記憶金屬的用途

呂雪萱

某些金屬和合金在變形之后還“記得”它們?cè)谧冃吻暗男螤睿坏┯鰺峋蜁?huì)恢復(fù)原形。按照通常的金屬慨念，這簡(jiǎn)直是不可思議的，但是，長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)研究表明，這種金屬是確實(shí)存在的。

在這類金屬中，只消除外力就能恢復(fù)原狀的叫做贗彈性。消除外力后再加熱才能恢復(fù)原狀的現(xiàn)象叫做“形狀記憶效應(yīng)”。這種效應(yīng)的機(jī)理是由金屬的晶格結(jié)構(gòu)的變化過(guò)程和馬氏體（純金屬或合金從某一固相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪还滔鄷r(shí)的產(chǎn)物）的性質(zhì)決定的。

科學(xué)家們把具有形狀記憶效應(yīng)的金屬稱之為“記憶形狀的金屬”或“記憶金屬”。專家們已經(jīng)找到了一些“記憶力”相當(dāng)好的金屬，鎳鈦合金。這種金屬在遇熱時(shí)變成一種樣子，遇冷時(shí)則變成另一種樣子。在這種情況下，如果讓記憶金屬往返于某一個(gè)溫度差之間，就可以利用其變形、恢復(fù)，又變形、又恢復(fù)的力去作功。這種現(xiàn)象對(duì)于發(fā)明家們來(lái)說(shuō)已經(jīng)成了一個(gè)產(chǎn)生新思路的豐富源泉——利用“記憶金屬”作動(dòng)力部件的裝置正在一個(gè)接一個(gè)地出現(xiàn)。

首先讓我們以作垂直運(yùn)動(dòng)的氣錘為例。這種機(jī)械很笨重，咚咚聲震耳欲聾，噪聲的級(jí)數(shù)不亞于機(jī)關(guān)炮。但是自從前蘇聯(lián)科學(xué)家于1978年用記憶合金帶換掉其中的氣動(dòng)裝置以后，情況就完全不同了。他們的辦法是：先將這種記憶金屬帶加熱到400℃，彎成拉丁字母“C”的形狀，然后放入閉模中，讓它在逐漸冷卻的同時(shí)向相反的方向彎曲。記憶合金帶“記住”了這一整個(gè)過(guò)程由于工程師把它的一端固定在氣錘外殼的上部，而把錘頭固定在它的另一端，所以在交替加熱和冷卻的情況下，記憶合金帶就會(huì)反復(fù)彎曲和翻轉(zhuǎn)，猛烈地拋擲錘頭。在氣錘外殼的內(nèi)壁上交叉地安裝著電觸頭和冷卻器。電觸頭能將記憶合金帶加熱到60℃，而冷卻器則能使它變涼，返回原來(lái)的位置，以便重新接近電觸頭。根據(jù)發(fā)明家們的計(jì)算，按照這種方法制造的氣錘消耗能量少，噪聲小，操作工人的手也不會(huì)受到震動(dòng)。

后來(lái)，專家們又對(duì)這一裝置作了進(jìn)一步完善，賦予錘頭以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。他們用一束由記憶合金制造的棒桿組裝成一個(gè)雙曲面旋轉(zhuǎn)體作為動(dòng)力裝置，替下了記憶合金帶。電流與棒桿的端面接通之后，棒桿即從右向左劇烈地翻轉(zhuǎn)——使錘頭旋轉(zhuǎn)著向下落去。然后，棒桿觸及冷卻器，再返回原來(lái)的位置。

后來(lái)，俄羅斯人又發(fā)明了一種新型起重機(jī)，它的動(dòng)力裝置由兩個(gè)具有“形狀記憶效應(yīng)”的環(huán)形合金板條組成，固定在導(dǎo)向桿上。在上面合金板條上安裝著一個(gè)聯(lián)結(jié)桿。當(dāng)處于非工作狀態(tài)時(shí)，環(huán)形板條是扁平的，但是只要往機(jī)體內(nèi)注入熱水，它們就會(huì)“回憶起”原來(lái)的形狀而彎成弓形，舉起帶有重物的聯(lián)結(jié)桿。而注入涼水之后，環(huán)形板條就又恢復(fù)扁平狀態(tài)。這種起重機(jī)簡(jiǎn)單可靠，不需要復(fù)雜的機(jī)械或液壓傳動(dòng)裝置。

現(xiàn)在要談的是一個(gè)首先使橋梁建設(shè)者們感興趣的問(wèn)題。我們知道，在把一排排橋樁打入泥土中，固定在一定的深度之后，總會(huì)出現(xiàn)參差不齊的現(xiàn)象，這時(shí)，不得不將那些撅得老高的多余部分截去。通常要完成這一工作是相當(dāng)費(fèi)力的。現(xiàn)在可以把一個(gè)用對(duì)溫度非常敏感的材料制成的“金箍”套在需要斷開(kāi)的地方，然后念起“咒語(yǔ)”，也就是通上電流，“金箍”通電受熱后就好像“記起”了原來(lái)的形狀，開(kāi)始收縮，直至將樁尾截?cái)酁橹埂?/p>

還可以把這種強(qiáng)勁而執(zhí)拗的力用在金屬加工上。現(xiàn)在介紹一種將普通管子壓制成波形管的裝置。它的主要構(gòu)件是一個(gè)可以拆卸的、帶波形溝槽的陰模，裝入陰模內(nèi)的是用記憶合金制成的陽(yáng)模。被加工的管子從橡皮墊和陰模之間穿入。給安裝在陽(yáng)模里面的電熱線圈通上電流之后，陽(yáng)模開(kāi)始縮短，向陰模方向壓迫橡皮墊，橡皮墊壓迫管壁，管壁落入溝槽，于是管子變?yōu)椴ㄐ巍Ｇ袛嚯娏鳎?yáng)模冷卻，恢復(fù)原狀，管子自動(dòng)向前移動(dòng)。上述加工過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，直至整個(gè)管子變?yōu)椴ㄐ喂転橹埂?/p>

后來(lái)有人用記憶金屬制成這種波形管作為伸縮器來(lái)固定機(jī)床上的零件。在它的上端裝上加熱器，把它的另一端封閉起來(lái)，然后固定在一個(gè)支架上。把要加工的零件放進(jìn)去，通上電流。這時(shí)，伸縮器的右邊在加熱后逐漸收縮，用波形溝槽卡住被加工的產(chǎn)品。伸縮器的左邊卻伸張開(kāi)來(lái)，里面形成一個(gè)真空，牢牢地穩(wěn)住機(jī)床上的零件。切斷電流，伸縮器恢復(fù)原狀，放開(kāi)被加工的產(chǎn)品。

如果將數(shù)個(gè)這樣的伸縮器分別安裝在幾個(gè)由彈性鋼片組裝起來(lái)的腔室里，可以制成一種搬運(yùn)裝置。這種裝置可以將空氣吸進(jìn)腔室，也可以從中排出，因而可以吸住或放開(kāi)重物，成批地抓取并運(yùn)走機(jī)器零件。

我們知道，許多生產(chǎn)過(guò)程需要隨時(shí)通過(guò)軟管供應(yīng)需要的液體，這種液體濃度大，流動(dòng)緩慢，因此在這種系統(tǒng)中經(jīng)常使用一種蠕動(dòng)泵，來(lái)輪番壓縮和放松管壁，以便在管內(nèi)形成流動(dòng)渡波，加速液體的運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)在可以用一種記憶金屬環(huán)來(lái)充當(dāng)這種泵的傳動(dòng)裝置。在周期加熱和冷卻的情況下，金屬環(huán)的變形將使管壁作相應(yīng)的收縮和放松，在管內(nèi)形成較大的流動(dòng)波。

如果想把幾條金屬管連接成一條“長(zhǎng)龍”，少不了要擴(kuò)大管口，要做到這一點(diǎn)，通常得動(dòng)用復(fù)雜而龐大的液壓、氣動(dòng)或電力裝置。但是如果拿來(lái)具有形狀記憶效應(yīng)的棒狀擴(kuò)管器，那就簡(jiǎn)單多了。這種擴(kuò)管器由一種多孔物質(zhì)和壓縮在一起的記憶金屬屑制成。使用時(shí)，將它放入管口，然后沿著與它相連的水龍帶通過(guò)多孔物質(zhì)灌進(jìn)熱水。在這種情況下，擴(kuò)管器增大10%～ 15%，管口被擴(kuò)開(kāi)，這時(shí)只要用冷風(fēng)一吹，就可以很容易把它取出來(lái)。

為了將大直徑的管子連接起來(lái)，美國(guó)人制作了一種有“開(kāi)襟”的記憶環(huán)形套。這種環(huán)形套的內(nèi)直徑小于被連接鋼管的外直徑。在使用時(shí)，先把它放入液氮中浸一下使它張開(kāi)，套到兩條管子的對(duì)接端。然后，只要恢復(fù)到常溫狀態(tài)，這種有“開(kāi)襟”的環(huán)套就會(huì)緊緊地閉合起來(lái)，變成一個(gè)牢固的接頭。

眾所周知，在高溫條件下工作的熱交換器的內(nèi)壁免不了被一層水銹復(fù)蓋，而要清除這種沉垢卻非易事。因此，根據(jù)發(fā)明家們的建議，不少?gòu)S家開(kāi)始在熱交換器的結(jié)構(gòu)中使用一種由記憶金屬制造的、內(nèi)壁相當(dāng)粗糙的管子。需要清除水垢時(shí)，只要讓它冷卻到40℃，粗糙的內(nèi)壁就會(huì)變得十分平滑，使水垢無(wú)法繼續(xù)附著在上面。當(dāng)然，溫度一升高，管子的內(nèi)壁就會(huì)恢復(fù)原狀，變得相當(dāng)粗糙。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明一點(diǎn)，這種粗糙的內(nèi)璧能夠大大加強(qiáng)而不是降低熱交換的效果。

在許多液體產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中，幾乎離不開(kāi)“攪拌”。為此，前蘇聯(lián)科學(xué)家于1983年發(fā)明了一種靈敏的攪拌裝置，巧妙地使用了形狀記憶效應(yīng)。其主要部分是一個(gè)由記憶金屬制成的帶形構(gòu)件，它的表面涂有一層電介質(zhì)，為的是與溶液絕緣。在有電流通過(guò)時(shí)，這個(gè)帶形結(jié)構(gòu)就會(huì)上下振動(dòng)起來(lái)，使固定在它上面的圓盤攪拌器也產(chǎn)生同樣的動(dòng)作。

為了篩選顆粒材料，很久以前，人們就學(xué)會(huì)了用金屬絲制作各種各樣的篩子或過(guò)濾器。遺憾的是，這些工具的工作質(zhì)量隨著時(shí)間的推移會(huì)逐漸降低，最后連大塊的材料也能漏下去，原因是金屬絲的拉力愈來(lái)愈弱。如果使用記憶金屬絲，就可以避免這一點(diǎn)。先在正常溫度下將這種金屬絲拉長(zhǎng)，安裝在框架中，加熱到60℃，使之縮短、繃緊，這樣篩子的工作質(zhì)量就能大大提高。

冬天，落在輸電線路上的雨雪會(huì)變成一層厚厚的冰凌，沉甸甸的，有時(shí)能把電線墜斷。為此，有人用記憶合金制造了一種彈簧式熱補(bǔ)償器，借助絕緣體固定在懸吊器兩邊的電線上。在電線結(jié)冰時(shí)，可將一種便移式裝置推到電線柱跟前，給熱補(bǔ)償器“送去”電流，熱補(bǔ)償器變熱后即刻像手風(fēng)琴的風(fēng)箱一樣開(kāi)始伸縮，牽動(dòng)電線，將冰雪抖掉。

對(duì)于裁縫來(lái)說(shuō)，紉針是件麻煩事，要把細(xì)細(xì)的一根線穿進(jìn)小小的針眼，往往要花費(fèi)不少時(shí)間。為了解決這個(gè)問(wèn)題，專家們研制出一種“魔針”。這種用記憶金屬制成的針的針眼曾經(jīng)在500℃溫度下被擴(kuò)大，冷卻后又變成與普通針完全相同的大小。在紉針前，只要稍微加溫，讓針眼接觸一下普通的電燈泡，它就會(huì)增大許多倍，以至連眼神不好的裁縫也能一下子把線穿進(jìn)去。

目前，“記憶金屬”的用途正在不斷地?cái)U(kuò)大。