大揭秘：形狀記憶合金為什么會有“記憶”！

材料牛注：人有記憶，不稀奇，但是金屬竟然也有記憶，這就神奇了！形狀記憶如何擁有“記憶”？請看本文

每個人理所當然的會記住各種有用的事情。長相、名字、住址，名人面孔、家庭成員生日，也許你還會說一兩種外語。然而，人們驚奇的發現無生命物體也能有一種記憶性。金屬湯匙中的原子幾乎一直保持在同一個地方：一旦形成勺子，永遠是勺子。你可以用鉗子把勺子掰彎，它就變成面部全非的金屬片。但是如果勺子用記憶合金做的，那勺子形狀記憶不會消失。如果再次加熱，它會神奇地變成原來形狀！形狀記憶神奇材料最廣為人知的應該是“堅不可摧的”眼鏡支架和胸罩內的金屬架，但是其實它們有著各種各樣的神奇用途，尤其在醫學和航天領域。

彈性與塑性

如果知道一點材料學知識并知道當拉伸或擠壓材料，材料的應力應變情況，這將對理解形狀記憶概念有所幫助。

像湯匙這樣的固體，除非施加應力，否則它一直保持著勺子形狀。這毫不意外！因為本質上意味著“固體”。用一個足夠大的力，一個物體總是會改變形狀或變形；它具體變成什么樣取決于材料。某些材料是脆性的，而且根本不會改變形狀。如果勺子是玻璃或者木頭制成的，彎曲的次數過多就會斷裂成碎片。

如果它是由厚橡膠制成的，在拉伸或擠壓時會有微小變形，然而當移走施加應力的瞬間，它就會恢復到原來形狀。這種行為定義為彈性：物體在外力作用下發生形變，外力撤銷時則恢復到原來形狀，我們說它是彈性的，并且完全可逆的拉伸過程是彈性變形。我們經常談論“彈性”，仿佛它是材料本身的屬性，但實際上彈性單指那些擁有彈性的人工的、橡膠材料。甚至金屬也有彈性，只要你不用力拉伸，特別是它們做成彈簧。

如果勺子是塑料的？意味著可以將至彎曲永久變形。當停止用力，勺子保持著新形狀而不會回到原來的形狀。這種行為定義為塑性，同時也可以解釋塑料的命名。塑料是由大分子（聚合物）制成的化學品，通常在制造過程中（或者之后）成形，因為分子鏈非常容易滑移。通常，塑料在工廠中由熔融態，模具成型，然后冷卻使之硬化（凝固）。但是就像“彈性”一樣，塑性指的是它的行為，而不是它的組成。在某種意義上來說，許多軟金屬是塑性的，因為可以來回彎曲而不會回到原來形狀。這種不可逆的變形稱為塑性形變。

什么是形狀記憶？

材料科學就是選擇最好的材料來做某項特定的工作。例如，設計一個噴氣式發動機，可以選擇非常輕而且能夠耐高溫的堅固材料——鋁、鈦或者合金。但是如果你想要做一個低溫下表現某種方式，但是加熱時表現卻不同的飛機零件呢？這種情況下，你可以使用形狀記憶合金，它可以隨著溫度變化自動重塑。

普通的金屬沒有形狀記憶。如果坐在鋁制眼鏡架上并且永久的彎曲它們，它們很難回到原來的樣子。你必須照著自己記憶中眼鏡框的樣子辛苦地去調整，就算是這樣，也很難保證眼鏡框回到以前的樣子。而且如果來回彎曲次數太多，鏡框達到疲勞強度可能會永遠的斷裂。

形狀記憶金屬與普通金屬表現不同。它們是強而輕、具有特殊性能的合金（通常混合兩種或更多的金屬）。它們可以“編程”記住原來的形狀，所以如果彎曲或擠壓它們，可以通過加熱使它們重新恢復到原來形狀。這被稱為形狀記憶效應(既然加熱能使它改變，也可以稱之為熱形狀記憶效應)。某些形狀記憶金屬在熱的時候記住一種形狀，但在冷卻時候記住另一種形狀，所以冷卻時它們變成一種形狀，但加熱時它們“忘記”原來形狀，頸縮成一個不同的形狀。這被稱為雙向形狀記憶效應。現在，假如可以做一種形狀記憶體，即使彎曲和扭曲很多次即使沒有加熱，但仍然可以恢復成原來形狀？這是形狀記憶的一個方面叫作偽彈性或超彈性，它適用于那些超級柔軟，幾乎堅不可摧的眼睛框，制造商說它至少比鋼柔韌十倍！

雖然鎳鈦合金（又稱為鎳-鈦，Ni-Ti）可能是最廣為人知的形狀記憶合金，但是實際還有許多其他形狀記憶合金，包括銅鋅鋁合金，銅鋁鎳合金，鐵錳硅合金；還有相當多其他種類的。你也能發現以品牌命名的形狀記憶合金例如FLEXINOL?和Muscle Wires?，這是由該公司特有的鎳鈦合金。

形狀記憶如何發揮作用？

最容易理解形狀記憶的方式是記住發生在材料內部（即原子和分子的納米尺度）的變化也許和外部看起來發生的完全不同。

拉伸橡皮圈，在它內部交聯和糾纏的橡膠大分子鏈打開和分離。撤銷拉力，分子鏈重新聚集到一起，這就是彈性的工作機理。形狀記憶是不同的。彎曲形狀記憶合金物體使其內部晶體結構變形。不進行處理，它就會保持永久的彎曲形狀。然而對其加熱，晶體內部結構變成完全不同的形狀，推動物體回到原來的形狀。超彈性是相似的，但是你變形后使物體恢復到原來形狀不需要溫度。如果彎曲了一對形狀記憶眼鏡框，所施加的應力使鈦合金變成完全不同的晶體結構；放開手后晶體結構恢復，眼鏡框回到原來的形狀。

形狀記憶和超彈性發生的是固體材料內部結構在兩種不同的晶體形式之間的轉換，換句話說，它的分子以完全可逆方式重新排列。這就是固態相變，它聽起來比實際情況復雜。其實我們都習慣了相變：你把冰塊放到飲料里然后它融化了，你觀察到的就是相變。隨著冰塊融化，其分子從緊密堆積結構轉變成更松散和更流動的結構，所以水從固相（冰）轉變成液相（平常的液體水）。發生在固態相變中的大致相似的事情是材料在轉變前和后都是固體，因為在整個過程中所有分子之間保持的非常近。

形狀記憶合金在奧氏體和馬氏體兩種結晶態之間轉變。在低溫時，它們呈現相對柔軟、塑性和容易成形的馬氏體；在（相對）高溫時，它們變成更硬和更難以變形的奧氏體。假設你有一個形狀記憶電線，你可以相對容易地把它變成新的形狀。它的內部是馬氏體，這就是它容易變形的原因。無論你怎么彎曲電線，它都保持新的形狀；就像任何普通的電線，它看起來像在進行普通的塑性形變。見證奇跡的時刻！對電線微微加熱（高于相變溫度），其內部變成奧氏體，在熱能作用下內部原子重新排列然后電線恢復到原來形狀。冷卻下來，電線重新恢復成馬氏體，仍然恢復成原來形狀。如果整個過程中材料的溫度高于相變溫度，你可以使其變形，但是當你釋放你施加的應力，它立刻恢復到原來的形狀。

形狀記憶令人驚奇也可能使人困惑的是奧氏體和馬氏體之間的轉換不是“對稱”的。你可以取一條“編程”的形狀記憶電線（有明顯易記的形狀），然后可以用不同的方式去彎曲它。但是當你加熱你剛剛隨意彎曲的電線，它總是回到一條單一、明顯的形狀。我們可以這樣理解這一點，材料在馬氏體狀態下可以愉快地變成任何晶體形式。但是當它在奧氏體時，它只有一種晶體形式。這也是最穩定的狀態，也即最低能量狀態。

當施加應力（壓力）而不是加熱時，超彈性和形狀記憶表現相似。通常，組成合金的是奧氏體的韌性形式。假設對形狀記憶眼鏡施加應力（就是彎曲它們），奧氏體轉換成馬氏體后非常容易變形。放開鏡框后馬氏體變回了奧氏體，所以眼鏡回到最原始的形狀。

形狀記憶合金用途？

Arne Olander在上世紀30年代發現金-鎘合金中存在形狀記憶效應，但是在上世紀60年代美國海軍軍械實驗室開發出鈦鎳合金之后，形狀記憶合金（也叫作SMAs，金屬肌肉，記憶金屬，智能金屬）開始真正推廣使用。幾十年后，形狀記憶金屬已經是所有醫學和健康相關設備領域最平常的選擇，包括從牙科植入物到外科工具，從胸罩內線到眼鏡框（以Flexon品牌出售）。與塑料、金屬或傳統合金不同，形狀記憶合金兼具堅固和柔韌的優點，易于消毒并耐腐蝕。由于輕質、堅韌并能在高溫下工作的特性，形狀記憶合金也廣泛應用于航空航天部件，例如火箭和空間探測器。

形狀記憶合金在機器人領域應用快速增長。有時人們需要設計特殊用途的機器人到傳統機器人無法到達的地方：可能需要在十分堅實的火箭上炸出孔洞，或者需要在門口悄悄的監視罪犯。考慮到這些，工程師們開始設計由形狀記憶合金制成的自動展開機器人。它們開始時折疊在一起，當他們需要被激活時，電流通過機器人形狀記憶的部件，加熱它們至回到“預編程”的穩定不變機器人形狀。

形狀記憶聚合物

形狀記憶合金聽起來高大上，但是它們也有缺點：形狀記憶合金比普通不銹鋼更易達到疲勞強度（多次重復變形后斷裂），而且比傳統的鋼或鋁合金的制造成本更高。上世紀90年代，材料學家開始開發與形狀記憶合金相似且具有形狀記憶效應的形狀記憶聚合物（SMPs）。正如普通塑料改變了世界，形狀記憶聚合物很可能在未來幾年拓寬它的應用領域，因為SMPs比金屬基合金更輕、更便宜和更柔韌。和SMPs最密切相關的是SCPs（形狀改變聚合物），當它們受熱（或以其他方式被能量刺激），其逐漸改變形狀；然而當冷卻的時候，其恢復形狀。雖然自愈合材料（一種損傷后自我治愈的材料）也可以在多種不同的方式下工作，它們與SMPs非常相似。例如，可以設想一下，一個塑料機身可以吸收射入的子彈的動能后轉換成內能，并用內能激活形狀記憶效應使聚合物恢復到原來形狀，迅速愈合和密封。

原文鏈接：Shape-memory materials

本文由編輯部龍騎士提供素材，張雨編譯，劉宇龍審核，點我加入材料人編輯部。

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