這些年，我們見(jiàn)過(guò)的記憶合金

劉超

20世90年代，我國(guó)在對(duì)秦始皇陵進(jìn)行發(fā)掘的過(guò)程中，在整理一號(hào)坑的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)一把被陶俑壓彎了的青銅劍（圖1），其劍身彎曲小于90°。當(dāng)人們搬離陶俑之后，讓人吃驚的事情發(fā)生了，又窄又薄的銅劍在一剎那間出現(xiàn)了反彈，一下子就自然恢復(fù)到正常形狀。莫非“形狀記憶合金”早在2000多年前就已經(jīng)被我們的“老祖宗”搞出來(lái)了？

“形狀記憶合金”現(xiàn)在已經(jīng)被普及使用，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，甚至連女性的文胸也被使用，被人稱為“記憶罩杯”。但你有沒(méi)有想過(guò)，20世紀(jì)的科學(xué)技術(shù)居然會(huì)出現(xiàn)在公元前200多年的古墓中？

你相信“眼見(jiàn)為實(shí)”嗎？別逗了，你看見(jiàn)的就是真相嗎？你看見(jiàn)的，只代表“你”看見(jiàn)了，僅此而已。材料世界的迷人之處，絕非是靠“看”就能弄明白的！

我，是不是我？

先來(lái)點(diǎn)兒餐前的開(kāi)胃小菜。比如：常態(tài)下，一般的金屬材料在受到外力作用后，首先發(fā)生彈性變形，達(dá)到屈服點(diǎn)，就產(chǎn)生了塑性變形，應(yīng)力消除后就會(huì)留下永久的變形。等等，這是什么卵？彈性變形、屈服點(diǎn)、塑性變形？感覺(jué)很懵？簡(jiǎn)單說(shuō)吧：就是用手把一根鐵絲掰彎，手離開(kāi)鐵絲后，如果鐵絲沒(méi)有彈回到原來(lái)的形狀，如果它不再承受任何外力作用，那么它就會(huì)永遠(yuǎn)保持這種彎曲的狀態(tài)。有沒(méi)有一種“山盟海誓，?？菔癄€”的“趕腳（感覺(jué)）”？（哇，鐵絲妹妹終于找到真愛(ài)了?。?/p>

言歸正傳，上述只是一般情況下，注意是“一般情況”。那么有沒(méi)有“特殊情況”？（你居然不信我！我的心碎了一地的渣渣……）有些金屬材料，一般是2種以上金屬元素組成的合金，在低溫下受到外力作用時(shí)，形狀發(fā)生改變，當(dāng)經(jīng)過(guò)合適的熱過(guò)程時(shí)，合金就會(huì)恢復(fù)到變形前的形狀，這種效應(yīng)被稱為“形狀記憶效應(yīng)”。具有形狀記憶效應(yīng)的合金，當(dāng)然就是形狀記憶合金啦。

為了研究形狀記憶效應(yīng)的原理，我們要做微觀分析。那么對(duì)于記憶合金，在高溫下，它的原子排列方式被稱為“母相”，而在低溫下它的原子排列方式被稱為“馬氏體相”。在記憶合金中有熱彈性馬氏體，熱彈性馬氏體的特點(diǎn)就是隨著溫度的降低它會(huì)持續(xù)生長(zhǎng)，隨著溫度的升高它又持續(xù)消失，這種相變就被稱為“熱彈性馬氏體相變”。

關(guān)于相變，有一些關(guān)鍵的溫度參數(shù)。溫度降低的過(guò)程，是馬氏體相變的過(guò)程；溫度升高的過(guò)程，是馬氏體相逆相變?yōu)槟赶嗟倪^(guò)程（見(jiàn)圖2）。所以熱彈性馬氏體相變和它的逆相變是形狀記憶效應(yīng)的根本原理。

試試“離子燙”吧

1932年，瑞典人奧蘭德在觀察某種金鎘合金的性能時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)。因?yàn)榻鹱诱嫘奶F，用不起??！形狀記憶合金第一次被放棄。1938年，哈佛大學(xué)的A.B.Greninger等學(xué)者在一種銅鋅合金中發(fā)現(xiàn)了一種隨溫度的升高和降低而逐漸增大或縮小的形狀變化現(xiàn)象。但這一現(xiàn)象只是被發(fā)現(xiàn)而已，在當(dāng)時(shí)并未引起Greninger等人的重視。這是形狀記憶合金第二次被放棄。

俗話說(shuō)：越放棄，越強(qiáng)大！1963年，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（圖3） W.J.Buchler等研究人員奉命研制一種新式艦船裝備材料，當(dāng)時(shí)他們拿來(lái)的鎳鈦合金絲，就像一團(tuán)亂麻，“怎么用嘛”？無(wú)奈之下，只能抽絲剝繭似的將這些金屬絲一根一根拉直，就像給每一根細(xì)絲都做了一遍“離子燙”。老費(fèi)勁了！在實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，“見(jiàn)證時(shí)刻的奇跡到了”：當(dāng)鎳鈦金屬絲在一定高溫環(huán)境下時(shí)，又變回了當(dāng)初如“一團(tuán)亂麻”似的樣子，Buchler等人徹底“石化”，“離子燙”白做了！這一團(tuán)亂麻簡(jiǎn)直亂出了新高度，居然與之前“亂”得如此一般不二。“Buchler們”想起了中國(guó)有句古語(yǔ)，叫：“夏天穿皮褲，必定有緣故”。

就這樣，“Buchler們”一次又一次地重復(fù)著摧毀“離子燙”的實(shí)驗(yàn)，不管鎳鈦合金被改變成何種樣子，遇到之前的那個(gè)固定的溫度后立刻被“打回原形”。這種“改變—恢復(fù)”的現(xiàn)象循環(huán)往復(fù)，就像有了“記憶”一樣，引起了越來(lái)越多人們的關(guān)注。后來(lái)，這種現(xiàn)象就被稱作是“形狀記憶現(xiàn)象”。

1969年7月16日，美國(guó)阿波羅11號(hào)宇宙飛船成功著陸月球，當(dāng)尼爾·阿姆斯特朗走出飛船，一只腳踏上月球地面的時(shí)候，他說(shuō)了那句著名的“這是我個(gè)人的一小步，卻是人類的一大步。”隨后，他與伙伴巴茲·奧爾德林在月球表面進(jìn)行了2.5h的月表行走（圖4）。而這些音頻和視頻被無(wú)遺漏地傳回到地球，地月平均距離是38.4404萬(wàn)km，如此遙遠(yuǎn)的距離，如何保證這些影像的傳輸？這就需要再次把那個(gè)做了“離子燙”的家伙揪出來(lái)。那個(gè)跟著阿姆斯特朗和奧爾德林兩個(gè)人屁股后面的月球車上頂著一張半球形的網(wǎng)——天線（話說(shuō)，頂?shù)媚敲锤撸慌略饫着鼏幔吭虑蛏蠒?huì)有“雷”嗎？哈哈），這個(gè)網(wǎng)就是用形狀記憶合金制成 （圖5）?，F(xiàn)將這個(gè)天線在低溫下縮成了一團(tuán)，由宇宙飛船帶到月球，在月球表面，陽(yáng)光的照射使其升溫，當(dāng)達(dá)到了轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，它終于想起來(lái)自己長(zhǎng)什么樣了。哦，原來(lái)自己是個(gè)網(wǎng)?。俏覀兙陀淇斓厝ゲ遏~吧）。就這樣，形狀記憶合金就把自己在地外露面的“第一次”，貢獻(xiàn)給了人類的航天事業(yè)。

“記憶合金家族”朋友圈

那么記憶合金從發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)有80多年的時(shí)間，人們不斷在擴(kuò)大“記憶合金家族”的“朋友圈”，到目前為止已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)具有形狀記憶效應(yīng)的合金達(dá)幾十種，但是只有幾種合金具備有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。一種是鈦鎳合金，作為“記憶合金家族”的“大哥”——鈦鎳合金的綜合性能非常好，但是價(jià)格偏高。為了克服這個(gè)問(wèn)題，人們相繼開(kāi)發(fā)了鐵基形狀記憶合金和銅基形狀記憶合金，這2種記憶合金，雖然綜合性能比鈦鎳合金稍差，但是贏在價(jià)格低廉，可以在要求不高的場(chǎng)合使用。2016年，“記憶合金家族”迎來(lái)了新成員——鎂基形狀記憶合金，它的最大特點(diǎn)是密度低，只有鈦鎳合金的1/3，所以將來(lái)在航空航天上一定會(huì)有重要的用途。

近年來(lái)，科學(xué)家們又發(fā)展了不少改良的鈦鎳合金，這些改良的記憶合金主要是通過(guò)添加鈮、銅、鐵、鋁、硅、鉬、釩、鉻、錳、鈷、鋯、鈀等元素，如鈦—鎳—銅、鈦—鎳—鈮、鈦—鎳—鈀、鈦—鎳—鐵、鈦—鎳—鉻等，未來(lái)可作為高溫形狀記憶合金材料應(yīng)用在更高溫度的工況下。日本形狀記憶合金研究協(xié)會(huì)還開(kāi)發(fā)了添加微量的鐵或鉻的鎳—鈦形狀記憶合金，其轉(zhuǎn)變溫度低至-100℃，可以制作極低溫度環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)器。

我們要應(yīng)用記憶合金，必須先要了解它的性能特點(diǎn)，記憶合金的性能特點(diǎn)有啥嘞？主要有2點(diǎn)：第一個(gè)就是它的形狀記憶效應(yīng)，也就是說(shuō)在低溫條件下改變記憶合金的形狀，溫度升高以后它的形狀就會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的形狀；第二點(diǎn)就是記憶合金的超彈性，又稱為“偽彈性”。這是怎么回事呢？

對(duì)于普通的合金，在外力作用下會(huì)經(jīng)歷彈性形變、塑性形變，那么卸載外力后塑性變形是不能恢復(fù)的，只有彈性形變可以恢復(fù)。那么普通合金的彈性形變的恢復(fù)量只有0.2%～0.5%。假如是記憶合金，它收到外力作用，隨著外力的增加，記憶合金會(huì)發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體會(huì)伴隨非常大的應(yīng)變。這個(gè)應(yīng)變只有在力的作用下才能穩(wěn)定存在，當(dāng)這個(gè)力去掉以后，這個(gè)馬氏體又回到原來(lái)的母相，它的應(yīng)變也隨之消失。記憶合金它的可恢復(fù)的形變量高達(dá)10%左右，但是這個(gè)可恢復(fù)的形變量不是真正意義上的彈性形變，所以被稱為“偽彈性”。因?yàn)橛洃浐辖鸬目苫謴?fù)形變量高于普通合金，所以又稱“超彈性”。記憶合金的應(yīng)用主要基于上述2個(gè)性能特點(diǎn)，當(dāng)然更主要的還是利用形狀記憶效應(yīng)。

我們的世界里，沒(méi)你不行

記憶合金最為我們熟知的應(yīng)用，莫過(guò)其在醫(yī)用材料上，如牙科的牙齒矯正絲，人體體內(nèi)的各種支架包括血管支架（圖6）、腸道支架，骨科的各種固定器（圖7）、矯正器等等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球用于醫(yī)療健康的形狀記憶合金占其總產(chǎn)量的60%還多?，F(xiàn)在，在人們的日常生活或者各種高檔的家具家電上也能看到記憶合金的影子，比如說(shuō)記憶合金的眼鏡架；裝有記憶合金的智能水溫調(diào)節(jié)器；還有空調(diào)記憶合金驅(qū)動(dòng)的百葉板，它的吹風(fēng)方向會(huì)隨著溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)。

工業(yè)應(yīng)用如記憶合金管接頭，其作用就是將2個(gè)管子聯(lián)接起來(lái)，緊密、不脫落。美國(guó)是率先將記憶合金管接頭用在噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)油壓系統(tǒng)中的國(guó)家，用上以后從來(lái)沒(méi)有發(fā)生過(guò)零件脫落、燃油滲漏，可靠性很高。這種記憶合金管接頭的加工過(guò)程分為4個(gè)步驟：第一步要在高溫母相狀態(tài)下將記憶合金管接頭尺寸、形狀加工好，這時(shí)候管接頭的內(nèi)徑要比聯(lián)接的管子的外徑小4%；第二步是將管接頭從高溫母相冷卻室溫，冷卻到室溫以后，將管接頭內(nèi)徑擴(kuò)建8%；第三步是將聯(lián)接的管子從兩端插入管接頭；第四步加熱、升溫，管接頭中的馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷啬赶?，管接頭的形狀恢復(fù)到原來(lái)的形狀，將2個(gè)管子緊固地聯(lián)接在一起。

記憶合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用除文章開(kāi)頭的介紹的月球車天線外，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在2017年研發(fā)了一種由形狀記憶合金制造的非充氣式輪胎（圖8），不但更輕、更堅(jiān)固、更安全，而且可以使用在各種惡劣地形。將來(lái)這種輪胎除了應(yīng)用在火星探測(cè)任務(wù)中之外，也可以作為傳統(tǒng)輪胎的替代品，在地球上使用?！俺瑥椥暂喬ァ睖p少了爆胎的可能性，因此也改善了行車安全。此外這種輪胎的設(shè)計(jì)也減少了對(duì)內(nèi)框的需求，有助于輪胎組裝的簡(jiǎn)化，也降低了輪胎的質(zhì)量。除了安裝在火星探測(cè)車上進(jìn)行太空任務(wù)之外，這種輪胎也可以應(yīng)用在地球上的各式車輛和飛機(jī)上，包括軍車、一般汽車、重裝備車輛、農(nóng)用車輛、全地形車等，以適應(yīng)各種地形的需求。

“超彈性輪胎”由形狀記憶合金制造，可在崎嶇不平的地面上平穩(wěn)地行進(jìn)，當(dāng)此輪胎遇到石頭之類的突出物時(shí)，它會(huì)以暫時(shí)變形的方式應(yīng)對(duì)，隨后便會(huì)恢復(fù)原狀，而不會(huì)有永久性的損傷?？梢哉f(shuō)在多地形行駛起來(lái)猶如一馬平川。相信形狀記憶合金這種材料未來(lái)能夠應(yīng)用到民用產(chǎn)品上。

再來(lái)看一下記憶合金比較“奇葩”也是更為腦洞大開(kāi)的一種應(yīng)用。提起Intel，不少人的第一反應(yīng)就是“處理器”。近幾年，Intel在智能硬件領(lǐng)域也頗有建樹，比如——形狀記憶運(yùn)動(dòng)胸罩。可以緩解“大胸”妹子運(yùn)動(dòng)時(shí)胸部愛(ài)出汗的尷尬。前不久，Intel中國(guó)官方微博曝光了一款由Chromat研發(fā)的運(yùn)動(dòng)文胸——Aeros Bra （圖9），其內(nèi)部集成了Intel的Curie平臺(tái)芯片，可利用傳感器收集到的人體心跳、體溫等人體數(shù)據(jù)，通過(guò)在衣服中集成的形狀記憶合金進(jìn)行變形，當(dāng)檢測(cè)到用戶出現(xiàn)出汗加劇、體溫上升、心跳加速等狀況時(shí)，Aeros Bra的形狀記憶合金便會(huì)張開(kāi)衣服上的排氣孔，幫助用戶散熱。這款爆燃的運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣獲得許多愛(ài)運(yùn)動(dòng)的妹子們的喜歡。

近年來(lái)，形狀記憶合金憑借其自調(diào)節(jié)和自控制的性能，被列入了智能材料的行列。有科研團(tuán)隊(duì)正試圖用其研制出一種集記憶功能、驅(qū)動(dòng)源和控制系統(tǒng)為一體的集成元件；記憶合金材料還有望成為微型機(jī)器人的制作材料，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉辉僖陨镝t(yī)藥領(lǐng)域?yàn)橹?，將?huì)擴(kuò)展到核反應(yīng)、加速器、太空實(shí)驗(yàn)等搞技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。

隨著人工智能的不斷發(fā)展，具有記憶功能的合金材料將會(huì)無(wú)限滲透到人類生存和生活的方方面面，到那時(shí)記憶合金材料對(duì)人類來(lái)說(shuō)真正能稱得上是——沒(méi)你不行。