有记忆力的合金

华兴恒

人类具有记忆能力，这并不新鲜，如果说金属也有记忆能力就会让人觉得不可思议。事实上，具有记忆能力的金属真的存在，它们被科学家称之为“形状记忆合金”。

形状记忆合金是在上个世纪60年代被发现的。

一天，美国海军的一个研究所军械研究室的冶金专家彼勒在实验中需要一批特殊的合金丝——镍（Ni）钛（Ti）合金丝。从仓库领来的这些细丝弯弯曲曲盘在一起，使用不便，于是彼勒让工作人员把它们一根一根拉直，以备实验之用。但工作人员惊异地发现，被拉直的镍钛合金丝在接近火源时都无一例外地又恢复弯曲的形状，堆积在一起。

彼勒对此产生了兴趣，他进行了多次实验，把弯曲的镍钛合金丝拉直后再加热，当达到一定的温度（转变温度）时，这些合金丝又恢复了原先的弯曲状态。彼勒的实验表明，镍钛合金具有单向形状记忆功能，它能“记住”自己在较高温度环境下的形状，无论把它变成何种形状，只要加热到特定的温度，它就能立即恢复原状。

也就是说，当环境温度远离转变温度时，镍钛合金丝是没有“知觉”的，可任凭人们随意改变它的形状，但环境温度一旦达到转变温度，镍钛合金丝就会被“唤醒”，立即恢复其本来面目。如果将镍钛合金加工成一定的形状，在300℃ ～ 1000℃温度下热处理30分钟，这种合金就能“记住”自己的形状。

在彼勒的研究基础上，科学家进一步研究发现，自然界确实存在能恢复原状的物质。科学家把这种特性称为合金的“形状记忆效应”，称这种能恢复原状的合金为形状记忆合金。

科学家已经发现了许多合金具有形状记忆功能，如金镉合金、铜铝镍合金、铜锌合金等。

为什么这些合金具有形状记忆功能？从根本上说，这是由合金内部微观结构固有的变化规律所决定的。

科学家研究发现，固态金属中的原子是按照一定的规律有序排列的，随环境温度的变化，有的合金内部原子的排列方式会发生很大的变化；当温度回到原来的数值时，原子又恢复原来的排列方式。也就是说，金属的晶体状态在被加热和冷却时是不同的。这类合金都有一个共同的特点，那就是它们的晶体结构都有随温度的变化由不稳定状态向稳定状态转变的性质。

不同的合金有不同的转变温度。例如，镍钛合金的转变温度为40℃。在转变温度以上时，金属的晶体结构处于稳定状态；而在转变温度以下时，其晶体结构处于不稳定状态。若在转变温度以下，我们改变它的形状，再把它加热到转变温度以上时，不稳定结构就变成了稳定结构，其形体也会恢复原来的状态。

形状记忆合金几乎能丝毫不差地恢复原状，并且重复这一过程数百万次以上也不产生疲劳断裂现象，这种奇特的功能深受科学家的青睐。

科学家用形状记忆合金制成了卫星天线。当卫星进入预定轨道时，在太阳光的照射下，天线的温度升高，当温度上升到其转变温度以上，卫星天线便会从发射时的折叠状态迅速展开，恢复成设计时的状态——半球面的网状结构，从而开启通信功能。

美国的科学家用形状记忆合金材料制作了F-14喷气发动机的一种接头，制作时先在转变温度以上加工，并使其内径小于所连接管件的外径。随后在转变温度以下进行扩孔，并插入需要连接的管件，當温度升到转变温度以上时，接头就恢复原状，由此得到无丝毫接缝的管路接头。

科学家利用形状记忆合金弹簧制成了温度自动控制门，当室内温度过高时，它便根据记忆形状展开，自动将门打开，让冷空气流入，从而起到降温的作用。

镍钛合金与人体有很好的相容性，可做成接骨板，在人体内充当固定折断骨骼的插销，使断骨紧紧连接。用形状记忆合金还可做成极精细的网络，然后降温压成细丝插入血管，在体温的作用下它会恢复网状，在血管中起血栓过滤作用。此外，医生们还利用形状记忆合金进行牙齿矫正等。

科学家正在研究将镍钛合金和其他形状记忆合金用于汽车制造业。将来的汽车即使被撞得伤痕累累、面目全非也不要紧，只需用火烤一烤或放入热水中泡一泡，汽车就会恢复原状。

研究表明，以镍钛合金为“筋骨”的混凝土桥梁具有极强的抗震能力。这是因为这种合金具有“超弹性”，其弹性极限远远大于普通材料，即使在外力作用下该合金的几何形状发生巨大变化，但只要未超出一定的形变范围，外力作用消失后，这种材料就可自动恢复原状。

研究人员发现，在镍钛合金中添加微量的铁或铬可使其转变温度降低到零下110 ℃。此后，科研人员又陆续发现了铜-锌-铝和铜-镍-铝等铜系记忆合金，它们的转变温度范围很宽。目前科学工作者正在研制廉价的铜系镍钛合金。

今后，随着研究工作的不断深入，将有更多形状记忆合金面世，满足人类更广泛的需求。