能记忆形状的合金

形状记忆合金声名远扬，跟它在宇航上的应用是分不开的。要给卫星或飞船安装天线，特别是形状复杂，体积大的碗状天线难度极大。这种天线体积大、形状不规则，放在太空内舱要占很大空间，让宇航员乘航天飞机来一次太空安装，显然代价太高，怎么办？最巧妙的办法就是用形状记忆合金来做成一架能在太空自动架设的天线了。

选用的形状记忆合金在 70℃以上是强度很高的金属材料，70℃以下就柔软得像纱巾一样，当温度升到 70℃以上时，它“记”起了自己在 70℃以上时的模样，恢复了原来的形状和强度。于是，就在 70℃以上造出这架天线，它是碗状的，有抛物面，有必要的强度，是一架完整、合格的金属设备，冷却70℃以下时，它就变软，像一块纱布，把它折迭、压缩、安装到飞船的适当地方，它就只需很小的空间了。到了太空，阳光照射下温度很高，温度超过70℃，天线记起了自己原来的形状，就像自动伞一样自动张开，就可以进行讯号传输了。

这是形状记忆合金巧妙应用的一个例子。其实，形状记忆合金最早的应用是在管道套接上。70 年代，美国人用来连接 F14 飞机的油路系统，用的是商品名 Nitional 的镍钛形状记忆合金。这种合金密度较小，抗拉强度很高，特别是能经受达千万次反复作用，而不受破坏，因此，加工成管套去连接飞机的油管是安全可靠的。这种管套的内径比飞机油管稍小一点，一般情况下很难套上去，只要把它冷冻到一定的温度，管套变得非常柔软，把管套内径扩大一点也很容易，这时管套的口径比飞机油管大，自然很容易套上去，把油管接起来。温度升高到室温后，管套记忆起它的形状。恢复成强硬的钢套，因为内径比油管外径略小，就套得特别紧。这种连接施工时间短，适于航空、核工业、海底油管等危险场合和紧急抢修。

把金属或合金以较快的速度从高温冷却，会出现一种新的结晶相，这种新结晶叫马氏体，这种转变叫马氏体转变。因为冷却速度快，原子的相对位置变化不大，原子间不存在相互扩散现象。只是重新组合成新相。马氏体转变在金属热处理中是一种常见现象，不一定都有形状记忆效应。

但是形状记忆合金就不同了，它的马氏相由挛晶组成，挛晶也称姊妹晶，两种晶体结构相同，只是晶向不同。两种挛晶间存在界面，界面间作用力较弱，受到外力作用时界面间产生滑移，因而容易变形。虽然产生很大形变，但原子间的结合方式和顺序并没有改变，当温度上升，超过它的转变温度时，它又恢复原状。

形状记忆合金与普通金属材料不同的地方，还在于它从奥氏体向马氏体的转变是完全和可逆的。母相转变为马氏体时，应该是完全的，没有奥氏体残留，这样就容易变形，当马氏体回到母相时，也是完全的，没有马氏相残留。这样就能完全恢复原状。好的形状记忆材料可以经历几十万次的反复转变还保留良好的性能，例如镍钛合金就是这样。有的材料可逆性差些，可逆性不完全，可以用在管接头那样的一次性操作上。

目前正在研究的形状记忆合金主要有三大类型。最成熟的是镍钛合金， 1963 年发现镍钛合金具有形状记忆效应，70 年代初用于飞机油路管接头。制

造卫星天线的也是镍钛合金。镍钛合金强度很高，耐腐蚀，反复使用次数高，有的可以达到 20 万次以上。

镍钛合金的品种很多，在镍钛合金中添加铜、钴、铌、铁、钯、铬等，可以制得了一系列新的形状记忆合金。镍钛合金的转变温度范围从零下十度到零下一百度，可以适应不同用途的需要，扩展了形状记忆合金的应用范围。

镍钛合金的价格很贵，限制了它的推广使用。铜系形状记忆合金的价格只有镍钛合金的十分之一，但功能差一些。这个系列的成员主要是铜——锌

——铝合金和铜——镍——铝合金。目前正在通过添加其它金属和改进处理方法改善其性能，这类合金是很有发展前途的。

铁系合金的价格是最低的。铁系合金中有记忆功能的有铁——铂、铁—

—钯、铁——镍——碳、铁——锰——硅等。铁——镍——钴——钛的形状记忆效应性质与镍钛系相同。而铁——锰——硅相变可逆性差，只适于制造管接头等一次性使用。由于价格低廉，铁系合金是很有潜力的。

俗话说，材料是发明之母。新的思维和创造没有适合的材料就不能变成现实，有特殊性能的新材料的出现又给发明家们提供了广阔的思维空间，供他们纵横驰骋，做出各种新奇的玩艺来。

形状记忆合金出现以来，许多新的发明应运而生，除了在航空航天领域应用以外，在医学、自动控制也得到了应用，并出现了许多新的设想。

形状记忆合金被做成牙齿矫形用的唇弓。把这种唇弓按病人牙齿尺寸，选择转变温度在室温以下的形状记忆合金做好，定形后，冷冻，使唇弓变软，套到牙齿上很容易，病人也没有痛苦。套好以后，唇弓慢慢上升到人的口腔温度，“记”起了它在冷冻前的形状，又变成坚强有力的钢箍，迫使牙齿排列整齐，达到矫正齿形的目的。

此外，还用形状记忆合金制成外科用接骨板，用来固定骨折病人的骨骼等。

形状记忆合金用作控温元件是非常简便的。例如，可以把记忆合金做成开关弹簧片，把这种开关安装在房间里，空调器的供电线线路上。欲控制房间温度在 24℃，选取转变温度在 23℃的合金。当温度在 24℃以下时，簧片变软，收缩，电路断开，空调器停止制冷。当室温上升到 24℃以上，弹簧片由于记忆效应，恢复了形状和强度，接通电路，空调器又开始制冷，给房间降温。用一个金属片就可以控温，不需要温度计、传感器、继电器等复杂的元件。

人们还设想用形状记忆合金制造微型机械手、机器人；以及用于核反应堆、加速器的装置。当然，这些设想的实现还需要克服许多技术上的障碍，还需要相当长的一段时间。