形状记忆合金为什么会有“记忆”!

点击量:481 发布时间:2017-02-13 作者:状迈(上海)增材制造技术有限公司
每个人理所当然的会记住各种有用的事情。长相、名字、住址,名人面孔、家庭成员生日,也许你还会说一两种外语。然而,人们惊奇的发现无生命物体也能有一种记忆性。金属汤匙中的原子几乎一直保持在同一个地方:一旦形成勺子,永远是勺子。你可以用钳子把勺子掰弯,它就变成面部全非的金属片。但是如果勺子用记忆合金做的,那勺子形状记忆不会消失。如果再次加热,它会神奇地变成原来形状!形状记忆神奇材料最广为人知的应该是“坚不可摧的”眼镜支架和胸罩内的金属架,但是其实它们有着各种各样的神奇用途,尤其在医学和航天领域。
弹性与塑性
 
如果知道一点材料学知识并知道当拉伸或挤压材料,材料的应力应变情况,这将对理解形状记忆概念有所帮助。
像汤匙这样的固体,除非施加应力,否则它一直保持着勺子形状。这毫不意外!因为本质上意味着“固体”。用一个足够大的力,一个物体总是会改变形状或变形;它具体变成什么样取决于材料。某些材料是脆性的,而且根本不会改变形状。如果勺子是玻璃或者木头制成的,弯曲的次数过多就会断裂成碎片。
如果它是由厚橡胶制成的,在拉伸或挤压时会有微小变形,然而当移走施加应力的瞬间,它就会恢复到原来形状。这种行为定义为弹性:物体在外力作用下发生形变,外力撤销时则恢复到原来形状,我们说它是弹性的,并且完全可逆的拉伸过程是弹性变形。我们经常谈论“弹性”,仿佛它是材料本身的属性,但实际上弹性单指那些拥有弹性的人工的、橡胶材料。甚至金属也有弹性,只要你不用力拉伸,特别是它们做成弹簧。
如果勺子是塑料的?意味着可以将至弯曲永久变形。当停止用力,勺子保持着新形状而不会回到原来的形状。这种行为定义为塑性,同时也可以解释塑料的命名。塑料是由大分子(聚合物)制成的化学品,通常在制造过程中(或者之后)成形,因为分子链非常容易滑移。通常,塑料在工厂中由熔融态,模具成型,然后冷却使之硬化(凝固)。但是就像“弹性”一样,塑性指的是它的行为,而不是它的组成。在某种意义上来说,许多软金属是塑性的,因为可以来回弯曲而不会回到原来形状。这种不可逆的变形称为塑性形变。
什么是形状记忆?
材料科学就是选择最好的材料来做某项特定的工作。例如,设计一个喷气式发动机,可以选择非常轻而且能够耐高温的坚固材料——铝、钛或者合金。但是如果你想要做一个低温下表现某种方式,但是加热时表现却不同的飞机零件呢?这种情况下,你可以使用形状记忆合金,它可以随着温度变化自动重塑。
普通的金属没有形状记忆。如果坐在铝制眼镜架上并且永久的弯曲它们,它们很难回到原来的样子。你必须照着自己记忆中眼镜框的样子辛苦地去调整,就算是这样,也很难保证眼镜框回到以前的样子。而且如果来回弯曲次数太多,镜框达到疲劳强度可能会永远的断裂。
形状记忆金属与普通金属表现不同。它们是强而轻、具有特殊性能的合金(通常混合两种或更多的金属)。它们可以“编程”记住原来的形状,所以如果弯曲或挤压它们,可以通过加热使它们重新恢复到原来形状。这被称为形状记忆效应(既然加热能使它改变,也可以称之为热形状记忆效应)。某些形状记忆金属在热的时候记住一种形状,但在冷却时候记住另一种形状,所以冷却时它们变成一种形状,但加热时它们“忘记”原来形状,颈缩成一个不同的形状。这被称为双向形状记忆效应。现在,假如可以做一种形状记忆体,即使弯曲和扭曲很多次即使没有加热,但仍然可以恢复成原来形状?这是形状记忆的一个方面叫作伪弹性或超弹性,它适用于那些超级柔软,几乎坚不可摧的眼睛框,制造商说它至少比钢柔韧十倍!
虽然镍钛合金(又称为镍-钛,Ni-Ti)可能是最广为人知的形状记忆合金,但是实际还有许多其他形状记忆合金,包括铜锌铝合金,铜铝镍合金,铁锰硅合金;还有相当多其他种类的。你也能发现以品牌命名的形状记忆合金例如FLEXINOL®和Muscle Wires®,这是由该公司特有的镍钛合金。
形状记忆如何发挥作用?
最容易理解形状记忆的方式是记住发生在材料内部(即原子和分子的纳米尺度)的变化也许和外部看起来发生的完全不同。
拉伸橡皮圈,在它内部交联和纠缠的橡胶大分子链打开和分离。撤销拉力,分子链重新聚集到一起,这就是弹性的工作机理。形状记忆是不同的。弯曲形状记忆合金物体使其内部晶体结构变形。不进行处理,它就会保持永久的弯曲形状。然而对其加热,晶体内部结构变成完全不同的形状,推动物体回到原来的形状。超弹性是相似的,但是你变形后使物体恢复到原来形状不需要温度。如果弯曲了一对形状记忆眼镜框,所施加的应力使钛合金变成完全不同的晶体结构;放开手后晶体结构恢复,眼镜框回到原来的形状。
形状记忆和超弹性发生的是固体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。这就是固态相变,它听起来比实际情况复杂。其实我们都习惯了相变:你把冰块放到饮料里然后它融化了,你观察到的就是相变。随着冰块融化,其分子从紧密堆积结构转变成更松散和更流动的结构,所以水从固相(冰)转变成液相(平常的液体水)。发生在固态相变中的大致相似的事情是材料在转变前和后都是固体,因为在整个过程中所有分子之间保持的非常近。
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然后电线恢复到原来形状。冷却下来,电线重新恢复成马氏体,仍然恢复成原来形状。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。
形状记忆令人惊奇也可能使人困惑的是奥氏体和马氏体之间的转换不是“对称”的。你可以取一条“编程”的形状记忆电线(有明显易记的形状),然后可以用不同的方式去弯曲它。但是当你加热你刚刚随意弯曲的电线,它总是回到一条单一、明显的形状。我们可以这样理解这一点,材料在马氏体状态下可以愉快地变成任何晶体形式。但是当它在奥氏体时,它只有一种晶体形式。这也是最稳定的状态,也即最低能量状态。
当施加应力(压力)而不是加热时,超弹性和形状记忆表现相似。通常,组成合金的是奥氏体的韧性形式。假设对形状记忆眼镜施加应力(就是弯曲它们),奥氏体转换成马氏体后非常容易变形。放开镜框后马氏体变回了奥氏体,所以眼镜回到最原始的形状。
形状记忆合金用途?
Arne Olander在上世纪30年代发现金-镉合金中存在形状记忆效应,但是在上世纪60年代美国海军军械实验室开发出钛镍合金之后,形状记忆合金(也叫作SMAs,金属肌肉,记忆金属,智能金属)开始真正推广使用。几十年后,形状记忆金属已经是所有医学和健康相关设备领域最平常的选择,包括从牙科植入物到外科工具,从胸罩内线到眼镜框(以Flexon品牌出售)。与塑料、金属或传统合金不同,形状记忆合金兼具坚固和柔韧的优点,易于消毒并耐腐蚀。由于轻质、坚韧并能在高温下工作的特性,形状记忆合金也广泛应用于航空航天部件,例如火箭和空间探测器。
形状记忆合金在机器人领域应用快速增长。有时人们需要设计特殊用途的机器人到传统机器人无法到达的地方:可能需要在十分坚实的火箭上炸出孔洞,或者需要在门口悄悄的监视罪犯。考虑到这些,工程师们开始设计由形状记忆合金制成的自动展开机器人。它们开始时折叠在一起,当他们需要被激活时,电流通过机器人形状记忆的部件,加热它们至回到“预编程”的稳定不变机器人形状。
形状记忆聚合物
 
形状记忆合金听起来高大上,但是它们也有缺点:形状记忆合金比普通不锈钢更易达到疲劳强度(多次重复变形后断裂),而且比传统的钢或铝合金的制造成本更高。上世纪90年代,材料学家开始开发与形状记忆合金相似且具有形状记忆效应的形状记忆聚合物(SMPs)。正如普通塑料改变了世界,形状记忆聚合物很可能在未来几年拓宽它的应用领域,因为SMPs比金属基合金更轻、更便宜和更柔韧。和SMPs最密切相关的是SCPs(形状改变聚合物),当它们受热(或以其他方式被能量刺激),其逐渐改变形状;然而当冷却的时候,其恢复形状。虽然自愈合材料(一种损伤后自我治愈的材料)也可以在多种不同的方式下工作,它们与SMPs非常相似。例如,可以设想一下,一个塑料机身可以吸收射入的子弹的动能后转换成内能,并用内能激活形状记忆效应使聚合物恢复到原来形状,迅速愈合和密封。
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