正畸镍钛丝怎么区分上下(「发明创造的故事」（247）——有趣的形状记忆合金)

Posted 2023-05-30

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正畸镍钛丝怎么区分上下(「发明创造的故事」（247）——有趣的形状记忆合金)

有趣的形状记忆合金

加热会变直的勺子

一.形状记忆效应的发现

金属是一类古老的材料。早在6000多年前，人类就发现并使用了金属铜。到公元前五世纪，中国已经大量炼铁和使用铁器。

提及一般的金属材料，如金、银、铜、铁、铝……等等，人们大都耳熟能详，如数家珍。但是，您听说过有“记忆”本领的金属材料——形状记忆合金吗？

传统观念认为，只有人和某些动物才有“记忆”的能力，非生物是不可能有这种能力的。难道合金也会和人一样具有记忆能力吗？答案是肯定的，形状记忆合金就是这样一类具有神奇“记忆”本领的新型功能材料。

1932年，瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状。

1963年，美国海军军械研究室在一项试验中需要一些镍钛合金丝，他们领回来的合金丝都是弯弯曲曲的。为了使用方便，于是就将这些弯弯曲曲的细丝一根根地拉直后使用。在后续试验中一种奇怪的现象出现了：当温度升到一定值的时候，这些已经被拉得笔直的合金丝，突然又魔术般地迅速恢复到原来弯弯曲曲的形状，而且和原来的形状丝毫不差。这一现象引起了他们的兴趣，反复多次试验，每次结果都完全一致，被拉直的合金丝只要达到一定温度，便立即恢复到原来那种弯弯曲曲的模样。就好像在从前被“冻”得失去知觉时被人们改变了形状，而当温度升高到一定值的时候，它们突然“苏醒”过来了，又“记忆”起了自己原来的模样，于是便不顾一切地恢复了自己的“本来面目”。

他们的这一发现，引起了科学界的极大兴趣，大量科学家开始对此现象进行深入研究。后来发现铜锌合金、铜铝镍合金、铜钥镍合金、铜金锌合金等众多合金也具有这种奇特的本领。这些合金的“改变——恢复”可以多次重复，不管怎么改变，它们总是能记忆自己当时的形状，人们把这种合金叫做形状记忆合金。

其实，具有形状记忆效应的材料广泛存在于金属、陶瓷和聚合物等材料中。形状记忆合金是记忆材料中最早发现和被广泛应用的一种，在记忆材料中一直处于主流地位。钛镍合金是迄今为止发现的形状记忆合金中记忆特性最好的一种。

形状记忆现象的产生主要是由相变引起，大部分形状记忆合金相变是热弹性，即低温时在外力作用下变形，高温时金属发生自动恢复。

二.形状记忆合金的应用

形状记忆材料的开发迄今不过50余年，但由于其特殊性能和在各领域的应用，已经广为世人所瞩目。现在的形状记忆材料更加智能化，在外力作用下变形后，可以根据需要在热、光、电等物理或化学刺激下，使其恢复到初始形状。

1. 形状记忆的基本效应

形状记忆效应可用图1所示的简单实验演示，原本弯弯曲曲的形状记忆合金丝（a），经拉直后（b），只要放入盛有热水的烧杯中，合金丝就会迅速恢复到和原来一摸一样的弯弯曲曲的形状（c）。

(a) 原始形状

(b) 拉直

图1 形状记忆效应简易演示实验

形状记忆合金不仅单次“记忆”能力几乎可达百分之百，即恢复到和原来一模一样的形状，更可贵之处在于这种“记忆”本领即使重复500万次以上也不会产生丝毫疲劳断裂。因此，形状记忆合金享有“永不忘本”、“百折不挠”等美誉，被比作一个人应具有的永不变节、坚贞不屈的精神和气节。

2. 形状记忆合金的撑重本领

人们常说蚂蚁有本事，是因为即使是当今奥运会举重冠军也不过仅能举起自身重量的2倍左右，而蚂蚁却能举起自重的20倍。但是若与形状记忆合金相比，蚂蚁就只能甘拜下风，自愧弗如了，因为形状记忆合金（以镍钛为例）的出力本领可达自重的100倍以上。

如图2所示，形状记忆合金（a）能撑起自重100倍以上的重量，马达（b）的驱动力可达自重的50倍，而蚂蚁（c）和人（d）则分别是20倍和2倍。可见，形状记忆合金才是名副其实的大力士。

（a）记忆合金.（b）马达.（c）蚂蚁.（d）人

图2 形状记忆合金形状是名副其实的大力士

3. 记忆合金管接头

1969年，镍--钛合金的“形状记忆效应”首次在工业上应用。人们采用了一种与众不同的管道接头装置。为了将两根需要对接的金属管连接，选用转变温度低于使用温度的某种形状记忆合金，在高于其转变温度的条件下，做成内径比待对接管子外径略微小一点的短管作接头用，另一头在低于其转变温度下将其内径稍加扩大，两头接好，转变温度时，接头就自动伸缩而扣紧被接管道，形成牢固紧密的连接。美国在某种喷气式战斗机的油压系统中便使用了一种镍-钛合金接头，从未发生过漏油、脱落或破损事故。

　4.制作航天天线

二十世纪中叶，美国和前苏联在空间领域展开激烈竞争。继1961年4月12日前苏联将首位宇航员尤里 · 加加林送入太空轨道后不久，美国就制定了雄心勃勃的“阿波罗”登月计划。人类踏上月球，就必须要将月球上的信息传输回地球，再将地球上科学家的指令发到月球，即实现月、地之间的信息沟通。要发送和接收信息就必须在月球表面安放一个庞大的抛物线形天线，可是在小小的登月舱内无论如何也放不下这个庞然大物。这在当时一度成为登月工程中的关键性技术难题之一。

形状记忆合金的发现给这个难题的解决带来了契机，也为这个金属材料领域内的“晚辈”提供了一次施展才华的绝好机会。科学家用当时刚刚发现不久的形状记忆合金丝制成了如图4（a）所示的抛物线形天线。在宇宙飞船发射之前，首先将抛物面天线折叠成一个小球，如图 4 （ b ）所示，这样很容易就能装进宇宙飞船上的登月舱内。当登月舱在月球上成功着陆后，只需利用太阳的辐射能对小球加温，折叠成球形的天线因具有形状 “ 记忆 ” 功能便会自然展开，恢复到原始的抛物面形状，如图 4（ c ）所示。

（a）原始形状.（b）折成球形装入登月舱.（c）太阳能加热后

图4 月球上使用的形状记忆合金天线

1969年7月20日，乘坐“阿波罗-11号”登月舱的美国宇航员阿姆斯特朗在月球上踏下的第一个人类的脚印，谛听着这位勇士从月宫里传回的富于哲理的声音：“ 对我个人来说，这只是迈出的一小步；但对全人类来说，这是跨了一大步 ”。阿姆斯特朗当时的图像和声音就是通过形状记忆合金制成的天线从月球传输回地面的。

5. 记忆合金在临床医疗领域的应用

形状记忆合金在现代临床医疗领域内已获得广泛应用，正扮演着不可替代的重要角色。例如，各类人体腔内支架、心脏修补器、血栓过滤器、口腔正畸器、人造骨骼、伤骨固定加压器、脊柱矫形棒、栓塞器、节育环、医用介入导丝和手术缝合线等等，都可以用形状记忆合金制成。

医用腔内支架的应用原理如图5所示。记忆合金支架经过预压缩变形后（a），能够经很小的腔隙安放到人体血管、消化道、呼吸道、胆道、前列腺腔道以及尿道等各种狭窄部位。支架扩展后形成如图（b）所示的记忆合金骨架，在人体腔内支撑起狭小的腔道，如图5（c）所示，这样就能起到很好的治疗效果。

（a）预压缩

（b）受热扩张后

c）植入腔道内效果

图5 医用腔内支架的应用原理示意

与传统的治疗方法相比，这种记忆合金支架具有疗效可靠、使用方便、可大大缩短治疗时间和减少费用等优点，为外伤、肿瘤以及其它疾病所致的血管、喉、气管、食道、胆道、前列腺腔道狭窄治疗开辟了新天地。

除了腔内支架方面的应用以外，在骨外科治疗领域，形状记忆合金同样有不凡的表现。众所周知，传统的骨伤手术器械包括接骨钢板、螺钉、螺母、钢丝等，手术时医生要进行钻孔、楔入、捆扎等复杂操作，对患者的机体不可避免要造成人为损伤。这种手术有时要进行四、五个小时，病人的长时间麻醉对手术伤口的愈合也十分不利。这种手术效果也不理想，用机械、刚性办法固定的器械在人体内容易发生弯曲、断裂、松动和腐蚀，有些患者要接受两次甚至多次手术。

与传统的不锈钢器械相比，应用形状记忆合金制成的记忆合金骨科内固定器械，可以使骨科手术开始告别钻孔、楔入、捆扎等复杂工序。手术时，医生先用低温（0～5摄氏度）消毒盐水冷却记忆合金器械，然后根据需要改变其抱合部位的形状，安装于患者骨伤部位。待患者体温将其 “ 加热 ” 到设定的温度时，器械的变形部分便恢复到原来设计的形状，从而将伤骨紧紧抱合，起到固定与支撑的作用。这种新技术与传统的骨伤内固定术相比，大大降低了手术的难度，并可使手术时间缩短三分之二。由于材料自身的记忆功能十分稳定，良好的 “ 抱合力 ” 使病人手术的愈合期也大大缩短。

6. 记忆合金在日常生活中的应用

记忆合金同我们的日常生活已经是休戚相关。仅以记忆合金制成的弹簧为例，把这种弹簧放在热水中，弹簧的长度立即伸长，再放到冷水中，它会立即恢复原状。利用形状记忆合金弹簧可以控制浴室水管的水温，在热水温度过高时通过“记忆”功能，调节或关闭供水管道，避免烫伤。

形状记忆合金还可以用作消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火灾时 , 记忆合金制成的弹簧发生形变，启动消防报警装置，达到报警的目的。还可以把用记忆合金制成的弹簧放在暖气的阀门内，用以保持暖房的温度，当温度过低或过高时，自动开启或关闭暖气的阀门。

形状记忆合金作为一类新兴的功能材料，它的很多新用途正不断被开发，不久的将来，汽车的外壳也可以用记忆合金制作。如果不小心碰瘪了，只要用电吹风加加温就可恢复原状，既省钱又省力，实在方便。