人類靠記憶能夠記住家人的生日、課本上的知識、從小到大的成長經(jīng)歷，那么，無生命物體可以嗎？研究發(fā)現(xiàn)，人們記憶合金也能有一種記憶性。為什么材料也會有記憶呢？下面就來探究一下？ 為什么材料也會有記憶？ 記憶合金是20世紀60年代出現(xiàn)的一種合金材料，它有一種能記住自己形狀的特性，所以人們叫它“記憶合金”。 50多年前，美國有個叫比勒的冶金學家，有一次他在試驗鎳鈦合金時，發(fā)現(xiàn)這種合金被加熱時，敲打它會發(fā)出清脆的鈴聲，放冷后則發(fā)出沉悶的聲音。為什么溫度不同時聲音會不一樣呢？他經(jīng)過研究，發(fā)現(xiàn)原來奧秘存在于材料的內(nèi)部結構上。有一類合金材料，它在一個特定溫度區(qū)域內(nèi)，存在一定的內(nèi)部結構的特殊變化。在冷卻到某一溫度以下時，它的晶體結構不穩(wěn)定。這時它具有很大的可塑性，在外力下，它易變形。而一旦除去外力，溫度上升到特定點時，不穩(wěn)定結構又會變成穩(wěn)定的結構，它就恢復原形。于是，科學家把這種能恢復自己形狀的效應叫作“形狀記憶效應”，把有這類特性的合金材料叫作“記憶合金”。 什么是記憶合金？ 形狀記憶合金是通過熱彈性與馬氏體相變及其逆變而具有形狀記憶效應的由兩種以上金屬元素所構成的材料。形狀記憶合金是目前形狀記憶材料中形狀記憶性能最好的材料。迄今為止，人們發(fā)現(xiàn)具有形狀記憶效應的合金有50 多種。 在航空航天領域內(nèi)的應用有很多成功的范例。人造衛(wèi)星上龐大的天線可以用記憶合金制作。發(fā)射人造衛(wèi)星之前，將拋物面天線折疊起來裝進衛(wèi)星體內(nèi)，火箭升空把人造衛(wèi)星送到預定軌道后，只需加溫，折疊的衛(wèi)星天線因具有“記憶”功能而自然展開，恢復拋物面形狀。 形狀記憶效應的分類 單程記憶效應。形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后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(xiàn)象稱為單程記憶效應。 雙程記憶效應。某些合金加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時又能恢復低溫相形狀，稱為雙程記憶效應。 全程記憶效應。加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤睿Q為全程記憶效應。  形狀記憶如何發(fā)揮作用？ 最容易理解形狀記憶的方式是記住發(fā)生在材料內(nèi)部（即原子和分子的納米尺度）的變化也許和外部看起來發(fā)生的完全不同。 拉伸橡皮圈，在它內(nèi)部交聯(lián)和糾纏的橡膠大分子鏈打開和分離。撤銷拉力，分子鏈重新聚集到一起，這就是彈性的工作機理。形狀記憶是不同的。彎曲形狀記憶合金物體使其內(nèi)部晶體結構變形。不進行處理，它就會保持永久的彎曲形狀。然而對其加熱，晶體內(nèi)部結構變成完全不同的形狀，推動物體回到原來的形狀。超彈性是相似的，但是你變形后使物體恢復到原來形狀不需要溫度。如果彎曲了一對形狀記憶眼鏡框，所施加的應力使鈦合金變成完全不同的晶體結構；放開手后晶體結構恢復，眼鏡框回到原來的形狀。 形狀記憶和超彈性發(fā)生的是固體材料內(nèi)部結構在兩種不同的晶體形式之間的轉換，換句話說，它的分子以完全可逆方式重新排列。這就是固態(tài)相變，它聽起來比實際情況復雜。其實我們都習慣了相變：你把冰塊放到飲料里然后它融化了，你觀察到的就是相變。隨著冰塊融化，其分子從緊密堆積結構轉變成更松散和更流動的結構，所以水從固相（冰）轉變成液相（平常的液體水）。發(fā)生在固態(tài)相變中的大致相似的事情是材料在轉變前和后都是固體，因為在整個過程中所有分子之間保持的非常近。 形狀記憶合金在奧氏體和馬氏體兩種結晶態(tài)之間轉變。在低溫時，它們呈現(xiàn)相對柔軟、塑性和容易成形的馬氏體；在（相對）高溫時，它們變成更硬和更難以變形的奧氏體。假設你有一個形狀記憶電線，你可以相對容易地把它變成新的形狀。它的內(nèi)部是馬氏體，這就是它容易變形的原因。無論你怎么彎曲電線，它都保持新的形狀；就像任何普通的電線，它看起來像在進行普通的塑性形變。見證奇跡的時刻！對電線微微加熱（高于相變溫度），其內(nèi)部變成奧氏體，在熱能作用下內(nèi)部原子重新排列然后電線恢復到原來形狀。冷卻下來，電線重新恢復成馬氏體，仍然恢復成原來形狀。如果整個過程中材料的溫度高于相變溫度，你可以使其變形，但是當你釋放你施加的應力，它立刻恢復到原來的形狀。 形狀記憶令人驚奇也可能使人困惑的是奧氏體和馬氏體之間的轉換不是“對稱”的。你可以取一條“編程”的形狀記憶電線（有明顯易記的形狀），然后可以用不同的方式去彎曲它。但是當你加熱你剛剛隨意彎曲的電線，它總是回到一條單一、明顯的形狀。我們可以這樣理解這一點，材料在馬氏體狀態(tài)下可以愉快地變成任何晶體形式。但是當它在奧氏體時，它只有一種晶體形式。這也是最穩(wěn)定的狀態(tài)，也即最低能量狀態(tài)。 當施加應力（壓力）而不是加熱時，超彈性和形狀記憶表現(xiàn)相似。通常，組成合金的是奧氏體的韌性形式。假設對形狀記憶眼鏡施加應力（就是彎曲它們），奧氏體轉換成馬氏體后非常容易變形。放開鏡框后馬氏體變回了奧氏體，所以眼鏡回到最原始的形狀。  形狀記憶合金用途？ Arne Olander在上世紀30年代發(fā)現(xiàn)金-鎘合金中存在形狀記憶效應，但是在上世紀60年代美國海軍軍械實驗室開發(fā)出鈦鎳合金之后，形狀記憶合金（也叫作SMAs，金屬肌肉，記憶金屬，智能金屬）開始真正推廣使用。幾十年后，形狀記憶金屬已經(jīng)是所有醫(yī)學和健康相關設備領域最平常的選擇，包括從牙科植入物到外科工具，從胸罩內(nèi)線到眼鏡框（以Flexon品牌出售）。與塑料、金屬或傳統(tǒng)合金不同，形狀記憶合金兼具堅固和柔韌的優(yōu)點，易于消毒并耐腐蝕。由于輕質(zhì)、堅韌并能在高溫下工作的特性，形狀記憶合金也廣泛應用于航空航天部件，例如火箭和空間探測器。 形狀記憶合金在機器人領域應用快速增長。有時人們需要設計特殊用途的機器人到傳統(tǒng)機器人無法到達的地方：可能需要在十分堅實的火箭上炸出孔洞，或者需要在門口悄悄的監(jiān)視罪犯。考慮到這些，工程師們開始設計由形狀記憶合金制成的自動展開機器人。它們開始時折疊在一起，當他們需要被激活時，電流通過機器人形狀記憶的部件，加熱它們至回到“預編程”的穩(wěn)定不變機器人形狀。 形狀記憶聚合物 形狀記憶合金聽起來高大上，但是它們也有缺點：形狀記憶合金比普通不銹鋼更易達到疲勞強度（多次重復變形后斷裂），而且比傳統(tǒng)的鋼或鋁合金的制造成本更高。上世紀90年代，材料學家開始開發(fā)與形狀記憶合金相似且具有形狀記憶效應的形狀記憶聚合物（SMPs）。正如普通塑料改變了世界，形狀記憶聚合物很可能在未來幾年拓寬它的應用領域，因為SMPs比金屬基合金更輕、更便宜和更柔韌。和SMPs最密切相關的是SCPs（形狀改變聚合物），當它們受熱（或以其他方式被能量刺激），其逐漸改變形狀；然而當冷卻的時候，其恢復形狀。雖然自愈合材料（一種損傷后自我治愈的材料）也可以在多種不同的方式下工作，它們與SMPs非常相似。例如，可以設想一下，一個塑料機身可以吸收射入的子彈的動能后轉換成內(nèi)能，并用內(nèi)能激活形狀記憶效應使聚合物恢復到原來形狀，迅速愈合和密封。 延伸閱讀： 為什么物體會熱脹冷縮？ 人類首張黑洞照片怎么拍的？ 飛機表面為什么要涂航天涂料？ 為什么人會有記憶？ 照相機鏡頭為什么有一層膜？ |
