形状记忆效应是什么?

在本世纪70年代末的一次国际学术会议上,一位冶金学家正在表演精彩的"魔术":他把一根笔直的金属丝盘圈起来,然后点燃打火机,对着金属丝一烤,只听"啪"的一声,那金属丝就恢复了原来的形状?与会学者莫不感到惊奇万分?只听那位表演"魔术"的冶金学家不慌不忙地说:"这种现象叫做形状记忆效应,具有这种特性的合金叫做形状记忆合金?"

那么,这种金属丝是用什么材料制成的呢?它是用镍和钛的合金制作的?这一形状记忆效应是美国海军军械实验室的冶金学家比勒发现的?

比勒的发现引起了各国学者的广泛注意,通过大量的科学实验和理论探讨,终于弄清了"形状记忆效应"的奥秘?

原来,这种材料在一个特定的温度区间内存在着一种特殊的内部结构变化?在材料冷却到某一温度以下时,它是一种不稳定的晶体结构,这时对它施加外力可以发生各种各样的塑性变形?一旦除去外力,而温度又上升到特定区域后,那不稳定的晶体结构就会变为稳定的结构,从而使材料恢复到原来的形状?

人们利用形状记忆效应制造出自动灭火器?人工心脏部件?自动紧固的铆钉等?特别是利用这种效应来制造新型的发动机,将是一项具有广阔应用前景的课题?

记忆合金是一种原子排列很有规则、体积变为小于0.5%的马氏体相变合金。这种合金在外力作用下会产生变形，当把外力去掉，在一定的温度条件下，能恢复原来的形状。由于它具有百万次以上的恢复功能，因此叫做"记忆合金"。当然它不可能像人类大脑思维记忆，更准确地说应该称之为"记忆形状的合金"。此外，记忆合金还具有无磁性、耐磨耐蚀、无毒性的优点，因此应用十分广泛。科学家们现在已经发现了几十种不同记忆功能的合金，比如钛－镍合金，金－镉合金，铜－锌合金等。形状记忆合金可以分为三种：单程记忆效应形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。双程记忆效应某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。全程记忆效应加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。三种记忆效应如下图所示。目前已开发成功的形状记忆合金有TiNi基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金等。最早关于形状记忆效应的报道是由Chang及Read等人在1952年作出的记忆合金肋骨骨折接骨板。他们观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象，但当时并未引起人们的广泛注意。直到1962年，Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应，才引起了材料科学界与工业界的重视。到70年代初，CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应。几十年来，有关形状记忆合金的研究已逐渐成为国际相变会议和材料会议的重要议题，并为此召开了多次专题讨论会，不断丰富和完善了马氏体相变理论。在理论研究不断深入的同时，形状记忆合金的应用研究也取得了长足进步，其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。编辑本段形状记忆合金的具体应用工业应用（1）利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天线、套环等。（2）外因性双向记忆恢复。即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作，如热敏元件、机器人、接线柱等。（3）内因性双向记忆恢复。即利用双程记忆效应随温度升降做反复动作，如热机、热敏元件等。但这类应用记忆衰减快、可靠性差，不常用。（4）超弹性的应用。如弹簧、接线柱、眼镜架等。记忆合金材料镜架以记忆合金制成的弹簧为例，把这种弹簧放在热水中，弹簧的长度立即伸长，再放到冷水中，它会立即恢复原状。利用形状记忆合金弹簧可以控制浴室水管的水温，在热水温度过高时通过"记忆"功能，调节或关闭供水管道，避免烫伤。也可以制作成消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火灾时,记忆合金制成的弹簧发生形变，启动消防报警装置，达到报警的目的。还可以把用记忆合金制成的弹簧放在暖气的阀门内，用以保持暖房的温度，当温度过低或过高时，自动开启或关闭暖气的阀门。作为一类新兴的功能材料，记忆合金的很多新用途正不断被开发，例如用记忆合金制作的眼镜架，如果不小心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。不久的将来，汽车的外壳也可以用记忆合金制作。如果不小心碰瘪了，只要用电吹风加加温就可恢复原状，既省钱又省力，很是方便。管道结合和自动化控制方面记忆合金已用于管道结合和自动化控制方面，用记忆合金制成套管可以代替焊接，方法是在低温时将管端内全扩大约4%，装配时套接一起，一经加热，套管收缩

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