这些年，我们见过的记忆合金

刘超

20世90年代，我国在对秦始皇陵进行发掘的过程中，在整理一号坑的时候，发现一把被陶俑压弯了的青铜剑（图1），其剑身弯曲小于90°。当人们搬离陶俑之后，让人吃惊的事情发生了，又窄又薄的铜剑在一刹那间出现了反弹，一下子就自然恢复到正常形状。莫非“形状记忆合金”早在2000多年前就已经被我们的“老祖宗”搞出来了？

“形状记忆合金”现在已经被普及使用，应用领域非常广，甚至连女性的文胸也被使用，被人称为“记忆罩杯”。但你有没有想过，20世纪的科学技术居然会出现在公元前200多年的古墓中？

你相信“眼见为实”吗？别逗了，你看见的就是真相吗？你看见的，只代表“你”看见了，仅此而已。材料世界的迷人之处，绝非是靠“看”就能弄明白的！

我，是不是我？

先来点儿餐前的开胃小菜。比如：常态下，一般的金属材料在受到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点，就产生了塑性变形，应力消除后就会留下永久的变形。等等，这是什么卵？弹性变形、屈服点、塑性变形？感觉很懵？简单说吧：就是用手把一根铁丝掰弯，手离开铁丝后，如果铁丝没有弹回到原来的形状，如果它不再承受任何外力作用，那么它就会永远保持这种弯曲的状态。有没有一种“山盟海誓，海枯石烂”的“赶脚（感觉）”？（哇，铁丝妹妹终于找到真爱了！）

言归正传，上述只是一般情况下，注意是“一般情况”。那么有没有“特殊情况”？（你居然不信我！我的心碎了一地的渣渣……）有些金属材料，一般是2种以上金属元素组成的合金，在低温下受到外力作用时，形状发生改变，当经过合适的热过程时，合金就会恢复到变形前的形状，这种效应被称为“形状记忆效应”。具有形状记忆效应的合金，当然就是形状记忆合金啦。

为了研究形状记忆效应的原理，我们要做微观分析。那么对于记忆合金，在高温下，它的原子排列方式被称为“母相”，而在低温下它的原子排列方式被称为“马氏体相”。在记忆合金中有热弹性马氏体，热弹性马氏体的特点就是随着温度的降低它会持续生长，随着温度的升高它又持续消失，这种相变就被称为“热弹性马氏体相变”。

关于相变，有一些关键的温度参数。温度降低的过程，是马氏体相变的过程；温度升高的过程，是马氏体相逆相变为母相的过程（见图2）。所以热弹性马氏体相变和它的逆相变是形状记忆效应的根本原理。

試试“离子烫”吧

1932年，瑞典人奥兰德在观察某种金镉合金的性能时，首次发现了形状记忆效应。因为金子真心太贵，用不起啊！形状记忆合金第一次被放弃。1938年，哈佛大学的A.B.Greninger等学者在一种铜锌合金中发现了一种随温度的升高和降低而逐渐增大或缩小的形状变化现象。但这一现象只是被发现而已，在当时并未引起Greninger等人的重视。这是形状记忆合金第二次被放弃。

俗话说：越放弃，越强大！1963年，美国海军研究实验室（图3） W.J.Buchler等研究人员奉命研制一种新式舰船装备材料，当时他们拿来的镍钛合金丝，就像一团乱麻，“怎么用嘛”？无奈之下，只能抽丝剥茧似的将这些金属丝一根一根拉直，就像给每一根细丝都做了一遍“离子烫”。老费劲了！在实验的时候，“见证时刻的奇迹到了”：当镍钛金属丝在一定高温环境下时，又变回了当初如“一团乱麻”似的样子，Buchler等人彻底“石化”，“离子烫”白做了！这一团乱麻简直乱出了新高度，居然与之前“乱”得如此一般不二。“Buchler们”想起了中国有句古语，叫：“夏天穿皮裤，必定有缘故”。

就这样，“Buchler们”一次又一次地重复着摧毁“离子烫”的实验，不管镍钛合金被改变成何种样子，遇到之前的那个固定的温度后立刻被“打回原形”。这种“改变—恢复”的现象循环往复，就像有了“记忆”一样，引起了越来越多人们的关注。后来，这种现象就被称作是“形状记忆现象”。

1969年7月16日，美国阿波罗11号宇宙飞船成功着陆月球，当尼尔·阿姆斯特朗走出飞船，一只脚踏上月球地面的时候，他说了那句著名的“这是我个人的一小步，却是人类的一大步。”随后，他与伙伴巴兹·奥尔德林在月球表面进行了2.5h的月表行走（图4）。而这些音频和视频被无遗漏地传回到地球，地月平均距离是38.4404万km，如此遥远的距离，如何保证这些影像的传输？这就需要再次把那个做了“离子烫”的家伙揪出来。那个跟着阿姆斯特朗和奥尔德林两个人屁股后面的月球车上顶着一张半球形的网——天线（话说，顶得那么高，不怕遭雷劈吗？月球上会有“雷”吗？哈哈），这个网就是用形状记忆合金制成 （图5）。现将这个天线在低温下缩成了一团，由宇宙飞船带到月球，在月球表面，阳光的照射使其升温，当达到了转变温度时，它终于想起来自己长什么样了。哦，原来自己是个网啊（那我们就愉快地去捕鱼吧）。就这样，形状记忆合金就把自己在地外露面的“第一次”，贡献给了人类的航天事业。

“记忆合金家族”朋友圈

那么记忆合金从发现到现在已经有80多年的时间，人们不断在扩大“记忆合金家族”的“朋友圈”，到目前为止已经发现和开发具有形状记忆效应的合金达几十种，但是只有几种合金具备有工业应用价值。一种是钛镍合金，作为“记忆合金家族”的“大哥”——钛镍合金的综合性能非常好，但是价格偏高。为了克服这个问题，人们相继开发了铁基形状记忆合金和铜基形状记忆合金，这2种记忆合金，虽然综合性能比钛镍合金稍差，但是赢在价格低廉，可以在要求不高的场合使用。2016年，“记忆合金家族”迎来了新成员——镁基形状记忆合金，它的最大特点是密度低，只有钛镍合金的1/3，所以将来在航空航天上一定会有重要的用途。

近年来，科学家们又发展了不少改良的钛镍合金，这些改良的记忆合金主要是通过添加铌、铜、铁、铝、硅、钼、钒、铬、锰、钴、锆、钯等元素，如钛—镍—铜、钛—镍—铌、钛—镍—钯、钛—镍—铁、钛—镍—铬等，未来可作为高温形状记忆合金材料应用在更高温度的工况下。日本形状记忆合金研究协会还开发了添加微量的铁或铬的镍—钛形状记忆合金，其转变温度低至-100℃，可以制作极低温度环境下的驱动器。

我们要应用记忆合金，必须先要了解它的性能特点，记忆合金的性能特点有啥嘞？主要有2点：第一个就是它的形状记忆效应，也就是说在低温条件下改变记忆合金的形状，温度升高以后它的形状就会恢复到原来的形状；第二点就是记忆合金的超弹性，又称为“伪弹性”。这是怎么回事呢？

对于普通的合金，在外力作用下会经历弹性形变、塑性形变，那么卸载外力后塑性变形是不能恢复的，只有弹性形变可以恢复。那么普通合金的弹性形变的恢复量只有0.2%～0.5%。假如是记忆合金，它收到外力作用，随着外力的增加，记忆合金会发生应力诱发马氏体，应力诱发马氏体会伴随非常大的应变。这个应变只有在力的作用下才能稳定存在，当这个力去掉以后，这个马氏体又回到原来的母相，它的应变也随之消失。记忆合金它的可恢复的形变量高达10%左右，但是这个可恢复的形变量不是真正意义上的弹性形变，所以被称为“伪弹性”。因为记忆合金的可恢复形变量高于普通合金，所以又称“超弹性”。记忆合金的应用主要基于上述2个性能特点，当然更主要的还是利用形状记忆效应。

我们的世界里，没你不行

记忆合金最为我们熟知的应用，莫过其在医用材料上，如牙科的牙齿矫正丝，人体体内的各种支架包括血管支架（图6）、肠道支架，骨科的各种固定器（图7）、矫正器等等。据统计，全球用于医疗健康的形状记忆合金占其总产量的60%还多。现在，在人们的日常生活或者各种高档的家具家电上也能看到记忆合金的影子，比如说记忆合金的眼镜架；装有记忆合金的智能水温调节器；还有空调记忆合金驱动的百叶板，它的吹风方向会随着温度自动调节。

工业应用如记忆合金管接头，其作用就是将2个管子联接起来，紧密、不脱落。美国是率先将記忆合金管接头用在喷气式战斗机油压系统中的国家，用上以后从来没有发生过零件脱落、燃油渗漏，可靠性很高。这种记忆合金管接头的加工过程分为4个步骤：第一步要在高温母相状态下将记忆合金管接头尺寸、形状加工好，这时候管接头的内径要比联接的管子的外径小4%；第二步是将管接头从高温母相冷却室温，冷却到室温以后，将管接头内径扩建8%；第三步是将联接的管子从两端插入管接头；第四步加热、升温，管接头中的马氏体转变为高温母相，管接头的形状恢复到原来的形状，将2个管子紧固地联接在一起。

记忆合金在航空航天领域的应用除文章开头的介绍的月球车天线外，美国国家航空航天局（NASA）在2017年研发了一种由形状记忆合金制造的非充气式轮胎（图8），不但更轻、更坚固、更安全，而且可以使用在各种恶劣地形。将来这种轮胎除了应用在火星探测任务中之外，也可以作为传统轮胎的替代品，在地球上使用。“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，有助于轮胎组装的简化，也降低了轮胎的质量。除了安装在火星探测车上进行太空任务之外，这种轮胎也可以应用在地球上的各式车辆和飞机上，包括军车、一般汽车、重装备车辆、农用车辆、全地形车等，以适应各种地形的需求。

“超弹性轮胎”由形状记忆合金制造，可在崎岖不平的地面上平稳地行进，当此轮胎遇到石头之类的突出物时，它会以暂时变形的方式应对，随后便会恢复原状，而不会有永久性的损伤。可以说在多地形行驶起来犹如一马平川。相信形状记忆合金这种材料未来能够应用到民用产品上。

再来看一下记忆合金比较“奇葩”也是更为脑洞大开的一种应用。提起Intel，不少人的第一反应就是“处理器”。近几年，Intel在智能硬件领域也颇有建树，比如——形状记忆运动胸罩。可以缓解“大胸”妹子运动时胸部爱出汗的尴尬。前不久，Intel中国官方微博曝光了一款由Chromat研发的运动文胸——Aeros Bra （图9），其内部集成了Intel的Curie平台芯片，可利用传感器收集到的人体心跳、体温等人体数据，通过在衣服中集成的形状记忆合金进行变形，当检测到用户出现出汗加剧、体温上升、心跳加速等状况时，Aeros Bra的形状记忆合金便会张开衣服上的排气孔，帮助用户散热。这款爆燃的运动内衣获得许多爱运动的妹子们的喜欢。

近年来，形状记忆合金凭借其自调节和自控制的性能，被列入了智能材料的行列。有科研团队正试图用其研制出一种集记忆功能、驱动源和控制系统为一体的集成元件；记忆合金材料还有望成为微型机器人的制作材料，其应用领域将不再以生物医药领域为主，将会扩展到核反应、加速器、太空实验等搞技术应用领域。

随着人工智能的不断发展，具有记忆功能的合金材料将会无限渗透到人类生存和生活的方方面面，到那时记忆合金材料对人类来说真正能称得上是——没你不行。