形状记忆合金这种东西

释放双眼,带上耳机,听听看~!

顾名思义,形状记忆合金可以以某种方式“记住”定型时的形态。在随后的使用中,不论如何变形,在满足一定条件后,即可恢复原态。由于这种特殊的性质,记忆合金广泛用于航天、医疗、工业等领域。通常恢复原态的条件是加热到临界温度。比如下图这根金属丝,将其展平后,只消浇上热水,就可以恢复“I need you”的字样。本人在初中时在一个偶然机会下将这玩意搞到手,之后一直拿它当书签用,绝无变形的顾虑(呃,当然前提是别扭断了,否则什么记忆都是白扯……)。形状记忆合金这种东西这组照片是用形状记忆合金制成的卫星天线的展开过程,恢复过程可以看得更清楚一些:形状记忆合金这种东西图片提供:Goodyear Aerospace Corporation记忆的微观机制在于合金的相变。这类材料具有两种稳定相,也就是高温下的高对称性奥氏相与低温下的低对称性马氏相。相变发生在临界温度处,具体数值取决于合金配方。由于相变期间所有的原子共同运动而不存在局部扩散,这种相变过程是完全可逆的,能够重复数千万次。不过相变期间合金元件的宏观形状并不发生改变。马氏相本身分为楔状的孪晶与平直的去孪晶两种形态,在没有外力的情况下形态为前者。在施加外力后,马氏相内部的原子排布会变为去孪晶形态,元件也发生了塑性形变,但撤去外力后无论是微观还是宏观形态都不能自动恢复原位。不过当变形元件受热相变后,马氏相转变为奥氏相。奥氏相与马氏相不同,具有拟弹性,塑性形变在撤去外力后是可以恢复的,因此元件形状复原。形状记忆合金这种东西记忆合金奥氏相(右)与马氏相(左)转变的示意,图中M0s表示开始向马氏相转变的温度,M0f表示完全转变到马氏相的温度,A0s表示开始向奥氏相转变的温度,A0f表示完全转变到奥氏相的温度,有A0f>A0s>M0s>M0f。(图片提供:Texas A & M)形状记忆合金的配方有很多种,最早的是Au-Cd合金。早在1932年,A. Ölander就发现它具有拟弹性;Chang & Read (1951)又进一步发现这种材料存在相变的可逆性。而Buehler et al. (1962)提出的Ti-Ni合金由于表现出了对宏观形态的记忆效应,让这种材料引起了业内的关注,随后该合金正式被投放商业市场。在此前后,又有Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Al-Ni等其他合金材料被开发出来。由于记忆特性适宜在太空应用,很快它们就搭上了航天热的便车,如阿波罗飞船在月球上展开的大型通信天线就用到了这种时髦的材料。记忆合金元件的加工需要加热到400至500摄氏度然后迅速冷却。最早的形状记忆合金都是单程的,低温下的形变在加热后会恢复。后来又出现了双程记忆合金,低温与高温下各有自己的形态。除了温度,磁场也可以充当复原的诱因,有一类特殊的记忆合金在强磁场下即可恢复原状。由于磁场诱发的变化比加热更快,此类材料用途很广。甚至到了20世纪90年代,带有记忆效应的聚合塑料也被开发了出来。在航天领域,形状记忆合金最重要的应用就是制作天线、太阳能电池板等大型突出结构的支架,这样在发射前将其折叠,入轨后再展开,可以大大节约空间。航天器上的某些阀门、管线、电路接头也可以使用记忆合金,加强其形态的稳定性。此外,高精尖如飞机桨叶,平常如眼镜框,责任重大如防火门,都可以充分利用形状记忆的特性。记忆合金在医疗领域更是被广泛使用,包括牙齿矫正、血管支撑、骨骼修复都可以用得上它。内容来自 Bo Zhang's Homepage

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