“記憶合金”科普儀器的改進與開發(fā)

劉環(huán)環(huán) 郭飛余 王娟娟 李世榮 魏彥林 白云山，*

（1.陜西師范大學基礎(chǔ)實驗教學中心 陜西 西安 710062；2.陜西師范大學化學化工學院 陜西 西安 710119）

2010年5月5日，國務(wù)院常務(wù)會議審議并通過的《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》中，要求高校積極開展科學普及工作，提高公眾科學素質(zhì)。2016年5月，習近平總書記提出“科技創(chuàng)新、科學普及是實現(xiàn)發(fā)展的兩翼，要把科學普及放在與科技創(chuàng)新同等重要的位置。沒有全民科學素質(zhì)普遍提高，就難以建立起宏大的高素質(zhì)創(chuàng)新大軍，難以實現(xiàn)科技成果快速轉(zhuǎn)化”。由此可見，科學知識普及對于公民而言非常重要。

材料是我們?nèi)祟惿钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。從人類起源至今以來，材料自始至終在社會中起著至關(guān)重要的作用，每一種新材料的出現(xiàn)及其應(yīng)用，往往會引起人類社會的重大變革。當今，智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計材料之后的第四代材料，是現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一。

記憶合金［1-9］材料就是重要的智能材料之一，是由兩種以上金屬元素所構(gòu)成并通過熱彈性與馬氏體相變及其逆變而具有形狀記憶效應(yīng)的材料。由于具有優(yōu)異的性能，記憶合金材料廣泛應(yīng)用于航空航天、機械電子、生物醫(yī)療、橋梁建筑、汽車工業(yè)及日常生活等多個領(lǐng)域。基于此，將記憶合金材料制作成科普儀器，可以讓公眾更好地了解記憶合金材料的功能、體驗記憶合金材料在生活中的作用、感受以記憶合金材料為代表的智能材料的魅力。

在科普儀器研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，市場上現(xiàn)有的記憶合金科普儀器存在設(shè)計不完善、制作水平低、使用不便、展示效果差等問題。例如：記憶合金熱能發(fā)動機需要持續(xù)不斷地熱水供應(yīng)才能連續(xù)工作，記憶合金水車的葉片容易脫落。在陜西師范大學陸港小學開展科普宣教展演過程中，學生們對記憶合金科普儀器很感興趣，但由于受儀器自身條件限制，不能連續(xù)工作，造成后面參觀的小學生無法看到“記憶合金”科普儀器的工作，展示效果受到影響。再者，目前“記憶合金”科普儀器通常只是單一展示形狀變化，并未切合實際生活，不能使公眾感受記憶合金材料在生活中的重要作用。基于此，筆者對現(xiàn)有的記憶合金熱能發(fā)動機、水車進行優(yōu)化設(shè)計，對相關(guān)組件進行完善改進，提高儀器性能，增強設(shè)備的使用便利性及展示效果；同時開發(fā)了一套貼近大眾生活的“記憶合金”報警器，使公眾充分了解記憶合金的性能及其在實際生活中的重要用途。

一、實驗原理

形狀記憶合金是通過熱彈性與馬氏體相變及其逆變而具有形狀記憶效應(yīng)的由兩種以上金屬元素所構(gòu)成的材料。它是形狀記憶材料中形狀記憶性能最好的材料，可分為單程記憶效應(yīng)、雙程記憶效應(yīng)和全程記憶效應(yīng)，如圖1所示。單程記憶效應(yīng)指形狀記憶合金在較低的溫度下發(fā)生變形，加熱后可恢復變形前的形狀；雙程記憶效應(yīng)指形狀記憶合金加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時又能恢復低溫相形狀；全程記憶效應(yīng)指形狀記憶合金加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤睢Ｐ螤钣洃浐辖疬€有一種形變——偽彈性，在外力作用下，形狀記憶合金具有比一般金屬大得多的變形恢復能力，即加載過程中產(chǎn)生的大應(yīng)變會隨著卸載而恢復。這種偽彈性變形記憶合金在醫(yī)學和建筑減震以及日常生活方面得到了普遍應(yīng)用。本文主要是針對非偽彈性的記憶合金科普儀器性能進行優(yōu)化改進。

圖1 不同種類的形狀記憶合金的形狀變化

記憶合金熱能發(fā)動機的工作原理是彎曲的記憶合金絲受熱伸直驅(qū)動輪子轉(zhuǎn)動。它在高溫時伸直，低溫不變，屬于單程記憶合金。記憶合金水車中的葉柄在熱水中彎曲，相當于船槳在水中劃行，驅(qū)使記憶合金水車轉(zhuǎn)動，當葉柄轉(zhuǎn)到上方時，空氣冷卻，使其向相反的方向彎曲，記憶合金水車的重心偏移，迫使記憶合金水車轉(zhuǎn)動。記憶合金水車的葉柄屬于全程記憶合金。感溫記憶合金報警器中的關(guān)鍵部件就是記憶合金彈簧。它受熱時，彈簧伸長，連通電路，報警器響起來，警燈亮起來；冷卻后，彈簧收縮，電路斷開，報警器停止工作。這里用的記憶合金彈簧屬于雙程記憶合金。

二、記憶合金熱能發(fā)動機的改進

目前，市場上的記憶合金熱能發(fā)動機是由培養(yǎng)皿、記憶合金絲、兩個輪子（一大一?。?、支架及底座組成。培養(yǎng)皿用來盛熱水，彎曲的記憶合金絲受熱水加熱后伸直，在變形的過程中產(chǎn)生的力驅(qū)動小輪轉(zhuǎn)動，進而帶動大輪子轉(zhuǎn)動。但是培養(yǎng)皿中的熱水很快就涼了，尤其在冬天的時候熱水涼得更快，影響展示效果。同時，市售的記憶合金熱能發(fā)動機沒有展現(xiàn)出記憶合金熱能發(fā)動機的功能?；诖耍瑢ζ溥M行結(jié)構(gòu)和功能優(yōu)化設(shè)計。首先用智能控溫加熱器加熱水，確保了記憶合金熱能發(fā)動機中的記憶合金絲能連續(xù)不斷地恒溫受熱變形，驅(qū)動輪子轉(zhuǎn)動。其次，將記憶合金熱能發(fā)動機的大轉(zhuǎn)輪與微型發(fā)電機連接，再將微型發(fā)電機與LED 發(fā)光二極管連接。記憶合金絲受熱后變形，帶動輪子轉(zhuǎn)動，輪子繼而帶動微型發(fā)電機發(fā)電，從而使LED 發(fā)光二極管發(fā)光，如圖2 所示。這樣的展示，不僅使公眾體會到記憶合金絲的變形及在實際中的應(yīng)用，同時還能沉浸式地感受到先進材料帶來的科技創(chuàng)新。

圖2 改進的記憶合金熱能發(fā)電機

三、記憶合金水車的改進

如圖3 所示，直接購買回來的記憶合金水車的熱源來自塑料水槽中的熱水，每次展示時，需要提前燒好大量的熱水（約6 L）。由于塑料水槽沒有加熱和保溫的功能，其里面的熱水很快就冷卻下來，使得記憶合金水車工作時間短（約5 min），展示效果不佳。為解決目前記憶合金水車的不足，對其進行優(yōu)化改進，如圖3所示。它由葉片、葉柄、支桿、轉(zhuǎn)盤、底座和數(shù)顯恒溫水浴鍋組成。底座上固定轉(zhuǎn)盤，通過支桿將葉柄固定在轉(zhuǎn)盤上，葉片與葉柄通過導熱膠相連接固定。將數(shù)顯恒溫水浴鍋作為加熱源代替塑料水槽，提供連續(xù)不斷的熱水，使記憶合金水車能持續(xù)不斷地工作，大大提高了記憶合金水車的展示效果。同時，采用導熱膠固定記憶合金葉片，解決了螺絲固定葉片容易脫落的問題。數(shù)顯恒溫水浴鍋加熱其中的水達到70 ℃左右時，水輪車的葉柄受熱水加熱彎曲變形，相當于船槳劃水，葉柄離開熱水后，空氣冷卻，其又向相反的方向彎曲變形，水輪車就連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動起來。在科技活動展示中，公眾都感嘆之神奇，并由此展開討論其在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。

圖3 改進的記憶合金水車

四、感溫記憶合金報警器

利用雙程記憶合金彈簧、微型變壓器、警燈、警笛設(shè)計了一套溫控報警器，如圖4所示。微型變壓器和警燈分別用螺絲固定在有機玻璃上，它們其中的一條電路連通。警燈的另一條電路與固定在有機玻璃上的銅絲連接。變壓器的另一條電路與雙程記憶合金彈簧的一端連接，并通過螺絲固定在有機玻璃上。雙程記憶合金彈簧就是一個溫控開關(guān)。當溫度升高時，記憶合金彈簧伸長，與銅絲相接觸，電路連通，報警器工作；當不再受熱時，記憶合金彈簧縮短，與銅絲分開，電路斷開，報警器停止工作。該套裝置貼近生活，深受公眾喜歡，同時讓參觀者了解到材料的功能與器件的功能之間的關(guān)系。

圖4 感溫記憶合金報警器

五、結(jié)論

改進的記憶合金水車和熱能發(fā)動機操作方便，性能良好，增強了展示效果。設(shè)計、開發(fā)的溫控記憶合金報警器，提高了公眾對記憶合金智能材料在生活中的用途的直觀認識，同時還提高了公眾對科技改變生活的深刻體會，激發(fā)了學生對科學的興趣。這些優(yōu)化設(shè)計的記憶合金科普儀器已經(jīng)在綠地浐灞小學、西安市錦園小學、雁塔二中等中小學及大學學校的科技活動中展出，如圖5所示，得到公眾的認可。

圖5 學生正在探索記憶合金科普儀器的奧秘