有记忆能力的金属——记忆合金

前不久，美国的科学家将一条没有任何燃料的小轮船放进游泳池。小轮船竟在游泳池内转起圈来。这一现象惊呆了在场的观众。小轮船为什么在无燃料的情况下能够航行呢?原来这是“记忆金属”在作怪。

“记忆金属”，这个名字叫起来好像很古怪，难道金属像高等动物那样会有记忆力吗?它能记忆些什么呢?的确，有一类金属具有“记忆力”，它能够“记忆”自己的形状。自古以来，人们总认为，只有人和某些高级动物才有“记忆”能力，而非生物是不可能具有这种能力的。可是，在60年代初，美国海军研究所一个研究小组，偶然发现镍钛合金丝竟然也具有一种“形状记忆”的本领。这个研究小组的成员在领到一批乱如麻丝的Ni—Ti合金丝后，花了不少精力将它们弄直，可是当他们将这些金属丝放在近火处时，发现它们又重新变弯了。这个偶然的发现立即引起了人们的高度兴趣。于是在合金大家庭中又找到了像Cu—Al—Ni、Ni—Al、Ni—Co—Si等一类具有记忆形状能力的合金。

记忆金属在不同温度下会发生形状的变化。在冷水中，先将一段笔直的Ni—Ti合金丝弄弯，然后将它放在热水中，这时Ni—Ti丝又变直了。这样反复改变合金丝的温度，它的形状也会随之产生反复的变化。

能引起记忆合金形状改变的条件是温度。这是因为这类合金存在着一对可逆转变的晶体结构。如含有Ni和Ti各为50％的记忆合金，有两种晶体结构，一种是菱形的，另一种是立方体的，这两种晶体结构相互转变的温度是一定的。高于这一温度，它会由菱形结构转变为立方体结构;低于这一温度，又由立方体结构转变为菱形结构。晶体结构类型改变了，它的形状也就随之改变。前面在游泳池内航行的小轮船，就是用这种“记忆合金”做了发条。在较低的温度下，将船上的发条盘紧，不需要任何齿轮等装置，只要将小轮船放到较高温度的游泳池内，船上的发条就会自动慢慢放开，带动螺旋桨，小轮船便自由自在地航行起来。

在冷水中让记忆合金弯曲时所消耗的能量远远小于它在热水中恢复原形时所释放出的能量。所以，它在能量转化过程中似乎是“不守恒”的，竟出现了能量的“净增加”。这一现象，曾引起科学界的混乱。有些人甚至声称能量转化和守恒定律不成立了，物理学等自然科学就需要重新改写。客观世界本身就是多层次的，每个层次上都有它自身的规律，各层次的规律又各不相同。人们在无法解释记忆合金能量的“净增加”现象时，只能说明人们对这一新发现还不认识。后来，这一能量“净增加”的现象，终于被1977年诺贝尔化学奖获得者比利时科学家普利高津用“耗散结构理论”所解释。

原来，这些合金都有一个特殊转变温度，在转变温度以下，金属晶体结构处于一种不稳定结构状态，在转变温度以上，金属结构是一种稳定结构状态，一旦把材料加热到转变温度以上，不稳定的晶体结构就转变成稳定结构，材料也就恢复了原来的形状。记忆合金由于它们有着奇妙的作用，因此在很多重要地方显示了它们非凡的本领，向人类表明了它们具有很大的发展前途。记忆合金对自己形状的这种记忆性能也给人类立下了汗马功劳。

在城市的街道上，从早到晚都是车水马龙。公共汽车繁忙地运送乘客;货车满载工农业产品及原材料飞驰;救护车不断地来往于各大医院;消防车奔忙于火灾现场周围……这些汽车的车身大都是用金属材料制成的，一旦发生碰撞，车身凹下，就只能送到修理厂由工人师傅手工敲平复原。如果汽车车身用形状记忆合金制造，那么修理工作就变得简单多了。撞瘪的汽车不必送修理厂，只要往撞瘪的车体上浇几桶热水，就能自动地恢复原状。用来制造这种汽车车体的记忆合金具有单向记忆功能，它能记住自己在较高温度状态下被制成的车体形状。不管平时把它变成什么样的形状，只要加热到它的转变温度，就会立即恢复到原来的形状。

用记忆合金还可以制成各种管接头。制造时其内径要比它所连接的管子的外径约小0.04毫米。在室温下，这种记忆合金非常软，所以接头内径容易扩大。在这种状态下，把要接的管子插入接头内。加热后，接头的内径就恢复到原来的尺寸，完成管子的连接过程，而且温度降到室温也不再改变。因为这种形状恢复力很大，所以连接很严密，无漏油危险。美国已在海军F－14型战斗机的油压系统中使用了10万个这样的接头，使用多年从未发生漏油或者破损。

用单向形状记忆合金制成的眼镜框，镜片固定丝在装入凹槽里时并不太紧，轻微受热时，利用其超弹性逐渐绷紧。这种镜框不会出现普通塑料或金属镜框与镜片不协调的现象。例如，不管如何用劲擦拭或气温降低，镜片决不会滑脱。在拥挤的汽车上一旦眼镜掉在地上被人踩瘪，这种镜框也不会报废，只要经热风一吹或在酒精灯上略加烘烤，就可以完全复原。

记忆合金用于人体矫形外科。效果良好。例如接骨用的骨板，用记忆合金将骨折部位固定，然后加热，合金板便收缩，不但能将两断骨固定住，而且在收缩过程中产生压缩力，迫使断骨接合在一起。又如用记忆合金制作治疗脊椎侧弯症的矫正棒，与以往用不锈钢矫正棒相比，不但提高了矫正率，而且发生骨折和神经麻痹的危险性也大大减小。此外，牙科用的矫形齿丝，外科用的人造关节、骨髓内钉等器件，也都是靠体温的作用启动的。

美国曾利用记忆合金的特性，将由Ti—Ni合金做成的发射和接受天线通过宇宙飞船带到月球上。这种直径为254毫米的半球形天线被折叠成50毫米大小的一团后，放在宇宙飞船内(缩小体积时节省飞船的建造费用是十分重要的)传送到月球上后，吸收太阳光的热量后又自动恢复为原来的半球面形。

国外服装厂用记忆合金代替胸罩内的钢丝，衬托乳房，使胸部线条更加优美。在25℃以下时，它可以任意搓洗、折叠;而穿到身上，温度达到32℃以上时，它就像钢丝一样自然恢复到原定形状，将乳房托起。这一应用颇受到世界妇女的普遍赞赏。人们还利用这种合金的记忆能力，制出了自控装置。例如，温室中的窗臂，在太阳下山时，温度较低，它便自动将窗户关闭;而当太阳升起时，温度较高，它又会自动将窗户打开。恪守职责，从不失误。人们可用记忆合金制成元件，安装在工厂、仓库、宾馆等建筑的电路中，并选择记忆合金的转变温度和环境的安全温度相近，当环境的温度高于“安全温度”时，也就是说即将发生火灾，此时，记忆合金元件发生形状变化，接通电路，从而发出报警信号，人们会迅速将火灾消灭在发生之前。如果将记忆合金元件直接与自动灭火装置相连，即是火灾发生了，自动灭火装置会迅速启动，自动灭火。用记忆合金还可制造新的刹车系统，以减少汽车事故的发生。

一般汽车急刹车时是由汽车的“制动片”去卡车轮的转轴，由于制动片是由一般金属做的，总不能使汽车立即刹车，事故也往往发生在这一瞬间。如果在汽车的轮胎中镶嵌几圈记忆合金，当遇到情况紧急刹车时，由于轮胎与地面摩擦产生热量，记忆合金会迅速恢复原来形状，纷纷向外凸出牢牢卡住汽车轮转轴，使高速行驶的汽车迅速停住，避免车祸的发生。

其实，金属的记忆早就被发现:把一根直铁丝弯成直角(90°)，一松开，它就要回复一点，形成大于90°的角度。把一根弯铁丝调直，必须把它折到超过180°后再松开，这样它就能正好回复到直线状态，这就是中国成语中所讲的矫枉过正。还有记忆力更好的合金就是弹簧，(这里所说的是钢制弹簧，钢是铁碳合金)弹簧牢牢地记住了自己的形状，外力一撤除，马上回复到自己的原来的样子，只是弹簧的记忆温度很宽，不像记忆合金这样有一个特定的转变温度，从而有了一些特别的功用。

记忆合金目前已发展到几十种，在航空、军事、工业、农业、医疗等领域有着广泛的用途，而且发展趋势十分可观，它将大展宏图、造福于人类。