「展廳展品」「律動世界——化學元素周期表專題展」 深度看展項之...

2020-11-29 中國科學技術館

是不是在你的印象中，只有人和某些動物才有「記憶」的能力，非生物是不可能有這種能力？然而，今天我們要介紹的主角「形狀記憶合金」將會顛覆這一認知。下面，就讓小編帶你走進中國科技館最新推出的「律動世界——化學元素周期表專題展」，一起了解這樣一類具有神奇「記憶」本領的新型合金材料吧！

展品介紹

在展覽中，有一件「形狀記憶合金」展品。觀其外表，是由多片菱形金屬拼接而成的球狀物，並無神奇之處。但當你按下啟動開關對金屬球加熱，便會有驚奇地發現：只見一個個菱形的金屬片像是約定好了，同步地沿固定軸線對稱的上翹，宛如一個銀色的花苞瞬間綻放，極具觀感美和藝術張力；稍後片刻，它又徐徐回落，恢復原狀，變回了那個圓滾滾的金屬球。

常溫狀態下的金屬球

加熱狀態下的金屬球

恢復常溫狀態後的金屬球

深度解析

金屬球為何能在綻放後恢復原狀，它為何可以記住自己的形狀？我們接下來仔細研究一下形狀記憶合金。

什麼是形狀記憶合金？

形狀記憶合金是由兩種以上金屬元素構成的合金材料，常見的記憶合金有鎳鈦系合金、銅鎳系合金、銅鋁系合金、銅鋅系合金、鐵系合金等，它們通過熱彈性馬氏體相變及其逆變而具有形狀記憶效應，能夠在特定條件下記憶並恢復其初始形狀。

（動圖來源於網絡）

為什麼能夠記憶形狀？

記憶過程之所以能夠發生，本質原因是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。

通常來說，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。無論你怎麼彎曲電線，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。見證奇蹟的時刻！對電線微微加熱（高於相變溫度），其內部變成奧氏體，在熱能作用下內部原子重新排列使電線恢復到原來形狀。冷卻下來，電線內被重新恢復成馬氏體，也就是變成了之前被彎曲時的形狀。如果整個過程中材料的溫度高於相變溫度，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。

（圖片來源於網絡）

形狀記憶合金的發展歷程

1

1932年

瑞典化學家奧蘭德首次發現了在金鎘（AuCd）合金中存在金屬相變，合金的形狀被改變後加熱到高溫能恢復到初始形狀，即「記憶」效應。

2

1962年

美國海軍武器實驗室成功研製出了廉價、力學性能優異且具有優良的形狀記憶效應的鎳鐵(NiTi)合金。

3

1969年

Raychem公司研發的形狀記憶合金智能管接頭被美國Grumman航空公司廣泛應用於F-4噴氣戰鬥機。

4

1971年

1971年George B. Andrease將Ni-Ti合金用於醫療器械領域用作口腔正畸絲材。

5

20世紀90年代至今

形狀記憶合金的發展和應用領域迅速擴大，在醫療、航天、航空和汽車行業開發應用的形狀記憶合金專利和產品顯著增加，形狀記憶合金相關製品的市場規模也在逐年擴大。

（圖片來源於網絡）

（圖片來源於網絡）

（圖片來源於網絡）

形狀記憶合金有什麼應用？

形狀記憶合金作為一種隨著科學技術的不斷發展而應運而生的新型材料，它具有超強的智能性和高度的優越性，有著可以製作「性能優越化、高度自動化、以及耐磨可形變的各種性能可靠元器件」的絕佳優勢，在航空航天、機器人、生物醫學、汽車等領域有著廣泛的應用。

人造衛星上龐大的天線可以用記憶合金製作。發射人造衛星之前，將拋物面天線摺疊起來裝進衛星體內，火箭升空把人造衛星送到預定軌道後，只需加溫，摺疊的衛星天線因具有「記憶」功能而自然展開，恢復拋物面形狀。

在醫學領域，形狀記憶合金應用最廣泛的是多孔鎳鈦記憶合金，主要用於人體骨骼的替換和修補。鎳鈦合金具有與人體骨骼強度相當的強度，同時其多孔的特性保證植入人體後不會因為纖維組織的包覆而使植入材料產生鬆動或偏移而失效，使植入物與被修復骨組織形成牢固的結合體，同時其形狀記憶效應又使得植入過程變得容易，降低手術難度，減輕病人的痛苦。

未來，隨著科學技術的進步，像形狀記憶合金這樣的功能材料會越來越多地走入日常生活，為大家帶來更多便利。

參考文獻：

[1] 大揭秘：形狀記憶合金為什麼會有「記憶」！

http://www.cailiaoniu.com/60158.html

[2] 形狀記憶合金：超級神奇的功能材料

https://mp.weixin.qq.com/s/At5PkXV4LzPEBt51y8HCIQ

[3]天生我材| 有「記憶」的智能材料

http://www.sohu.com/a/210380008_119960

中國科學技術館展覽教育中心高闖供稿

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