“记忆合金”科普仪器的改进与开发

刘环环 郭飞余 王娟娟 李世荣 魏彦林 白云山，*

（1.陕西师范大学基础实验教学中心 陕西 西安 710062；2.陕西师范大学化学化工学院 陕西 西安 710119）

2010年5月5日，国务院常务会议审议并通过的《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》中，要求高校积极开展科学普及工作，提高公众科学素质。2016年5月，习近平总书记提出“科技创新、科学普及是实现发展的两翼，要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置。没有全民科学素质普遍提高，就难以建立起宏大的高素质创新大军，难以实现科技成果快速转化”。由此可见，科学知识普及对于公民而言非常重要。

材料是我们人类生活中不可或缺的一部分。从人类起源至今以来，材料自始至终在社会中起着至关重要的作用，每一种新材料的出现及其应用，往往会引起人类社会的重大变革。当今，智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一。

记忆合金［1-9］材料就是重要的智能材料之一，是由两种以上金属元素所构成并通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应的材料。由于具有优异的性能，记忆合金材料广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域。基于此，将记忆合金材料制作成科普仪器，可以让公众更好地了解记忆合金材料的功能、体验记忆合金材料在生活中的作用、感受以记忆合金材料为代表的智能材料的魅力。

在科普仪器研发过程中发现，市场上现有的记忆合金科普仪器存在设计不完善、制作水平低、使用不便、展示效果差等问题。例如：记忆合金热能发动机需要持续不断地热水供应才能连续工作，记忆合金水车的叶片容易脱落。在陕西师范大学陆港小学开展科普宣教展演过程中，学生们对记忆合金科普仪器很感兴趣，但由于受仪器自身条件限制，不能连续工作，造成后面参观的小学生无法看到“记忆合金”科普仪器的工作，展示效果受到影响。再者，目前“记忆合金”科普仪器通常只是单一展示形状变化，并未切合实际生活，不能使公众感受记忆合金材料在生活中的重要作用。基于此，笔者对现有的记忆合金热能发动机、水车进行优化设计，对相关组件进行完善改进，提高仪器性能，增强设备的使用便利性及展示效果；同时开发了一套贴近大众生活的“记忆合金”报警器，使公众充分了解记忆合金的性能及其在实际生活中的重要用途。

一、实验原理

形状记忆合金是通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应的由两种以上金属元素所构成的材料。它是形状记忆材料中形状记忆性能最好的材料，可分为单程记忆效应、双程记忆效应和全程记忆效应，如图1所示。单程记忆效应指形状记忆合金在较低的温度下发生变形，加热后可恢复变形前的形状；双程记忆效应指形状记忆合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状；全程记忆效应指形状记忆合金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。形状记忆合金还有一种形变——伪弹性，在外力作用下，形状记忆合金具有比一般金属大得多的变形恢复能力，即加载过程中产生的大应变会随着卸载而恢复。这种伪弹性变形记忆合金在医学和建筑减震以及日常生活方面得到了普遍应用。本文主要是针对非伪弹性的记忆合金科普仪器性能进行优化改进。

图1 不同种类的形状记忆合金的形状变化

记忆合金热能发动机的工作原理是弯曲的记忆合金丝受热伸直驱动轮子转动。它在高温时伸直，低温不变，属于单程记忆合金。记忆合金水车中的叶柄在热水中弯曲，相当于船桨在水中划行，驱使记忆合金水车转动，当叶柄转到上方时，空气冷却，使其向相反的方向弯曲，记忆合金水车的重心偏移，迫使记忆合金水车转动。记忆合金水车的叶柄属于全程记忆合金。感温记忆合金报警器中的关键部件就是记忆合金弹簧。它受热时，弹簧伸长，连通电路，报警器响起来，警灯亮起来；冷却后，弹簧收缩，电路断开，报警器停止工作。这里用的记忆合金弹簧属于双程记忆合金。

二、记忆合金热能发动机的改进

目前，市场上的记忆合金热能发动机是由培养皿、记忆合金丝、两个轮子（一大一小）、支架及底座组成。培养皿用来盛热水，弯曲的记忆合金丝受热水加热后伸直，在变形的过程中产生的力驱动小轮转动，进而带动大轮子转动。但是培养皿中的热水很快就凉了，尤其在冬天的时候热水凉得更快，影响展示效果。同时，市售的记忆合金热能发动机没有展现出记忆合金热能发动机的功能。基于此，对其进行结构和功能优化设计。首先用智能控温加热器加热水，确保了记忆合金热能发动机中的记忆合金丝能连续不断地恒温受热变形，驱动轮子转动。其次，将记忆合金热能发动机的大转轮与微型发电机连接，再将微型发电机与LED 发光二极管连接。记忆合金丝受热后变形，带动轮子转动，轮子继而带动微型发电机发电，从而使LED 发光二极管发光，如图2 所示。这样的展示，不仅使公众体会到记忆合金丝的变形及在实际中的应用，同时还能沉浸式地感受到先进材料带来的科技创新。

图2 改进的记忆合金热能发电机

三、记忆合金水车的改进

如图3 所示，直接购买回来的记忆合金水车的热源来自塑料水槽中的热水，每次展示时，需要提前烧好大量的热水（约6 L）。由于塑料水槽没有加热和保温的功能，其里面的热水很快就冷却下来，使得记忆合金水车工作时间短（约5 min），展示效果不佳。为解决目前记忆合金水车的不足，对其进行优化改进，如图3所示。它由叶片、叶柄、支杆、转盘、底座和数显恒温水浴锅组成。底座上固定转盘，通过支杆将叶柄固定在转盘上，叶片与叶柄通过导热胶相连接固定。将数显恒温水浴锅作为加热源代替塑料水槽，提供连续不断的热水，使记忆合金水车能持续不断地工作，大大提高了记忆合金水车的展示效果。同时，采用导热胶固定记忆合金叶片，解决了螺丝固定叶片容易脱落的问题。数显恒温水浴锅加热其中的水达到70 ℃左右时，水轮车的叶柄受热水加热弯曲变形，相当于船桨划水，叶柄离开热水后，空气冷却，其又向相反的方向弯曲变形，水轮车就连续不断地转动起来。在科技活动展示中，公众都感叹之神奇，并由此展开讨论其在生产生活中的应用。

图3 改进的记忆合金水车

四、感温记忆合金报警器

利用双程记忆合金弹簧、微型变压器、警灯、警笛设计了一套温控报警器，如图4所示。微型变压器和警灯分别用螺丝固定在有机玻璃上，它们其中的一条电路连通。警灯的另一条电路与固定在有机玻璃上的铜丝连接。变压器的另一条电路与双程记忆合金弹簧的一端连接，并通过螺丝固定在有机玻璃上。双程记忆合金弹簧就是一个温控开关。当温度升高时，记忆合金弹簧伸长，与铜丝相接触，电路连通，报警器工作；当不再受热时，记忆合金弹簧缩短，与铜丝分开，电路断开，报警器停止工作。该套装置贴近生活，深受公众喜欢，同时让参观者了解到材料的功能与器件的功能之间的关系。

图4 感温记忆合金报警器

五、结论

改进的记忆合金水车和热能发动机操作方便，性能良好，增强了展示效果。设计、开发的温控记忆合金报警器，提高了公众对记忆合金智能材料在生活中的用途的直观认识，同时还提高了公众对科技改变生活的深刻体会，激发了学生对科学的兴趣。这些优化设计的记忆合金科普仪器已经在绿地浐灞小学、西安市锦园小学、雁塔二中等中小学及大学学校的科技活动中展出，如图5所示，得到公众的认可。

图5 学生正在探索记忆合金科普仪器的奥秘