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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(lái)源：材易通分享至：

1 記憶材料的發(fā)現(xiàn)

1932年，瑞典人奧蘭德首次在金鎘合金中觀察到“記憶“效應(yīng)，而最早關(guān)于形狀記憶材料的報(bào)道則是 Chang及 Read等人在1952年作出的，當(dāng)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(shí)，它又可以魔術(shù)般地變回到原來(lái)的形狀。1962年，美國(guó)海軍的一個(gè)研究小組從倉(cāng)庫(kù)領(lǐng)來(lái)一些鎳鈦合金絲做試驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)這些合金絲彎彎曲曲，使用起來(lái)很不方便，于是就把它們一根根拉直。之后，奇怪的現(xiàn)象發(fā)生了，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度升到一定的數(shù)值時(shí)，這些已經(jīng)拉直的鎳欽合金絲突然又恢復(fù)到原來(lái)的彎曲狀態(tài)，這一現(xiàn)象引起了他們的興趣，于是反復(fù)做了試驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)了這些細(xì)絲確實(shí)具有這種回彈的“記憶”功能。他們的這一發(fā)現(xiàn)，引起了科學(xué)界的極大興趣，大量科學(xué)家開始對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行深入研究。后來(lái)發(fā)現(xiàn)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(lǐng)。這些合金的“改變一恢復(fù)”可以多次重復(fù)，不管怎么改變，它們總是能記憶自己當(dāng)時(shí)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(fā)迄今不過(guò)20余年，但由于其特殊性能和在各領(lǐng)域的應(yīng)用，已經(jīng)廣為世人所矚目?，F(xiàn)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(jù)需要在熱、光、電等物理或化學(xué)刺激下，使其恢復(fù)到初始形狀。

2 形狀記憶合金

具有形狀記憶效應(yīng)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(fā)現(xiàn)和被廣泛應(yīng)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(xiàn)象的產(chǎn)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(shí)在外力作用下變形，高溫時(shí)金屬發(fā)生自動(dòng)恢復(fù)。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(jīng)外力變形，再重新加熱時(shí)馬氏體會(huì)逐漸消失，隨后樣品完全恢復(fù)母相形狀，這種現(xiàn)象稱為單向形狀記憶（圖1a）；有些合金不但對(duì)母相有記憶效應(yīng)，而且再次冷卻時(shí)它還會(huì)自動(dòng)恢復(fù)原馬氏體的形狀，這種現(xiàn)象稱為雙向形狀記憶（圖1b）；第三種形狀記憶效應(yīng)最初是在Ti一Ni 合金中發(fā)現(xiàn)的，這種Ti-Ni合金在冷熱循環(huán)過(guò)程中，形狀可恢復(fù)到與母相剛好相反的形狀，這種現(xiàn)象為全方位形狀記憶（圖1c）。至今為止發(fā)現(xiàn)的記憶合金體系A(chǔ)u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(fā)現(xiàn)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(huán)或外力作用下循環(huán)性能比較穩(wěn)定，反復(fù)循環(huán)的壽命比較長(zhǎng)，合金的平均晶粒大小只有數(shù)十個(gè)微米，因此它不容易產(chǎn)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(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到幾個(gè)微米，則可使其反復(fù)循環(huán)的壽命更長(zhǎng)，強(qiáng)度更大，形狀回復(fù)效率更高。

在后來(lái)的研究中發(fā)現(xiàn)，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(yīng)力誘發(fā)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(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。近幾年來(lái)，Ni一Ti形狀記憶合金在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，其潛在的應(yīng)用前景已受到了人們的廣泛關(guān)注，尤其表現(xiàn)在各種管道狹窄部位的形狀記憶支架的研制與開發(fā)方面。Ni一Ti形狀記憶合金內(nèi)支架可在體內(nèi)長(zhǎng)期處于超彈性狀態(tài)，彈性力不隨變形量的增加而增加，而可恢復(fù)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(dòng)物試驗(yàn)表明，拋光的Ni一Ti 形狀記憶合金支架與同樣設(shè)計(jì)的不銹鋼支架相比，血栓性明顯降低。目前，臨床初期試驗(yàn)結(jié)果顯示，Ni一Ti形狀記憶合金支架對(duì)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(dāng)前重點(diǎn)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(yīng)現(xiàn)象，其中磁控形狀記憶合金就是新發(fā)現(xiàn)之一。磁控形狀記憶合金是具有受磁場(chǎng)控制的形狀記憶效應(yīng)的合金。主要特點(diǎn)是合金在磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生明顯的宏觀變形，而去掉作用磁場(chǎng)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(chǎng)控制的驅(qū)動(dòng)器材料。首先發(fā)現(xiàn)了其磁控形狀記憶效應(yīng)，如今應(yīng)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(duì)這種合金沿著某個(gè)方向施加磁場(chǎng)作用時(shí)，馬氏體的磁響應(yīng)程度不同，因而會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形。當(dāng)去掉磁場(chǎng)后，磁場(chǎng)誘發(fā)的變形也會(huì)隨即消失。

形狀記憶合金的應(yīng)用

1. 偏壓式雙程動(dòng)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(shí)和一個(gè)普通壓縮彈簧組合起來(lái)使用，在低溫時(shí)，由于偏壓簧的彈性作用，形狀記憶合金彈簧被壓縮;高溫時(shí)，形狀記憶合金彈簧伸長(zhǎng)產(chǎn)生的恢復(fù)力比較大，使偏壓彈簧向右并緊;若處反復(fù)升溫降溫環(huán)境，則可實(shí)現(xiàn)雙程往復(fù)推拉的動(dòng)作特性。

2. 自膨脹血管栓塞器

人工血管能起擴(kuò)管作用，血管栓塞器相反是通過(guò)形狀記憶效應(yīng)來(lái)達(dá)到堵塞血管的作用。在血管造影下，濾血器呈線狀經(jīng)由小孔導(dǎo)管進(jìn)入靜脈內(nèi)，到達(dá)肺靜脈腔后在體熱作用下恢復(fù)原來(lái)的濾網(wǎng)狀并且永久性地鎖定在該位置，捕獲來(lái)自骨盆靜脈或下肢靜脈的血栓，預(yù)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(jié)構(gòu)中的潛在應(yīng)用包括結(jié)構(gòu)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(jīng)能夠準(zhǔn)確地預(yù)知形狀記憶合金內(nèi)部溫度和應(yīng)力的分布，他們發(fā)現(xiàn)給形狀記憶合金慢慢施加負(fù)荷時(shí)，合金有時(shí)間將產(chǎn)生的熱量同周圍的環(huán)境進(jìn)行交換，其內(nèi)部產(chǎn)生了均勻的應(yīng)力分布；然而，向合金快速施加負(fù)荷，熱量無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)與周圍環(huán)境交換，從而合金內(nèi)部出現(xiàn)非均勻應(yīng)力分布。

4. 航天裝置

在航天領(lǐng)域，美國(guó)最早將鈦鎳形狀記憶合金用于宇宙飛船的天線，發(fā)射前折成直徑5厘米的球狀，待飛船進(jìn)入太空后，通過(guò)加熱使合金絲升溫，當(dāng)達(dá)到77℃相變溫度后，天線就完全打開至原先設(shè)定的拋物面形狀，實(shí)現(xiàn)與地面的信號(hào)傳遞和交流，起到嘴巴和耳朵的作用。

5. 牙齒矯形

傳統(tǒng)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(yīng)變小的缺點(diǎn)。為了給出適宜的矯正力，在矯正前就要加工成弓形，而且對(duì)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(guò)程中壓力恒定，即使應(yīng)變高達(dá)10%也不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，所以即使形變?cè)龃螅C正力卻能保持恒定。因而結(jié)扎時(shí)即使產(chǎn)生很大的變形也能保持適宜的矯正力，不僅操作簡(jiǎn)便、療效好，還能減輕患者的不適感。

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