你可能是眼镜一族,那么市面上有一种眼镜不小心折弯时,过几分钟它就会像有记忆一样恢复成原来的形状,你应该知道它们的原理吧。因为它们是用一种叫形状记忆合金的材料制成的。
形状记忆合金是在一个偶然的机会中,无意间被发现的。那是1961年春末夏初的事情,一天,美国海军军械实验室主任、冶金师布勒,因在其试验的工程中需要一批特殊的合金丝——镍(Ni)钛(Ti)合金丝(又称NT合金)。由于从仓库领来的这些细丝弯弯曲曲盘在一起,于是彼勒让工作人员把它们一根一根的拉直备用,然而在这一过程中,工作人员惊异的发现,这些被拉直的镍钛合金丝在接近火源时,奇迹出现了,它们马上又恢复到与领来时完全一样的弯曲形状,堆积在一起。冶金专家彼勒对此是既感到惊异又非常有兴趣。
给记忆合金命名
为了证实这种现象的存在,他又进行了多次重复实验进行验证,把弯曲的镍钛合金丝拉直后再加热,当弯曲的镍钛合金丝升高到一定的温度时,这些合金丝果然又恢复到了原先的弯曲状态。彼勒的实验结果表明:镍钛合金具有“单向”形状记忆功能,它能“记住”自己在较高温度状态下的形状,无论平时把它变成何种形状,只要把它加热到某一特定的温度,它就能立即恢复到原来的形状。将NT合金加工成一定的形状,在300~1000℃温度下热处理30分钟,这种合金就能“记住”自己的形状。于是,布勒就把海军军械实验室的英文缩写“NOL”(诺尔)加在绦钛合金名字后面来命名这种合金。
科学家们在彼勒研究的基础上,通过进一步的研究与实验还发现:自然界确实存在着能恢复原状的物质。科学家们把镍钛合金所具有的这种特性称为合金的“形状记忆效应”;称这种能恢复原状的合金为形状记忆合金。科学家们在深入研究的过程中还发现,许多合金,如金镉合金、铜铝镍合金、铜锌合金等,也有如同镍钛合金一样的形状记忆功能。
这些合金为什么会具有形状记忆功能呢?科学家们经过进一步的研究发现:原来金属的晶体状态,在被加热和冷却时是不同的,这类合金都有一个共同的特点,那就是他们的晶体结构都有随温度的变化由不稳定状态向稳定状态转变的性质。不同的合金有着不同的转变温度。例如,镍钛合金的转变温度为40℃。在转变温度以上时,金属的晶体结构处于稳定状态;而在转变温度以下时,这类合金的晶体结构处于不稳定状态。若在转变温度以下,我们改变它的形状,再把它加热到转变温度以上时,不稳定结构就变成了稳定的结构,相应的其形体也恢复到原来的状态。形状记忆合金几乎能丝毫不差地恢复原状,并且能重复这一过程达数百万次以上也不产生疲劳断裂现象,这种奇特的功能深受科学家们的青睐,因而这类合金被用来制作许多奇妙的器件,其应用领域也越来越广泛。
被广泛应用的金属
科学家们用形状记忆合金制成了卫星天线,当卫星进入预定轨道时,在太阳光的照射下,天线的温度就会升高,当温度上升到其转变温度以上时,卫星天线便会从发射时的折叠状态迅速展开,恢复成原来设计时的状态——半球面的网状结构,从而开始了它的通信业务功能。
科学家们在工程上,还将此项技术用于管道连接,美国的科学家还用形状记忆合金材料制作了F—14喷气发动机的一种接头,这种接头先在转变温度以上进行加工,并使其内径小于所连接管件的外径。随后在转变温度以下进行扩孔,并插入需要连接的管件,当温度升到转变温度以上时,接头就恢复到原来的形状,由此便得到了无丝毫接缝的管路接头。利用形状记忆合金弹簧制成的温度自动控制门,当室内温度过高时,它便根据记忆形状展开,自动将门打开,让冷空气流入,从而起到自动降温的作用。
形状记忆合金在医学上也有比较广泛的应用。由于镍钛合金与生物体有很好的相容性,可在人体内作为固定折断骨骼的插销,做成接骨板,使断骨紧紧的连接在一起。用形状记忆合金做成极精细的网络,然后降温压成细丝,插入血管,由于体温的作用,使它恢复网络形状,在血管中起血栓过滤作用,此外医生们还利用形状记忆合金进行牙齿矫正等。例如人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器、各类腔内支架、栓塞器、心脏修补器、血栓过滤器、介入导丝和手术缝合线等,记忆合金在现代医疗中正扮演着不可替代的角色。
除此之外,科学家们现在正在研究和试验镍钛合金和其它形状记忆合金,以用于汽车制造业。将来的汽车即使被撞的伤痕累累、面目全非也不要紧,只要用火烤一烤,或放入热水中泡一泡,汽车就会恢复原来的形状。现在科学研究表明,以镍钛记忆合金为“筋骨”的混凝土桥梁具有极强的抗震能力。这是因为这种记忆合金具有“超弹性”,其弹性极限远远大于普通的材料,即使在外力作用下,该合金的几何形状发生巨大的变化,但只要未超出一定的形变范围,当外力作用消失后,这种材料可努力自动恢复原状。
此外,形状记忆合金还有铜—锌、金—镉、镍—铝等20多种。目前科学工作者正在研制廉价的铜系NT合金。NT合金的应用极为广泛,除了可用于温度自动控制、电路自动控制、集成电路引线、汽车部件和机械零件外,由于其与生物体的相容性良好,耐腐蚀性强,还可用于骨科、牙齿和人造心脏零件等医用材料。