国海军的一个研究小组从仓库领来一些镍钛合金丝做实验,他们发现这些合金丝弯弯曲曲,使用起来很不方便,于是就把这些合金丝一根根拉直。在试验过程中,奇怪的现象发生了,他们发现,当温度升到一定的数值时,这些已经拉直的镍钛合金丝突然又恢复到原来的弯曲状态,他们是善于观察的有心人,又反复做了多次试验,结果证实了这些细丝确实具?记忆。

  美国海军研究所的这一发现,引起了科学界的极大兴趣,大量科学家对此进行了深入的研究。发现铜锌合金、铜铝镍合金、铜钼镍合金、铜金锌合金等也都具有这种奇特的本领。人们可以在一定的范围内,根据需要改变这些合金的形状,到了某一特定的温度,它们就自动恢复到自己原来的形状,而且这“改变--恢复”可以多次重复进行,不管怎么改变,它们总是能记忆自己当时的形状,到了这一温度,就丝毫不差地原形再现。人们把这种现象叫作形状记忆效应,把具有这种形状记忆效应的金属叫作形状记忆合金,简称记忆合金。

  为什么这些合金能具有这种形状记忆效应?它们是怎样记住自己的原形?用一般金属键理论、自由电子理论是难以解释合金的这种记忆效应的。记忆合金在一定的温度条件下能回复到原形,为核外电子的运动--随温度变化的运动,提供了绝佳的例证。

  正是由于合金的形成是在高温条件下液态金属的互熔,由于液态金属的结构元排异,导致了这种元素的结构元与另一种金属的结构元相互均布,凝固后,其微观结构是不同种类的结构元成比例的有序排列,电磁力是构成合金物体的主要内聚力。

  电磁力是由价和电子的运转所形成,而电子的运转速率随温度条件而变化的,所以,物体内的电磁力(大小、方向、作用点)也是随温度条件而变化。由此导致了金属物体的内力随温度条件而变化,只是这些变化在小温差范围内不明显,只有在较大温度变化(几百摄氏度)时才有表现。

  一般金属在受力后,能产生塑性变形,如一根铁丝被折弯了,在折弯部位,电磁力受到外力的干扰,导致产生电磁力的价和电子的运转平面作出微量调整,一次塑性变形就完成了。

  记忆合金由于是不同种类的结构元相互掺和均布,尽管结构元的个子、电磁力的大小不同,但各自都加快了自身的价和运转,在一定的温度条件下相邻相安。在受到外力后,电磁力受到外力的干扰,价和电子的运转平面作出微量角度调整,物体产生塑性变形,在此塑性变形中,部分调整后的价和电子的运转是不舒展的。当温度条件变化时价和电子的速率随之变化,当温度回复到相安舒展的(转变温度)条件时,不舒展的价和电子的运转立即回复到当时的速率,电磁力随之发生变化,使相邻结构元的价和运转也都作出相应的调整,全部回复到原来的舒展状态,于是整个物体也都回复到了原来的状态。这就是记忆合金的记忆过程。

  其实,金属的记忆早就被发现:把一根直铁丝弯成直角(90° ),一松开,它就要回复一点,形成大于90° 的角度。把一根弯铁丝调直,必须把它折到超过180°后再松开,这样它就能正好回复到直线状态,这就是中国成语中所讲的矫枉过正。还有记忆力更好的合金就是弹簧,(这里所说的是钢制弹簧,钢是铁碳合金)弹簧牢牢地记住了自己的形状,外力一撤除,马上回复到自己的原来的样子,只是弹簧的记忆温度很宽,不像记忆合金这样有一个特定的转变温度,从而有了一些特别的功用。

  利用记忆合金在特定温度下的形变功能,可以制作多种温控器件,可以制作温控电路、温控阀门,温控的管道连接。人们已经利用记忆合金制作了自动的消防龙头--失火温度升高,记忆合金变形,使阀门开启,喷水救火。制作了机械零件的连接、管道的连接,飞机的空中加油的接口处就是利用了记忆合金--两机油管套结后,利用电加热改变温度,接口处记忆合金变形,使接口紧密滴水(油)不漏。制作了宇宙空间站的面积几百平米的自展天线--先在地面上制成大面积的抛物线形或平面天线,折叠成一团,用飞船带到太空,温度转变,自展成原来的大面积和形状。

  记忆合金目前已发展到几十种,在航空、军事、工业、农业、医疗等领域有着用途,而且发展趋势十分可观,它将大展宏图、造福于人类。

  形状记忆合金的研究、发现至今为止已有十几种记忆合金体系。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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