有記憶力的合金

華興恒

人類具有記憶能力，這并不新鮮，如果說金屬也有記憶能力就會讓人覺得不可思議。事實上，具有記憶能力的金屬真的存在，它們被科學(xué)家稱之為“形狀記憶合金”。

形狀記憶合金是在上個世紀60年代被發(fā)現(xiàn)的。

一天，美國海軍的一個研究所軍械研究室的冶金專家彼勒在實驗中需要一批特殊的合金絲——鎳（Ni）鈦（Ti）合金絲。從倉庫領(lǐng)來的這些細絲彎彎曲曲盤在一起，使用不便，于是彼勒讓工作人員把它們一根一根拉直，以備實驗之用。但工作人員驚異地發(fā)現(xiàn)，被拉直的鎳鈦合金絲在接近火源時都無一例外地又恢復(fù)彎曲的形狀，堆積在一起。

彼勒對此產(chǎn)生了興趣，他進行了多次實驗，把彎曲的鎳鈦合金絲拉直后再加熱，當達到一定的溫度（轉(zhuǎn)變溫度）時，這些合金絲又恢復(fù)了原先的彎曲狀態(tài)。彼勒的實驗表明，鎳鈦合金具有單向形狀記憶功能，它能“記住”自己在較高溫度環(huán)境下的形狀，無論把它變成何種形狀，只要加熱到特定的溫度，它就能立即恢復(fù)原狀。

也就是說，當環(huán)境溫度遠離轉(zhuǎn)變溫度時，鎳鈦合金絲是沒有“知覺”的，可任憑人們隨意改變它的形狀，但環(huán)境溫度一旦達到轉(zhuǎn)變溫度，鎳鈦合金絲就會被“喚醒”，立即恢復(fù)其本來面目。如果將鎳鈦合金加工成一定的形狀，在300℃ ～ 1000℃溫度下熱處理30分鐘，這種合金就能“記住”自己的形狀。

在彼勒的研究基礎(chǔ)上，科學(xué)家進一步研究發(fā)現(xiàn)，自然界確實存在能恢復(fù)原狀的物質(zhì)。科學(xué)家把這種特性稱為合金的“形狀記憶效應(yīng)”，稱這種能恢復(fù)原狀的合金為形狀記憶合金。

科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多合金具有形狀記憶功能，如金鎘合金、銅鋁鎳合金、銅鋅合金等。

為什么這些合金具有形狀記憶功能？從根本上說，這是由合金內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)固有的變化規(guī)律所決定的。

科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，固態(tài)金屬中的原子是按照一定的規(guī)律有序排列的，隨環(huán)境溫度的變化，有的合金內(nèi)部原子的排列方式會發(fā)生很大的變化；當溫度回到原來的數(shù)值時，原子又恢復(fù)原來的排列方式。也就是說，金屬的晶體狀態(tài)在被加熱和冷卻時是不同的。這類合金都有一個共同的特點，那就是它們的晶體結(jié)構(gòu)都有隨溫度的變化由不穩(wěn)定狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變的性質(zhì)。

不同的合金有不同的轉(zhuǎn)變溫度。例如，鎳鈦合金的轉(zhuǎn)變溫度為40℃。在轉(zhuǎn)變溫度以上時，金屬的晶體結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)；而在轉(zhuǎn)變溫度以下時，其晶體結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。若在轉(zhuǎn)變溫度以下，我們改變它的形狀，再把它加熱到轉(zhuǎn)變溫度以上時，不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)就變成了穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其形體也會恢復(fù)原來的狀態(tài)。

形狀記憶合金幾乎能絲毫不差地恢復(fù)原狀，并且重復(fù)這一過程數(shù)百萬次以上也不產(chǎn)生疲勞斷裂現(xiàn)象，這種奇特的功能深受科學(xué)家的青睞。

科學(xué)家用形狀記憶合金制成了衛(wèi)星天線。當衛(wèi)星進入預(yù)定軌道時，在太陽光的照射下，天線的溫度升高，當溫度上升到其轉(zhuǎn)變溫度以上，衛(wèi)星天線便會從發(fā)射時的折疊狀態(tài)迅速展開，恢復(fù)成設(shè)計時的狀態(tài)——半球面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而開啟通信功能。

美國的科學(xué)家用形狀記憶合金材料制作了F-14噴氣發(fā)動機的一種接頭，制作時先在轉(zhuǎn)變溫度以上加工，并使其內(nèi)徑小于所連接管件的外徑。隨后在轉(zhuǎn)變溫度以下進行擴孔，并插入需要連接的管件，當溫度升到轉(zhuǎn)變溫度以上時，接頭就恢復(fù)原狀，由此得到無絲毫接縫的管路接頭。

科學(xué)家利用形狀記憶合金彈簧制成了溫度自動控制門，當室內(nèi)溫度過高時，它便根據(jù)記憶形狀展開，自動將門打開，讓冷空氣流入，從而起到降溫的作用。

鎳鈦合金與人體有很好的相容性，可做成接骨板，在人體內(nèi)充當固定折斷骨骼的插銷，使斷骨緊緊連接。用形狀記憶合金還可做成極精細的網(wǎng)絡(luò)，然后降溫壓成細絲插入血管，在體溫的作用下它會恢復(fù)網(wǎng)狀，在血管中起血栓過濾作用。此外，醫(yī)生們還利用形狀記憶合金進行牙齒矯正等。

科學(xué)家正在研究將鎳鈦合金和其他形狀記憶合金用于汽車制造業(yè)。將來的汽車即使被撞得傷痕累累、面目全非也不要緊，只需用火烤一烤或放入熱水中泡一泡，汽車就會恢復(fù)原狀。

研究表明，以鎳鈦合金為“筋骨”的混凝土橋梁具有極強的抗震能力。這是因為這種合金具有“超彈性”，其彈性極限遠遠大于普通材料，即使在外力作用下該合金的幾何形狀發(fā)生巨大變化，但只要未超出一定的形變范圍，外力作用消失后，這種材料就可自動恢復(fù)原狀。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在鎳鈦合金中添加微量的鐵或鉻可使其轉(zhuǎn)變溫度降低到零下110 ℃。此后，科研人員又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了銅-鋅-鋁和銅-鎳-鋁等銅系記憶合金，它們的轉(zhuǎn)變溫度范圍很寬。目前科學(xué)工作者正在研制廉價的銅系鎳鈦合金。

今后，隨著研究工作的不斷深入，將有更多形狀記憶合金面世，滿足人類更廣泛的需求。