日期:[2023年12月01日]
-- 智慧生活报 --
版次:[B19]
真神奇！特殊金属竟然有“记忆”
变形后在适当温度下还能恢复原形
一枚被掰直的回形针在热水中很快恢复为原有的形状！难道金属也有“记忆”？
11月28日上午，在首届（小店）科普研讨会上，北京航空航天大学材料科学与工程学院教授赵新青作题为《航天航空领域中的前沿材料——记忆金属》的主旨报告，为与会人员揭示了其中的奥妙。
记忆金属，学名为“形状记忆合金”，是由一种金属元素与另外一种或几种（非）金属元素构成、能够“记住”自己初始形状的新型功能材料。
它的发现，缘于巧合。1932年，瑞典人奥兰德首次观察到某种合金在室温中变形后，再将其加热到一定温度，材料会发生结构逆转变，自动恢复其原有形状。直到1963年，美国海军军械研究室发现具有形状“记忆”的镍钛合金材料，才让形状记忆合金名声大噪。
目前，形状记忆合金种类有数十种，如Ni-Ti（基）记忆合金（即镍钛合金）、Cu基记忆合金（Cu-AI-Ni、Cu-Zn-AI）、Fe基记忆合金（Fe-Mn-Si）等。
开头提到的那枚回形针，采用的材料就是Ni-Ti（基）记忆合金。它之所以能“记住”自己的原有形状，与其晶体结构随温度变化有关。
赵新青介绍，当环境温度在40℃上下变化时，Ni-Ti（基）记忆合金的晶体结构就会出现变化。在40℃以上的环境中，Ni-Ti（基）记忆合金晶体结构具有较高的对称性；若环境温度低于40℃，Ni-Ti（基）记忆合金晶体结构就会转变成具有不同取向的马氏体结构。
何谓马氏体？19世纪90年代，德国冶金学家阿道夫·马滕斯发现，钢被加热到一定温度形成奥氏体（奥氏体，钢铁的一种层片状的显微组织，以英国冶金学家罗伯茨·奥斯汀命名）后经迅速冷却（淬火），硬度增加、强度增强。1895年，法国人奥斯蒙为纪念这位冶金学家，把这种淬火组织命名为马氏体。“奥氏体向马氏体的转变，就是Ni-Ti（基）记忆合金具有‘记忆’特性的原因所在。”赵新青解释。
有人巧妙地利用这一特性，设计制作出了令人惊叹的记忆合金花。加热前，这种花的花瓣呈闭合状态。加热时，它的花瓣慢慢打开至完全开放状态。
形状记忆合金还具有另一个重要特性——超弹性。由于能够承受比一般金属更大的变形而不会损坏，因此人工骨骼、伤骨固定加压器和牙科矫正器均采用形状记忆合金。
形状记忆合金展示出的自我调节等特性，使得它们的应用越来越广泛。
在生活中，由形状记忆合金制成的眼镜框架也出现在市场。这种眼镜架轻巧舒适、不易变形，还更持久耐用。
近年来，形状记忆合金已在航空航天等领域得到广泛应用。2020年12月2日22时，经过约19小时的月面工作，嫦娥五号探测器顺利完成我国首次月球表面自动采样，并将样品封装保存在上升器携带的贮存装置中。
作为嫦娥五号探测任务的一个环节，月球表面自动采样封装颇为重要。鉴于普通形状记忆合金无法满足月球表面大温差环境下的超弹性需求，北京航空航天大学材料科学与工程学院“深空探测宽温域超弹性研究团队”与航天五院月壤钻采系统团队紧密合作，开展了适应嫦娥五号探测器月壤采集系统需要的宽温域超弹性记忆合金及器件研发工作。团队成员成功研发了在宽温度范围内具有超 (高)弹性和高强度的TiNiNb形状记忆合金，为月壤钻取子系统提供了1000余件力学性能、尺寸精度和表面质量合格的封口器产品，为嫦娥五号月壤钻取采集的顺利完成提供了重要保障。
记者 梁耀华
11月28日上午，在首届（小店）科普研讨会上，北京航空航天大学材料科学与工程学院教授赵新青作题为《航天航空领域中的前沿材料——记忆金属》的主旨报告，为与会人员揭示了其中的奥妙。
记忆金属，学名为“形状记忆合金”，是由一种金属元素与另外一种或几种（非）金属元素构成、能够“记住”自己初始形状的新型功能材料。
它的发现，缘于巧合。1932年，瑞典人奥兰德首次观察到某种合金在室温中变形后，再将其加热到一定温度，材料会发生结构逆转变，自动恢复其原有形状。直到1963年，美国海军军械研究室发现具有形状“记忆”的镍钛合金材料，才让形状记忆合金名声大噪。
目前，形状记忆合金种类有数十种，如Ni-Ti（基）记忆合金（即镍钛合金）、Cu基记忆合金（Cu-AI-Ni、Cu-Zn-AI）、Fe基记忆合金（Fe-Mn-Si）等。
开头提到的那枚回形针，采用的材料就是Ni-Ti（基）记忆合金。它之所以能“记住”自己的原有形状，与其晶体结构随温度变化有关。
赵新青介绍，当环境温度在40℃上下变化时，Ni-Ti（基）记忆合金的晶体结构就会出现变化。在40℃以上的环境中，Ni-Ti（基）记忆合金晶体结构具有较高的对称性；若环境温度低于40℃，Ni-Ti（基）记忆合金晶体结构就会转变成具有不同取向的马氏体结构。
何谓马氏体？19世纪90年代，德国冶金学家阿道夫·马滕斯发现，钢被加热到一定温度形成奥氏体（奥氏体，钢铁的一种层片状的显微组织，以英国冶金学家罗伯茨·奥斯汀命名）后经迅速冷却（淬火），硬度增加、强度增强。1895年，法国人奥斯蒙为纪念这位冶金学家，把这种淬火组织命名为马氏体。“奥氏体向马氏体的转变，就是Ni-Ti（基）记忆合金具有‘记忆’特性的原因所在。”赵新青解释。
有人巧妙地利用这一特性，设计制作出了令人惊叹的记忆合金花。加热前，这种花的花瓣呈闭合状态。加热时，它的花瓣慢慢打开至完全开放状态。
形状记忆合金还具有另一个重要特性——超弹性。由于能够承受比一般金属更大的变形而不会损坏，因此人工骨骼、伤骨固定加压器和牙科矫正器均采用形状记忆合金。
形状记忆合金展示出的自我调节等特性，使得它们的应用越来越广泛。
在生活中，由形状记忆合金制成的眼镜框架也出现在市场。这种眼镜架轻巧舒适、不易变形，还更持久耐用。
近年来，形状记忆合金已在航空航天等领域得到广泛应用。2020年12月2日22时，经过约19小时的月面工作，嫦娥五号探测器顺利完成我国首次月球表面自动采样，并将样品封装保存在上升器携带的贮存装置中。
作为嫦娥五号探测任务的一个环节，月球表面自动采样封装颇为重要。鉴于普通形状记忆合金无法满足月球表面大温差环境下的超弹性需求，北京航空航天大学材料科学与工程学院“深空探测宽温域超弹性研究团队”与航天五院月壤钻采系统团队紧密合作，开展了适应嫦娥五号探测器月壤采集系统需要的宽温域超弹性记忆合金及器件研发工作。团队成员成功研发了在宽温度范围内具有超 (高)弹性和高强度的TiNiNb形状记忆合金，为月壤钻取子系统提供了1000余件力学性能、尺寸精度和表面质量合格的封口器产品，为嫦娥五号月壤钻取采集的顺利完成提供了重要保障。
记者 梁耀华
