记忆金属原理及应用

上传时间：2021-10-16 11:16点击:

有记忆的金属

记忆历来被认为是生物，特别是高等生物所特有的功能。

但是，材料科学家在研究中发现，某些金属也有记忆功能。

美国一位从事海军军械研究的科学家发现，把一根在常温下硬如钢铁的镰钛合金丝放入冷水中，它竟然奇迹般地变成可以随意弯曲的柔软合金。

但若将它放回热水中，弯曲的锌钛合金丝像想起了什么似的，突然伸直，并恢复到原来的形状。

科学家们将这种合金称为“形状记忆合金”。

这是怎么回事？合金为什么具有人类那样的记忆力?

有人认为，这种镰钛合金材料在某一温度上下变化时,它的化学成分并没有改变，只是它的晶格结构发生了变化。

但这种晶格结构仍与原来的形状维持一定的联系，所以当温度恢复时，合金就会恢复原状。

可是，有人却在实验中发现，在相同的条件下，其他金属并不具备这种记忆功能。

看来，要真正解开金属记忆之谜，还需要科学家们进一步研究。

记忆金属的“记忆”究竟是什么？

记忆是人或高级生物一种基本的心理过程，它是进行思维、想象等高级心理活动的基础。

拥有记忆，无论你经历了多少事情，历经了多少沧桑，依然能记住曾经的样子，这是人或高级生物所特有的一种能力。

如果把这种能力附在材料身上，会发生什么？比如下面这个金属别针，它会记住自己原来的形状，无论把它扭曲成什么样子，在一定条件下都会自动恢复到最原始的状态。

图被揉成一团的金属别针，在一定时间内自动恢复原状

这种拥有“记忆能力”的材料便是“记忆金属”了，它可以像硅胶一样无论怎么变形都可以恢复到原来的状态。

目前所研发并量产应用的记忆金属，可以感知不同的温度而产生形变，并在一定温度条件下恢复到最初的形状。

就像下面视频中演示的那样。

记忆金属视频，时长43秒，请放心观看~~还有下面这个，是合肥为先利用记忆合金设计的一款产品：防烫吸管，充分利用了镍钛记忆金属的形变特点，通过材料对温度变化的感知，利用合金自身张力，挤压硅胶吸管，当水温高于50℃时，使饮用者无法吸到热水，水温合适时恢复原状，从而达到防烫功效。

这款产品获得了2018国际CMF设计奖·最佳材料奖。

图采用记忆金属防烫吸管

看上去是不是很神奇，那么记忆金属的这种“记忆”究竟是什么呢？

一、记忆金属的记忆原理及特点

记忆金属其实是一种特殊的合金材料，主要以镍钛合金为主，它可以在一定的温度下像塑料一样发生塑性形变，但在某种温度又可以恢复成原状，具备一定的“记忆能力”。

图：随温度变化，材料发生形变那么这种“记忆能力”是怎么回事呢？

图记忆金属又叫形状记忆合金其实说的通俗一点就是，这种材料的晶体结构在随着温度而变化（主要是马氏体和奥氏体之间的转换），因而导致在不同温度段，材料整体的状态发生变化。

比如镍钛合金，在40℃以上和40℃以下的晶体结构是不同的，因此温度变化时，合金就会收缩或膨胀，使得它的形态发生变化。

为了方便理解，这里用通俗的语言简单介绍一下什么是晶体及马氏体、奥氏体。

晶体可以理解为是金属材料的内部组成结构，一般都是微观单位的有序对称排列组合，密集的堆积在一起。

图金属结构而马氏体、奥氏体都是金属材料的组织名称，两者晶体结构是不同的，马氏体的晶体结构为体心四方结构，而奥氏体的晶体结构为面心立方结构。

也就是说记忆合金材料之所以会变形后恢复原状，是因为它记忆住了不同温度段下的晶体结构。

所以当达到特定温度的时候就会变成对应的微结构状态，形状也就相应地发生了变化。

图马氏体与奥氏体的晶体结构对比每种记忆合金都有自己的“变态温度”，也就是晶体形态变化的临界温度。

就像下图展示的例子，在高温时它被做成螺旋状而处于稳定状态。

在室温下强行把它拉直时，它此时是处于不稳定状态，因此，只要把它加热到变态温度，它就立即恢复到原来处于稳定状态的螺旋形状了。

图记忆合金变形记这种材料最大的特点自然是“记忆”功能，在一定温度下可以恢复原状态，弯曲量及塑性都很大，除此之外，材料本身的耐磨、耐腐蚀性、耐疲劳度、机械性能、生物相容性等都很优良。

这种形状记忆合金主要可以分为三大类：表：记忆合金种类及介绍

类别	介绍
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。

目前已经成功开发的有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。

二、应用领域

利用这种材料的特性，我们可以应用在很多产品领域，比如军工、航天、医疗、消防、生活消费电子、汽车等。

1.医学领域

记忆特性可以让病人减少更多的痛苦，同时TiNi合金的生物相容性很好，成功应用的例子比较多，包括血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板等。

图记忆合金在人体中的应用

图不同部位的记忆合金材料

图接骨板及人工关节

图镍钛记忆合金食道支架，来源于常州市智业医疗仪器研究所有限公司

图镍钛记忆合金丝，记忆合金丝，医疗细丝

图骨科内固定记忆合金-聚髌爪治疗髌骨骨折

图镍钛记忆合金尿道支架，来源于常州市智业医疗仪器研究所有限公司

图：微型螺旋网球形异物钳(记忆合金丝)

2. 消防领域

用这种材料来设计消防栓，一旦发生火灾就会受热自动打开阀门。

图：3C防火阀

3. 汽车领域

使用形状记忆合金作为辐射状的材料，也能增加轮胎的承重能力。

与传统的轮胎相比，“超弹性轮胎”减少了爆胎的可能性，因此也改善了行车安全。

此外，这种轮胎的设计也减少了对内框的需求，这有助于轮胎组装的简化，也减轻了轮胎的重量。

而且，它也可以在运作时，降低传送到车辆上的能量。

图轮胎除此之外，还有汽车温控器、汽车制动器储能装置元件，由于篇幅有限，不做过多介绍。

4. 生活消费领域

利用形状记忆合金弹簧（温控弹簧）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，调节供水管道，避免烫伤。

图记忆合金弹簧灯泡散发的热量使灯罩变形，也是利用了记忆金属的特性。

图记忆金属灯罩下面这款产品是SurfaceBook的铰链，核心就是记忆金属，在加热时会恢复到金属最初加工时的形状，利用这一点，微软的工程师设计出了特殊的弹出装置。

图SurfaceBook的铰链

图记忆金属文胸，通过在衣服中集成的形状记忆合金进行衣服变形

图Innovation(Creative)AurvanaAirearphones耳挂部分由镍钛合金制成

图热水器恒温阀

图形状记忆合金弹簧（温控弹簧）

5. 航空航天领域

形状记忆合金应用到航空和太空装置，可以运用在军用飞机的液压系统中的低温配合连接件，还可用于制造探索宇宙奥秘的月球天线，人们利用形状记忆合金在高温环境下制做好天线，再在低温下把它压缩成一个小铁球，使它的体积缩小到原来的千分之一，这样很容易运上月球，太阳强烈的辐射使它恢复原来的形状，按照需求向地球发回宝贵的宇宙信息。

另外，在卫星中使用一种可打开容器的形状记忆释放装置，该容器用于保护灵敏的锗探测器免受装配和发射期间的污染。

图记忆合金做的航天器天线

图国际空间站

图旅行者一号

图阿波罗月球车

6. 建筑领域

在工程和建筑领域用NiTi形状记忆合金作为隔音材料及探测地震损害控制的潜力已显示出来。

已试验了桥梁和建筑物中的应用，因此作为隔音材料及探测损害控制的应用已成为一个新的应用领域。

图隔振器

图阻尼减震器

总结 未来，功能性与装饰性相结合是趋势，许多产品的设计工作都将围绕功能性而展开。

这种材料凭借着其独特的“记忆”特性，必将在不同的行业领域有着广泛的应用，对产品设计与创新产生深远的影响，为生活带来诸多便利性。

作为CMF设计师或产品开发人员，目光要超前，要关注材料的跨界与创新应用，做出更好的产品。