合金的记忆力从哪里来

2023-08-20 19:36:49 来源：科普时报收藏

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当非遗遇到新科技，将碰撞出怎样的火花？近日，中央广播电视总台、文化和旅游部联合推出的电视节目《非遗里的中国》，展示了国内第一幅“非遗+科技”的动态交互苏绣作品，令人耳目一新。在形状记忆材料和感温交互等技术的加持下，指尖轻抚绣品，便可触发蝴蝶振翅，花瓣舒展。形状记忆材料为精湛的刺绣增添了不少魅力。那么，为什么形状记忆材料会产生如此神奇的现象呢？

形状记忆合金是指具有一定初始形状，经低温塑形后能在热、光、电的刺激下恢复初始形状的一种新型金属功能材料。镍钛形状记忆合金是新型功能材料的“后起之秀”，是由镍和钛组成的二元合金。形状记忆效应是它独树一帜的特性，同时还具有超弹性、较好的耐腐蚀性和生物相容性。

合金为什么具有形状记忆效应？这还要从晶体结构说起。形状记忆效应的产生，是由于存在两种不同的晶体结构相。具有形状记忆效应的合金大多数发生热弹性马氏体相变。马氏体相变后，合金留下较大的塑性变形空间。当合金被加热到最终温度以上时，低温的马氏体转变为高温的奥氏体，自动恢复到初始状态。这实际上是一个由热诱发的相变过程。需要注意的是，奥氏体状态是去除载荷时的状态，呈立方体结构，而马氏体是加载时的状态，呈六边形结构。在形变的过程中，原子没有扩散，仅仅是晶体结构发生了变化。

为了充分利用镍钛合金因形变而对外做功，人们发明使用镍钛合金制作的发动机。不同于一般发动机，镍钛合金制作的发动机摆脱了传统能源的束缚，仅依靠镍钛合金U形带在热水和冷水中的伸缩来驱使轮子转动，实现热能向机械能的转变。镍钛合金的出现，为我们寻求新能源指明了一个崭新的方向。

除了做功，德国萨尔兰大学的科研小组还利用镍钛合金制成了人造肌肉驱动器。这是对镍钛合金形状记忆效应另一个层面的应用。研究团队创建的精细“肌肉纤维”，是由成束的超细镍钛合金丝组成。当电流通过由镍钛合金制成的电线时，材料升温，晶体结构发生相变，从而使电线变短；电流切断后，电路冷却并恢复到原来长度。用多股合金丝连接机械手指关节模拟肌肉纤维，形成类似于手指的正面屈肌和背面伸肌等肌肉群，以便执行更为精确的运动。

超弹性是指试验样品在外加载荷的作用下，能够产生远远大于常规材料弹性极限的应变量。在外加载荷卸载后，试样的变形可以自动恢复。镍钛合金的弹性极限远远大于普通材料，并且不再遵守虎克定律，在一定形变范围内应力呈现非线性关系，利用超弹性可以制作小巧玲珑、高自动化、性能可靠的元器件，如在医学上应用颇多的超弹性自膨胀型支架、不会随矫治方向移动而逐渐脱力的矫正弓丝等。

抗腐蚀也是镍钛记忆合金的强项。镍钛记忆合金表面氧化后形成一层二氧化钛氧化膜，可以增加合金表面层的稳定性。由于镍、钛的化学惰性，镍钛合金易形成厚度为2—20 纳米致密的氧化层。在植入过程中，该氧化层生长并吸收矿物质和生物体液的其他成分，从而导致表面重塑，再次加固了它的耐腐蚀性。

利用这些性能，镍钛合金制成的食管、封堵器、腔静脉滤器等微创医疗器械，在人们的生活中运用广泛。新型镍钛记忆合金温控输尿管支架已被生产且用于医疗手术中。这是一种螺旋式支架，遇热膨胀，遇冷变软。进行支架置入手术后，镍钛记忆合金支架在65℃热水的情况下成功膨胀，锚定于狭窄处，输尿管再度恢复通畅，为患者带来福音。

作为综合性能较好的形状记忆材料，镍钛合金长期成为形状记忆合金研究中的重中之重。从传统的微米晶到纳米晶和非晶态，镍钛形状记忆合金与时俱进，走在发展的前沿。与此同时，镍钛合金毛细管、块状纳米晶镍钛合金等大量结构新颖的镍钛合金应运而生。未来，利用数字化三维重建技术或其他新型的技术手段，对镍钛合金进行精致细腻加工是其发展的方向。

（第一作者系西北师范大学教授、博士生导师，第二作者系西北师范大学研究生）

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