带“记忆神经”的材料：形状记忆合金

科学家们预言：二十一世纪将是材料-电子一体化的世纪。研制由功能材料构成的高密集度、高可靠性、多功能 、自动化机电伺服系统, 是近代科技发展的一大需求。作为新型功能材料家庭中的重要成员, 形状记忆合金在工程机械领域及日常生活中得到了广泛的应用，优势也越来越明显。

形状记忆合金(Shape Memory Alloy , 简称为SMA)是一种特殊的金属材料, 经适当的热处理后即具有回复形状的能力 , 这种能力被称为形状记忆效应(Shape memory Effect , 简称为SME)。研究表明 ,很多合金材料都具有SME, 但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的, 才具有利用价值。通常，这类材料与普通金属材料相比具有伪弹性，良好的抗震性及适应性等优异特性。

形状记忆效应（SME）

对于普通金属合金而言，当材料受到低于其屈服强度应力作用时，材料只会发生弹性变形，即当外力撤掉后材料依然能够恢复到原来的形状。但是当材料受到高于屈服点的应力时，材料会发生塑性变形，即在撤掉外力的作用下，材料依然不会恢复到原来的形状而发生永久变形。而形状记忆合金产生塑性变形后, 加热到某一温度之上, 能够回复到变形前的形状, 即具有形状记忆效应（SME）。

（a）单程记忆效应（b）双程记忆效应（c）全程记忆效应

形状记忆效应通常分为单程记忆效应，双程记忆效应及全程记忆效应。具有形状记忆效应（SME）的金属通常是由两种以上金属元素组成的合金。目前，已经成功开发出的形状记忆合金有铁镍基形状记忆合金，铜基形状记忆合金，铁基形状记忆合金。

形状记忆原理

单程记忆效应二维宏观图

单程记忆效应二维微观图

SME通过SMA材料母相和子相之间的相互转化实现。通常, 高温相为母相, 合金中的晶体结构主要是奥氏体。低温相为子相, 晶体结构主要是马氏体。奥氏体晶体结构通常是体心立方结构，马氏体的晶体结构是斜立方体, 它与奥氏体的区别类似于正方形和平行四边形。

我们这里以单程记忆效应为例结合晶体学理论知识阐述形状记忆效应的原理。我们将三维晶体结构模型抽象成二维模型，如上图所示。母相奥氏体在冷却过程中发生马氏体相变，马氏体相变是一种移位型相变过程中, 没有原子的大范围移动。通过局部原子重排, 晶体结构转化成更为稳定的状态, 固体化学成分不变，而形成孪晶马氏体。孪晶马氏体在外载荷作用下晶体结构发生滑移而形成另一种晶体结构，这种晶体结构不再具有孪晶马氏体的特征，只是它的一种结构变体，晶格类型依然是斜立方体。在随后的对变形后的马氏体加热过程中，马氏体转变为奥氏体，奥氏体仅以立方晶格形式存在, 不表现孪晶性质, 因此只支持一种宏观外形即“ 记忆”的形状。这就是SME的晶体学原理。

形状记忆效应的特性

1、非线性

形状记忆效应的非线性主要是指形状记忆合金在拉伸作用下，合金的加热与冷却曲线并不重合，从而形成迟滞。如果加热与冷却曲线不存在重合部分，则成为主迟滞，如上图3-1-3.如果加热与冷却曲线存在部分重合，则称为次迟滞，如曲线3-2-1，3-4-1。经历多次部分热循环后 , 迟滞会发生移动。

2、热力学特性

形状记忆合金在拉伸过程中表现出的应力应变曲线与普通金属合金有较大的差异，在不同温度状态下的应力应变曲线也会发生显著差异，这主要是因为在拉伸过程中晶格变换及存在的相变过程。

形状记忆合金发展史

1932年，瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到"记忆"效应；

1938年，哈佛大学研究人员在铜锌合金中发现热弹性效应，但未被重视；

1963年，美国海军机械研究所宣布在NiTi合金丝中发现了形状记忆效应；

1969年，镍-钛合金的“形状记忆效应”首次在工业上应用；

1969年7月20日，美国将镍-钛形状记忆合金材料制成天线带上月球；

我国与上世界80年代开始研制，虽然起步较晚，但截止到现在已经形成镍钛基，铜基及铁基形状记忆合金系列。

形状记忆合金的专利

预计2019年形状记忆合金及记忆材料相关的领域US专利数将达 25000+，专利主要集中于生物医疗领域，占比高达61%。

形状记忆合金应用

目前，形状记忆合金主要应用在航空航天及其他工业，生物医学及日常生活领域。

航空航天

利用形状记忆合金制作而成的宇宙天线，在低温下压缩成一个小铁球，它的体积仅为原来的千分之一，这样很容易被送上月球等其他星球，在强烈的太阳辐射下，天线温度升高而恢复到原来的形状，从而能够正常工作向地球发送回宝贵的宇宙信息。

其他工业

利用形状记忆合金制作而成的形状记忆合金弹簧应用于热敏元件而提高元件的敏感度。此外在管接头和紧固件上 ,低温时管内端扩大4%，然后装配链接在一起，再经高温加热管道恢复到原来的形状而实现无缝衔接。

生物医学

Ni -Ti 合金是医用生物材料的佼佼者, 在临床医学和医疗器械等方面广泛应用。如介入医疗 ,将各类人体腔内支架、经过预压缩变形后 ,能够经过很小的腔隙安放到人体血管、消化道、呼吸道等各种狭窄部位 ,支架扩展后,在人体腔内支撑起狭小的腔道 .具有疗效可靠 、使用方便 、可大大缩短治疗时间和减少费用等优点。另外，手术缝合线、牙齿矫形丝 、脑动脉瘤夹、髓内针 、人工关节、避孕环、人造心脏、人造肾脏用微型泵等都已进入医疗临床试用 .

日常生活

在日常生活领域形状记忆合金制作而成空调百叶板，浴室水管水温的控制阀门，暖气片的控温阀门以及消防器的阀门都可以使用形状记忆合金制作，另外还有我们平时戴的眼镜，吃饭时的饭勺等等也都可以使用形状记忆合金。

不久的将来 , 汽车的外壳也可以用记忆合金制作 .如果碰瘪了,只要用电吹风加加温就可恢复原状 .用形状记忆合金研制的发动机不需燃料,也不耗费电力,仅仅需要相关几十度的水 .且其工作全过程既不排放废液又不消耗能源, 今后完全有可能研制出实用的形状记忆合金热机 , 届时世界的能源结构将因此而改变 .由形状记忆合金驱动的仿生机器人, 可以实现控制系统的微型化和智能化。

编辑：窗前听雨

参考：杨凯，21世纪新型功能材料—形状记忆合金。