理论教育 形状记忆合金:具有记忆效应的特殊合金应用探析

形状记忆合金:具有记忆效应的特殊合金应用探析

时间:2023-06-29 理论教育 版权反馈
【摘要】:科学家把这种现象叫做形状记忆效应,具有记忆功能的合金称为形状记忆合金。图19-1 金属花图19-2 金属纤维振动翅膀由于生物相容性好,钛镍合金是目前医学领域使用的唯一的形状记忆合金,如用该合金作为驱动元件制成的肩、肘、腕及手指可活动的微型机械手。而使用钛镍形状记忆合金丝制成的天线则具有高抗破坏性,因此受到人们普遍欢迎。使用钛镍合金丝制成火灾检查阀门是形状记忆合金的另一个应用。

形状记忆合金:具有记忆效应的特殊合金应用探析

你可以想象得到吗?眼镜架如果不小心被碰弯了,只要将它放在热水中泡一泡就可以恢复原样。这就是形状记忆合金给人们带来的惊喜!

几乎每一种新材料的发现都有一定的偶然性,关于形状记忆合金的发现还有一个小故事呢。20世纪60年代初的一天,美国海军军械实验室的研究人员领来了一批镍钛合金丝,也许是制造过程中处理不当,合金丝被弄弯了,他们只能一根一根地将合金丝矫直。有人顺手把已经矫直的合金丝堆放在了炉子的旁边。这时,意外的事情发生了,一些矫直的合金丝在炉温的烘烤下,不一会儿又还原成原来弯曲的形状。起初,他们没有在意,还是把矫直过的合金丝堆放在炉旁,结果合金丝又弯曲了。这种现象重复出现了多次,直到人们把矫直过的合金丝换地方堆放,不再受到炉温的烘烤以后,合金丝才保持住了挺直的形状。

于是,军械实验室的研究人员对上述的意外事情开展了反复的实验和研究,终于发现含50%(质量分数)镍和50%(质量分数)钛的合金在温度升高到40℃以上时,能还原自己原来的形状。科学家把这种现象叫做形状记忆效应,具有记忆功能的合金称为形状记忆合金。

一次科普展览会上,展出了一种神奇的金属花,它的花瓣是用记忆合金制成的,具有记忆能力,灯光一照便会绽开,如图19-1所示。另外,还展出了一种记忆合金制作的蝴蝶饰品,它能用背部的金属纤维振动翅膀,如图19-2所示。

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图19-1 金属花

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图19-2 金属纤维振动翅膀

由于生物相容性好,钛镍合金是目前医学领域使用的唯一的形状记忆合金,如用该合金作为驱动元件制成的肩、肘、腕及手指可活动的微型机械手。其中,手指和手腕靠钛镍合金螺旋弹簧的伸缩实现开闭和弯曲动作,肘和肩靠直线状的钛镍合金丝的伸缩做弯曲动作,而且各个形状记忆合金驱动元件都可由直接通上的电流加以控制,如图19-3所示。

科学家还用记忆合金做成了食道支架。记忆合金食道架(见图19-4)能在喉部膨胀成新的食道,必要时只要向食道里加上冰块,食道就会遇冷收缩,从而可轻易取出。对失去进食功能的食道癌患者来说,这无疑是激动人心的好消息!

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图19-3 微型机械手

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图19-4 记忆合金食道架

航天方面,常用钛镍合金制成天线,如图19-5所示。用在宇宙飞船上的天线是非常庞大的,呈半球月面状。若用普通金属制成这样的天线,由于宇宙飞船的体积是有限的,无法把它安装上去,但采用记忆温度为40℃的钛镍合金在40℃以上做成月面天线,然后再冷却到40℃以下,这时天线就可以折叠成一个小球团,从而可以方便地装进宇宙飞船里。当宇宙飞船到达太空后,由于受到太阳光的强烈照射,小球团的温度很容易达到40℃以上,此时它就可以恢复原来的形状,张开呈伞面状工作了。(www.daowen.com)

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图19-5 航天飞机上的天线

记忆合金还已用于管道结合(见图19-6)和自动化控制方面,特别适合用于热机械和恒温自动控制,如室温自动开闭装置能在阳光照耀的白天打开通风窗,晚间室温下降时自动关闭。

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图19-6 记忆合金在管道结合方面的应用

日常生活方面,记忆合金也有很多应用。已开发的形状记忆阀可用来防止洗涤槽、浴盆和浴室中的热水造成的意外烫伤,即如果水龙头流出的水温达到可能烫伤人的温度(大约48℃)时,形状记忆合金驱动阀门关闭(见图19-7),直到水温降到安全温度时阀门才重新打开。

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图19-7 防烫伤阀

记忆合金眼镜架如图19-8所示。由于钛镍合金具有柔韧性,在眼镜框架的鼻梁和耳部装配该合金可使人感到舒适并抗磨损。用超弹性钛镍合金丝制造的眼镜框架的变形能力很大,即使镜片热膨胀,该合金丝也能靠超弹性的恒定力夹牢镜片,而普通的眼镜框则做不到这一点。

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图19-8 记忆合金镜架

蜂窝状电话天线过去使用不锈钢制成,由于弯曲常常造成损坏。而使用钛镍形状记忆合金丝制成的天线则具有高抗破坏性,因此受到人们普遍欢迎。

使用钛镍合金丝制成火灾检查阀门是形状记忆合金的另一个应用。当火灾导致局部地方升温时,该合金制成的阀门会自动关闭,因此能防止危险气体的进入。这种特殊结构的优点是,它能自动控制阀门的操作,而且能自动复位到安全状态。

随着不断地发展与研究,相信形状记忆合金会越来越多地服务于我们的生活,为我们的生活带来更多的便利。

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