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有趣的形狀記憶材料

2022-08-02 16:07:42 作者：材易通來源：材易通分享至：

1 記憶材料的發現

1932年，瑞典人奧蘭德首次在金鎘合金中觀察到“記憶“效應，而最早關于形狀記憶材料的報道則是 Chang及 Read等人在1952年作出的，當金錫(Au 一Cd)合金的形狀被改變之后，一旦加熱到一定溫度時，它又可以魔術般地變回到原來的形狀。1962年，美國海軍的一個研究小組從倉庫領來一些鎳鈦合金絲做試驗，他們發現這些合金絲彎彎曲曲，使用起來很不方便，于是就把它們一根根拉直。之后，奇怪的現象發生了，他們發現，當溫度升到一定的數值時，這些已經拉直的鎳欽合金絲突然又恢復到原來的彎曲狀態，這一現象引起了他們的興趣，于是反復做了試驗，結果證實了這些細絲確實具有這種回彈的“記憶”功能。他們的這一發現，引起了科學界的極大興趣，大量科學家開始對此現象進行深入研究。后來發現銅鋅合金、銅鋁鎳合金、銅鑰鎳合金、銅金鋅合金等眾多合金也具有這種奇特的本領。這些合金的“改變一恢復”可以多次重復，不管怎么改變，它們總是能記憶自己當時的形狀，人們把這種合金叫做形狀記憶合金。

形狀記憶材料的開發迄今不過20余年，但由于其特殊性能和在各領域的應用，已經廣為世人所矚目。現在的形狀記憶材料更加智能化，在外力作用下變形后，可以根據需要在熱、光、電等物理或化學刺激下，使其恢復到初始形狀。

2 形狀記憶合金

具有形狀記憶效應的材料廣泛存在于金屬、陶瓷和聚合物等材料中。形狀記憶合金是記憶材料中最早發現和被廣泛應用的一種，在記憶材料中一直處于主流地位。

圖1 形狀記憶合金分類 a單向形狀記憶；b雙向形狀記憶；c全方位形狀記憶

形狀記憶現象的產生主要是由相變引起，大部分形狀記憶合金相變是熱彈性，即低溫時在外力作用下變形，高溫時金屬發生自動恢復。一般稱高溫相為母相(奧氏體)，低溫相為馬氏體相。將母相在低溫下經外力變形，再重新加熱時馬氏體會逐漸消失，隨后樣品完全恢復母相形狀，這種現象稱為單向形狀記憶（圖1a）；有些合金不但對母相有記憶效應，而且再次冷卻時它還會自動恢復原馬氏體的形狀，這種現象稱為雙向形狀記憶（圖1b）；第三種形狀記憶效應最初是在Ti一Ni 合金中發現的，這種Ti-Ni合金在冷熱循環過程中，形狀可恢復到與母相剛好相反的形狀，這種現象為全方位形狀記憶（圖1c）。至今為止發現的記憶合金體系Au一Cd、Ag一Cd、Cu一Zn、Cu一Zn一Al、Cu一Zn一Sn 和Fe一Mn一Si等多種。

Ti一Ni合金是迄今為止發現的形狀記憶合金中記憶特性最好的一種。這種合金在熱循環或外力作用下循環性能比較穩定，反復循環的壽命比較長，合金的平均晶粒大小只有數十個微米，因此它不容易產生破裂，成形性能比較好。如果Ti一Ni合金的平均粒徑尺寸再減少一個數量級，達到幾個微米，則可使其反復循環的壽命更長，強度更大，形狀回復效率更高。

在后來的研究中發現，形狀記憶合金中馬氏體相變，不僅可以由溫度引起，也可以由外力等其他因素引起，由外引起的相變叫做應力誘發相變。記憶合金以其良好的記憶性能、超彈性功能及良好的生物相容性，在生物醫學領域有著廣泛的應用。近幾年來，Ni一Ti形狀記憶合金在醫學中的應用領域不斷擴大，其潛在的應用前景已受到了人們的廣泛關注，尤其表現在各種管道狹窄部位的形狀記憶支架的研制與開發方面。Ni一Ti形狀記憶合金內支架可在體內長期處于超彈性狀態，彈性力不隨變形量的增加而增加，而可恢復變形量大，變形抗力適中，疲勞性好，利用材料的形狀記憶功能可使支架制成可取回式的，這些都是其他材料所不能比擬的。動物試驗表明，拋光的Ni一Ti 形狀記憶合金支架與同樣設計的不銹鋼支架相比，血栓性明顯降低。目前，臨床初期試驗結果顯示，Ni一Ti形狀記憶合金支架對于大直徑血管病變和非理想病變治療非常有效，這已成為當前重點研究方向。

隨著記憶合金種類的增加，人們開始研究記憶材料在除冷熱條件以外的其他條件下的相應現象，其中磁控形狀記憶合金就是新發現之一。磁控形狀記憶合金是具有受磁場控制的形狀記憶效應的合金。主要特點是合金在磁場中會產生明顯的宏觀變形，而去掉作用磁場后，這種宏觀變形隨之消失。因此這種合金材料可以作為磁場控制的驅動器材料。首先發現了其磁控形狀記憶效應，如今應用廣泛的磁控形狀記憶在1996年合金是 Heusler類型的Ni - Mn一Ga合金。磁控形狀記憶合金中包含朝不同方向的馬氏體，對這種合金沿著某個方向施加磁場作用時，馬氏體的磁響應程度不同，因而會產生相應的變形。當去掉磁場后，磁場誘發的變形也會隨即消失。

形狀記憶合金的應用

1. 偏壓式雙程動作元件

這種元件常常將形狀記憶合金做成螺旋彈簧形式，同時和一個普通壓縮彈簧組合起來使用，在低溫時，由于偏壓簧的彈性作用，形狀記憶合金彈簧被壓縮;高溫時，形狀記憶合金彈簧伸長產生的恢復力比較大，使偏壓彈簧向右并緊;若處反復升溫降溫環境，則可實現雙程往復推拉的動作特性。

2. 自膨脹血管栓塞器

人工血管能起擴管作用，血管栓塞器相反是通過形狀記憶效應來達到堵塞血管的作用。在血管造影下，濾血器呈線狀經由小孔導管進入靜脈內，到達肺靜脈腔后在體熱作用下恢復原來的濾網狀并且永久性地鎖定在該位置，捕獲來自骨盆靜脈或下肢靜脈的血栓，預防肺栓塞的形成。

3. 抗地震材料

形狀記憶合金在橋梁和建筑結構中的潛在應用包括結構支承、支柱和橫梁或梁和柱間的連接部件。目前，研究人員已經能夠準確地預知形狀記憶合金內部溫度和應力的分布，他們發現給形狀記憶合金慢慢施加負荷時，合金有時間將產生的熱量同周圍的環境進行交換，其內部產生了均勻的應力分布；然而，向合金快速施加負荷，熱量無法在短時間內與周圍環境交換，從而合金內部出現非均勻應力分布。

4. 航天裝置

在航天領域，美國最早將鈦鎳形狀記憶合金用于宇宙飛船的天線，發射前折成直徑5厘米的球狀，待飛船進入太空后，通過加熱使合金絲升溫，當達到77℃相變溫度后，天線就完全打開至原先設定的拋物面形狀，實現與地面的信號傳遞和交流，起到嘴巴和耳朵的作用。

5. 牙齒矯形

傳統牙齒矯形用不銹鋼 Co 一Cr合金絲，但這些材料有彈性模量高、彈性應變小的缺點。為了給出適宜的矯正力，在矯正前就要加工成弓形，而且對安裝固定有很高的要求。形狀記憶合金不僅具有形狀記憶性能，還具有超彈性，因而在加載和卸載過程中壓力恒定，即使應變高達10%也不會產生塑性變形，所以即使形變增大，矯正力卻能保持恒定。因而結扎時即使產生很大的變形也能保持適宜的矯正力，不僅操作簡便、療效好，還能減輕患者的不適感。

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