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记忆合金高科技应用展望

  20世纪是机电学的时代。传感—集成电路—驱动是最典型的机械电子控制系统,但复杂而庞大。形状记忆材料兼有传感和驱动的双重功能,可以实现控制系统的微型化和智能化,如全息机器人、毫米级超微型机械手等。21世纪将成为材料电子学的时代。形状记忆合金的机器人的动作除温度外不受任何环境条件的影响,可望在反应堆、加速器、太空实验室等高技术领域大显身手。

  记忆合金谈到合金,当然要讲最有趣的合金--记忆合金。金属具有记忆,是一个偶然的发现:60年代初,美国海军的一个研究小组从仓库领来一些镍钛合金丝做实验,他们发现这些合金丝弯弯曲曲,使用起来很不方便,于是就把这些合金丝一根根拉直。在试验过程中,奇怪的现象发生了,他们发现,当温度升到一定的数值时,这些已经拉直的镍钛合金丝突然又恢复到原来的弯曲状态,他们是善于观察的有心人,又反复做了多次试验,结果证实了这些细丝确实具有"记忆"。

  美国海军研究所的这一发现,引起了科学界的极大兴趣,大量科学家对此进行了深入的研究。发现铜锌合金、铜铝镍合金、铜钼镍合金、铜金锌合金等也都具有这种奇特的本领。人们可以在一定的范围内,根据需要改变这些合金的形状,到了某一特定的温度,它们就自动恢复到自己原来的形状,而且这“改变--恢复”可以多次重复进行,不管怎么改变,它们总是能记忆自己当时的形状,到了这一温度,就丝毫不差地原形再现。人们把这种现象叫作形状记忆效应,把具有这种形状记忆效应的金属叫作形状记忆合金,简称记忆合金。

  为什么这些合金能具有这种形状记忆效应?它们是怎样记住自己的原形?用一般金属键理论、自由电子理论是难以解释合金的这种记忆效应的。记忆合金在一定的温度条件下能回复到原形,为核外电子的运动--随温度变化的运动,提供了绝佳的例证。正是由于合金的形成是在高温条件下液态金属的互熔,由于液态金属的结构元排异,导致了这种元素的结构元与另一种金属的结构元相互均布,凝固后,其微观结构是不同种类的结构元成比例的有序排列,电磁力是构成合金物体的主要内聚力。

 

  

 

  电磁力是由价和电子的运转所形成,而电子的运转速率随温度条件而变化的,所以,物体内的电磁力(大小、方向、作用点)也是随温度条件而变化。由此导致了金属物体的内力随温度条件而变化,只是这些变化在小温差范围内不明显,只有在较大温度变化(几百摄氏度)时才有表现。一般金属在受力后,能产生塑性变形,如一根铁丝被折弯了,在折弯部位,电磁力受到外力的干扰,导致产生电磁力的价和电子的运转平面作出微量调整,一次塑性变形就完成了。

  记忆合金由于是不同种类的结构元相互掺和均布,尽管结构元的个子、电磁力的大小不同,但各自都加快了自身的价和运转,在一定的温度条件下相邻相安。在受到外力后,电磁力受到外力的干扰,价和电子的运转平面作出微量角度调整,物体产生塑性变形,在此塑性变形中,部分调整后的价和电子的运转是不舒展的。当温度条件变化时价和电子的速率随之变化,当温度回复到相安舒展的(转变温度)条件时,不舒展的价和电子的运转立即回复到当时的速率,电磁力随之发生变化,使相邻结构元的价和运转也都作出相应的调整,全部回复到原来的舒展状态,于是整个物体也都回复到了原来的状态。这就是记忆合金的记忆过程。

  其实,金属的记忆早就被发现:把一根直铁丝弯成直角(90°),一松开,它就要回复一点,形成大于90°的角度。把一根弯铁丝调直,必须把它折到超过180°后再松开,这样它就能正好回复到直线状态,这就是中国成语中所讲的矫枉过正。还有记忆力更好的合金就是弹簧,(这里所说的是钢制弹簧,钢是铁碳合金)弹簧牢牢地记住了自己的形状,外力一撤除,马上回复到自己的原来的样子,只是弹簧的记忆温度很宽,不像记忆合金这样有一个特定的转变温度,从而有了一些特别的功用。

  利用记忆合金在特定温度下的形变功能,可以制作多种温控器件,可以制作温控电路、温控阀门,温控的管道连接。人们已经利用记忆合金制作了自动的消防龙头--失火温度升高,记忆合金变形,使阀门开启,喷水救火。制作了机械零件的连接、管道的连接,飞机的空中加油的接口处就是利用了记忆合金--两机油管套结后,利用电加热改变温度,接口处记忆合金变形,使接口紧密滴水(油)不漏。制作了宇宙空间站的面积几百平米的自展天线--先在地面上制成大面积的抛物线形或平面天线,折叠成一团,用飞船带到太空,温度转变,自展成原来的大面积和形状。

  记忆合金目前已发展到几十种,在航空、军事、工业、农业、医疗等领域有着用途,而且发展趋势十分可观,它将大展宏图、造福于人类。形状记忆合金的研究、发现至今为止已有十几种记忆合金体系。包括Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、NiAl、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。

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