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(huì)讓人覺得不可思議。事實(shí)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(gè)世紀(jì)60年代被發(fā)現(xiàn)的。

一天，美國海軍的一個(gè)研究所軍械研究室的冶金專家彼勒在實(shí)驗(yàn)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(xì)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(shí)驗(yàn)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(shí)都無一例外地又恢復(fù)彎曲的形狀，堆積在一起。

彼勒對(duì)此產(chǎn)生了興趣，他進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，把彎曲的鎳鈦合金絲拉直后再加熱，當(dāng)達(dá)到一定的溫度（轉(zhuǎn)變溫度）時(shí)，這些合金絲又恢復(fù)了原先的彎曲狀態(tài)。彼勒的實(shí)驗(yàn)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(dāng)環(huán)境溫度遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，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(dá)到轉(zhuǎn)變溫度，鎳鈦合金絲就會(huì)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(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，自然界確實(shí)存在能恢復(fù)原狀的物質(zhì)?？茖W(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(huì)發(fā)生很大的變化；當(dāng)溫度回到原來的數(shù)值時(shí)，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(shí)是不同的。這類合金都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)就變成了穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其形體也會(huì)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(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入預(yù)定軌道時(shí)，在太陽光的照射下，天線的溫度升高，當(dāng)溫度上升到其轉(zhuǎn)變溫度以上，衛(wèi)星天線便會(huì)從發(fā)射時(shí)的折疊狀態(tài)迅速展開，恢復(fù)成設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)機(jī)的一種接頭，制作時(shí)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(jìn)行擴(kuò)孔，并插入需要連接的管件，當(dāng)溫度升到轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)，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(dòng)控制門，當(dāng)室內(nèi)溫度過高時(shí)，它便根據(jù)記憶形狀展開，自動(dòng)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(dāng)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(xì)的網(wǎng)絡(luò)，然后降溫壓成細(xì)絲插入血管，在體溫的作用下它會(huì)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(jìn)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(huì)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(qiáng)的抗震能力。這是因?yàn)檫@種合金具有“超彈性”，其彈性極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dòng)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(jià)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。