形状记忆合金的奥秘何在?
人和动物的头脑有记忆力,这一点谁也不会感到奇怪,但要说到某些金属合金材料也有这种本事,可能相信的人就不多了。然而人们确实已获得这种金属合金材料,并称之为“形状记忆合金”(SMA)。不过,“形状记忆合金”的“头脑”非常简单,记忆力也是够可怜的,它只能记住自己原来的形状,其它记性就一点也没有了。在某个温度下,它是混混沌沌的,可以任人摆布,很方便地做成任意形状的物件。但是当加热到一定温度后,它就突然清醒过来,想起了自己的原先样子,并且马上恢复本来面目。大家可不要小看这一点点本领,这个本领在某些领域中却是大作为的。例如我们在航天飞行器上要装上不少体积大的部件,比如大的抛物天线,在发射时就希望将其折叠在火箭里面,以节省宇宙飞船上的宝贵空间,到了天上再将其展开使用。如果用形状记忆合金来制成这种天线的话,可先在低温时将它折成小团放入火箭里,到了太空后,被太阳一加热它就立即张开,变成原定形状开始工作。这真是既可靠,又简单,真是再理想不过了。
人们又将形状记忆合金的这种本领称为“形状记忆效应”(SME)。形状记忆效应又分为两种。一种是单向记忆效应,它只能记住高温时的形状,借加热回复,再冷却后不能记忆低温形状。另一种是双向记忆效应。它既能记忆高温形状,又能记住低温形状。形状记忆合金还有一种超弹性效应,它是指金属在某些条件下相当可观的弹性变形,类似橡胶变形的行为。当施力时有弹性变形及类似塑性变形区,随着外力的去除,能全部回复原来的形状而没有永久变形。形状记忆合金究竟显示何种效应则取决于合金的成份(镍钛基、铜基……)内部晶体结构、变形量和温度等因素。
形状记忆合金的发现是很早的,1938年,美国的格里奈哥和穆拉迪安等人在Cu—Zn合金中发现的马氏体的热弹性转变。随后,前苏联的库鸠莫夫对这种行为作了研究。1951年美国的程(Chang)和伊利诺大学的里德教授研究小组在Au—Cd合金中发现了形状记忆效应。可惜该合金价格昂贵,难以推广应用,直到1962年美国海军军械研究所的巴比勒在一次偶然的机会里,发现了镍钛合金具有形状记忆效应,才开创了形状记忆合金应用的新阶段。巴比勒把合金中镍(Ni)和钛(Ti)元素名称和海军军械实验室(Navy Ordinal Liboratory)英文缩写名称合在一起,命名为Nitinol,即今天鼎鼎大名的镍钛诺尔形状记忆合金。
自20世纪60年代,镍钛诺尔形状记忆效应一问世,一些结晶物理学家、金属物理学家就开始千方百计地在探索这个形状记忆效应的物理机理问题。至今众说纷纭。不过目前有一种理论似乎已为不少人所接受。这种理论认为:镍钛诺尔合金的晶体结构会在复杂的菱形晶格和简单的立方晶格之间转换。前者结构不如后者稳定,当冷却到一定温度时合金的立方晶格即变为菱形晶格,这种转变称为“马氏体转变”,这时合金变得非常柔软而极易变形。如果加热到超过这一温度时,其结构又从菱形晶格转变为立方晶格而呈现形状记忆效应。伴随这一效应可以产生很大的力量。因此有人称镍钛诺尔形状记忆合金是双向型的。
不久前,日本科学技术厅金属材料研究所声称,他们利用电子显微镜,已成功地观察到铜锌合金的形状记忆机理,并拍下了两幅合金结构转化的照片。
有位科学家总结出形状记忆效应的合金应具备3个条件:(1)热弹性马氏体;(2)母相(指在相变点以上,金属稳定的相)有序化;(3)以孪生晶构成亚结构为全部孪晶。但近几年来,有科学家发现在铁基合金和不锈钢中也具有部分形状记忆效应,从而否定该类合金的马氏体亚结构必须为孪晶的论点。他们认为对形成形状记忆效应的条件还不能提出成分、母相结构、马氏体形态和形状记忆特性之间的清晰概念,所以还有待于进一步的研究。
还有些科学家指出:这种合金关于长时间的重要形状记忆特性以及寿命问题,包括这种合金的物理机理和制造工艺技术,还有许多未被认识的部分。
许多科学家正在锲而不舍地探索形状记忆合金的变形物理机理的奥秘。各国科学家发表的研究论文已有几百篇,人们相信彻底揭开它的奥秘的日子不会很远了。正是由于形状记忆合金具有神奇的记忆功能,一直在激励科学家们梦幻般的遐想,许多令人不可思议的元件和装置相继在仪器仪表、电器、自动控制、汽车、航空航天、医疗、生物工程、机器人等各领域里相继问世,并真如魔术般地表现出非凡的才华。据称已有100多种形状记忆合金器件获得了专利。在人类生产和生活的许多领域,这种奇妙的合金已初露锋芒。
其中美国发明家奇韦·班克斯首先研制成功的形状记忆合金发动机,更是引起了国际科技界的极大轰动,这种命名为班克斯热机是由1个可以作水平旋转的轮子和2个水槽组成。形状记忆合金丝作成U形,一端固定在轮子的辐条上,另一端可以在传动杆上滑动,2个水槽位于轮子下方,一个盛有大约50℃的温水,另一个盛有大约25℃的冷水。当U形形状记忆合金丝从冷水进入热水时,它就凭“热记忆”突然弹开,这种弹力中,有一部分是沿着轮子切线方向作用的,因而能驱动轮子转动。转动的轮子以60~80转/分之转速,输出0.23瓦的功率对外界作功。当弹开伸直的合金丝回到冷水时,凭着“冷记忆”特性,便又弯曲起来,从而回复到原来的U形形状。这种具有双向记忆特性的记忆合金丝的轮子,转了几十万转之后也不见转速减慢。而那些形状记忆合金丝经过几十万次弯曲后也没产生金属疲劳而被折断的征兆。1980年,班克斯又制成一台20瓦的形状记忆合金热机。
科学家们为班克斯的这一新奇的发明而惊叹不已。他们预感到它将有划时代的意义,它不需烧油、煤等燃料,也不耗电,仅需要相差几十度的水温,而且在工作中既不排废液也不排废气,又没有残碴浓烟,为人类提供了廉价、清洁的能源。这在能源危机、公害肆虐的今天又是多么可贵!
当然这种班克斯热机还有待于进一步地完善和发展。当今世界上,至少有数十个实验室正在悄悄地,甚至严加保密地进行形状记忆合金热机的研究。在美国已有12项这种热机获得了专利。科学家认为:今后完全有可能制造出几百千瓦,甚至几万千瓦的形状记忆合金热机,到了那时,将彻底改变世界范围内的能源结构,为开发新能源展现出美好的前景。
至此,细心的读者也许会提出疑问:既然班克斯热机中的形状记忆合金在冷水中弯曲所耗的能量小于它在热水中弹开所释放的能量,那么热力学第一定律在这种热机面前岂不完全失效了吗?确实,曾有人提出将它看成永动机。但是,有科学家提出:热力学第一定律并没错,问题是它并不能说明形状记忆合金的奇妙的记忆特性。很显然,这样的解释说服力亦不强。这确实是个疑谜,现今科学上尚无满意的解释。有志于研究和探索的人们,班克斯热机中的形状记忆合金的这些奥秘正等待着你们去揭开呢!