永不忘本的材料

五、永不忘本的材料——形状记忆合金

早在六千多年前，人类就发现并使用了金属铜，公元前五世纪前后又逐渐使用了铁器以及金、银、铁、铝等其他金属。但是能够像聪明而智慧的高级生物那样具有记忆能力的金属，人们却闻所未闻，甚至难以想象。如今，这种能够“记忆”住形状的合金，确确实实在我们面前出现了，这真令世人大开眼界，拍手叫绝！

1932年瑞典人奥兰德在金-镉合金中首次观察到这种“记忆”效应，但当时尚未引起人们的关注。1963年，美国海军军械研究所科学家比勒在一项试验中需要使用镍-钛合金丝，但当时领回来的合金丝都弯弯曲曲，无法使用，便将其一根根拉直。但在随后的试验中，一个神奇的现象出现了：当温度升到一定值时，这些已经被拉得笔直的合金丝，突然又魔术般地恢复了原形，更令人惊讶的是：形状的恢复竟和原来不差分毫！多次反复试验结果完全一致，被拉直的合金丝只要到达某一个特定温度后，便立即恢复原形。就好像一条被“冻”得失去知觉的蛇，当温度升高到一定值后，突然“甦醒”过来，重新恢复“记忆”一般。“形状记忆效应”和“形状记忆合金”（Shape Memory Alloy，SMA）便由此得名。如图4-5（a）所示为一根由铜锌铝组成的形状记忆合金（称为CZA合金）弹簧，在其特征温度（T_m）65℃～85℃（温度值由材料配方而定）时预先加工成一定形状（200cm），当对它进行热处理几分钟至半小时后，便“记忆”住了被加工成的形状。然后在室温下无论形状怎样变化，比如如图4-5（a）所示压缩成为45 cm，一旦将它的温度升至T_m后，便重又恢复成原来被加工成的形状。如图4-5（b）所示的镍和钛合金（称为NT合金）形状记忆装饰花，在65℃～85℃的特征温度下加工为图4-5（b）左边的开放形式，室温时又令其呈闭合花蕾状，当使用热风等使温度上升至T_m后，金属花则又会自行盛开至美丽的原形，动作转角可达180℃，煞是有趣！

通常，合金材料的高温相母体被称为“奥氏体”，而降温产生相变后的结构被称为“马氏体”。据科学家们推测，这时虽然外表没有变化，但在加热和冷却时结晶状态是各不相同的，在某个特定温度下，金属原子的排列方式会发生突变，晶体结构的这种变化常常是可逆的，被称为“相变”。例如，含Ti和Ni各为50%的记忆合金，即存在着菱形和立方体两种晶体结构，在某个特殊温度时这两种晶体结构能相互转换，形状也就随着结构类型而改变。随后的研究还发现，除镍钛合金外，还先后发现铜-锌、金-镉、镍-铝等约二十余种合金也具有记忆功能，但其中“记忆力”最强的当属NT合金Nifinol。但由于NT合金成本昂贵，人们正在寻求廉价的体系材料，其中最有希望的则是铜系形状记忆合金。

图4-5　形状记忆合金的记忆效应示意图

1969年，镍-钛合金的“形状记忆效应”首次在工业上得到应用，用来制作一种与众不同的管道接头。为了将两根需要对接的金属管连接，在高转变温度T_m时预先制作一个，内径较待接管道外径小40%左右的形状记忆合金接头箍，然后又在低于转变温度情况下将管径扩大后与两根待接管道装配妥当（如图4-6上图所示），当温度上升到使用温度后时，接头箍便自动收缩后与被连接两管道咬合（如图4-6下图所示），从而实现了不需焊接的牢固紧密对接，不但免去了麻烦的焊接工艺，而且接封质量无可挑剔。美国加州Raychem公司生产的Cryofit接头，在海军喷气式战斗机的油压系统中使用已超过30万个，长年从未发生过漏油、脱落或破损事故。如今，在其他工业和科技产品中的应用也很普遍，诸如温度控制装置、汽车与机械零件、集成电路引线等等。

图4-6　Nitinol形状记忆合金管道紧密对接箍结构示意图

注：上图为马氏体扩管时的对接装配状态，下图为奥氏体复原后两管咬合工作状态

形状记忆合金最引人注目的使用实例，是1969年7月20日美国宇航员Armstrong乘坐“阿波罗11”号登月舱在月球上首次留下了人类足迹时，必须将一个传输月球和地球之间信息的庞然大物——直径为10米的半球形金属天线携上太空。正是形状记忆合金材料解决了这项史无前例的难题。即先在其转变温度以上按预定要求将天线定形（如图4-7（a）所示），然后降低温度再将它压制成团状小体积装进登月舱（如图4-7（b）所示），当宇航员在月球表面安置完毕以后，经阳光照射温度再上升至该合金的转变温度（77^oC）后，天线“记忆”功能使其恢复了本来面貌，即恢复成一个巨大的抛物面半球（如图4-7（c）所示），其均方根精度可达±0.5mm。试验的完全成功使人类破天荒第一次得到由月球发回的图像和声音，同时也为这一神奇的新材料争得了荣誉。

图4-7　形状记忆合金宇航天线自动张开原理示意图

经过研究，使用与生物体相容性很好、耐蚀性强的形状记忆合金材料，使它在临床医疗及现代医疗器械领域也扮演着不可替代的重要角色。例如制作人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸及脊柱矫形器，还可从小腔隙置入各类腔内支架、栓塞器、心脏修补器、血栓过滤器、节育环、骨科手术定型抱合器、人造肛门等。

形状记忆合金同样也与我们的日常生活休戚相关。例如一种在低温下定形的记忆弹簧，在热水中令其伸长，当其遇到冷水时便会立即恢复原状。该制品可用来控制浴室水管的水温，在温度过高时通过“记忆”功能，可自动调节或关闭供水管道，避免烫伤。如果记忆弹簧放在暖气阀门内，则可用以保持暖房的温度，当温度过低或过高时，则自动开大或关小暖气阀门。此外，还可以制作为消防报警及电器设备保安装置。当发生火灾时，记忆弹簧发生形变，即可启动消防报警装置报警。用记忆合金制作的眼镜架，如果不小心被碰弯变形，只要放在热水中加热，就可恢复原状。甚至人们设想将来用记忆合金制造汽车外壳，如果不小心碰瘪，只要用电动吹风机加温便可复原，既省钱又省力，实在很方便。