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【展厅展品】“律动世界——化学元素周期表专题展” 深度看展项之“形状记忆合金”

2019-10-08 06:05:31

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  是不是在你的印象中,只有人和某些动物才有“记忆”的能力,非生物是不可能有这种能力?然而,今天我们要介绍的主角“形状记忆合金”将会颠覆这一认知。下面,就让小编带你走进中国科技馆最新推出的“

  在展览中,有一件“形状记忆合金”展品。观其外表,是由多片菱形金属拼接而成的球状物,并无神奇之处。但当你按下启动开关对金属球加热,便会有惊奇地发现:只见一个个菱形的金属片像是约定好了,同步地沿固定轴线对称的上翘,宛如一个银色的花苞瞬间绽放,极具观感美和艺术张力;稍后片刻,它又徐徐回落,恢复原状,变回了那个圆滚滚的金属球。

  金属球为何能在绽放后恢复原状,它为何可以记住自己的形状?我们接下来仔细研究一下形状记忆合金。

  形状记忆合金是由两种以上金属元素构成的合金材料,常见的记忆合金有镍钛系合金、铜镍系合金、铜铝系合金、铜锌系合金、铁系合金等,它们通过热弹性马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应,能够在特定条件下记忆并恢复其初始形状。

  记忆过程之所以能够发生,本质原因是材料内部结构在两种不同的晶体形式之间的转换,换句话说,它的分子以完全可逆方式重新排列。

  通常来说,形状记忆合金在奥氏体和马氏体两种结晶态之间转变。在低温时,它们呈现相对柔软、塑性和容易成形的马氏体;在(相对)高温时,它们变成更硬和更难以变形的奥氏体。假设你有一个形状记忆电线,你可以相对容易地把它变成新的形状。它的内部是马氏体,这就是它容易变形的原因。无论你怎么弯曲电线,它都保持新的形状;就像任何普通的电线,它看起来像在进行普通的塑性形变。见证奇迹的时刻!对电线微微加热(高于相变温度),其内部变成奥氏体,在热能作用下内部原子重新排列使电线恢复到原来形状。冷却下来,电线内被重新恢复成马氏体,也就是变成了之前被弯曲时的形状。如果整个过程中材料的温度高于相变温度,你可以使其变形,但是当你释放你施加的应力,它立刻恢复到原来的形状。

  瑞典化学家奥兰德首次发现了在金镉(AuCd)合金中存在金属相变,合金的形状被改变后加热到高温能恢复到初始形状,即“记忆”效应。

  美国海军武器实验室成功研制出了廉价、力学性能优异且具有优良的形状记忆效应的镍铁(NiTi)合金。

  Raychem公司研发的形状记忆合金智能管接头被美国Grumman航空公司广泛应用于F-4喷气战斗机。

  形状记忆合金的发展和应用领域迅速扩大,在医疗、航天、航空和汽车行业开发应用的形状记忆合金专利和产品显著增加,形状记忆合金相关制品的市场规模也在逐年扩大。

  形状记忆合金作为一种随着科学技术的不断发展而应运而生的新型材料,它具有超强的智能性和高度的优越性,有着可以制作“性能优越化、高度自动化、以及耐磨可形变的各种性能可靠元器件”的绝佳优势,在航空航天、机器人、生物医学、汽车等领域有着广泛的应用。

  人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作。发射人造卫星之前,将抛物面天线折叠起来装进卫星体内,火箭升空把人造卫星送到预定轨道后,只需加温,折叠的卫星天线因具有“记忆”功能而自然展开,恢复抛物面形状。

  在医学领域,形状记忆合金应用最广泛的是多孔镍钛记忆合金,主要用于人体骨骼的替换和修补。镍钛合金具有与人体骨骼强度相当的强度,同时其多孔的特性保证植入人体后不会因为纤维组织的包覆而使植入材料产生松动或偏移而失效,使植入物与被修复骨组织形成牢固的结合体,同时其形状记忆效应又使得植入过程变得容易,降低手术难度,减轻病人的痛苦。

  未来,随着科学技术的进步,像形状记忆合金这样的功能材料会越来越多地走入日常生活,为大家带来更多便利。

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