这款产品获得了2018国际CMF设计奖·最佳材料奖。
图 采用记忆金属防烫吸管
看上去是不是很神奇,那么记忆金属的这种“记忆”究竟是什么呢?

一、记忆金属的记忆原理及特点

记忆金属其实是一种特殊的合金材料,主要以镍钛合金为主,它可以在一定的温度下像塑料一样发生塑性形变,但在某种温度又可以恢复成原状,具备一定的“记忆能力”。
图:随温度变化,材料发生形变
那么这种“记忆能力”是怎么回事呢?
图 记忆金属又叫形状记忆合金
其实说的通俗一点就是,这种材料的晶体结构在随着温度而变化(主要是马氏体和奥氏体之间的转换),因而导致在不同温度段,材料整体的状态发生变化。比如镍钛合金,在40℃以上和40℃以下的晶体结构是不同的,因此温度变化时,合金就会收缩或膨胀,使得它的形态发生变化。
为了方便理解,这里用通俗的语言简单介绍一下什么是晶体及马氏体、奥氏体。晶体可以理解为是金属材料的内部组成结构,一般都是微观单位的有序对称排列组合,密集的堆积在一起。
图 金属结构而马氏体、奥氏体都是金属材料的组织名称,两者晶体结构是不同的,马氏体的晶体结构为体心四方结构,而奥氏体的晶体结构为面心立方结构。也就是说记忆合金材料之所以会变形后恢复原状,是因为它记忆住了不同温度段下的晶体结构。所以当达到特定温度的时候就会变成对应的微结构状态,形状也就相应地发生了变化。
图 马氏体与奥氏体的晶体结构对比
每种记忆合金都有自己的“变态温度”,也就是晶体形态变化的临界温度。就像下图展示的例子,在高温时它被做成螺旋状而处于稳定状态。在室温下强行把它拉直时,它此时是处于不稳定状态,因此,只要把它加热到变态温度,它就立即恢复到原来处于稳定状态的螺旋形状了。
图 记忆合金变形记
这种材料最大的特点自然是“记忆”功能,在一定温度下可以恢复原状态,弯曲量及塑性都很大,除此之外,材料本身的耐磨、耐腐蚀性、耐疲劳度、机械性能、生物相容性等都很优良。这种形状记忆合金主要可以分为三大类:
表:记忆合金种类及介绍类
目前已经成功开发的有TiNi基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金等。

二、应用领域

利用这种材料的特性,我们可以应用在很多产品领域,比如军工、航天、医疗、消防、生活消费电子、汽车等。

1. 医学领域

记忆特性可以让病人减少更多的痛苦,同时TiNi合金的生物相容性很好,成功应用的例子比较多,包括血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板等。
图 记忆合金在人体中的应用
图 不同部位的记忆合金材料
图 接骨板及人工关节
图 镍钛记忆合金食道支架,来源于常州市智业医疗仪器研究所有限公司
图 镍钛记忆合金丝,记忆合金丝,医疗细丝
图 骨科内固定记忆合金-聚髌爪治疗髌骨骨折
图 镍钛记忆合金尿道支架,来源于常州市智业医疗仪器研究所有限公司
图:微型螺旋网球形异物钳(记忆合金丝)

2. 消防领域

用这种材料来设计消防栓,一旦发生火灾就会受热自动打开阀门。
图:3C防火阀

3. 汽车领域

使用形状记忆合金作为辐射状的材料,也能增加轮胎的承重能力。与传统的轮胎相比,“超弹性轮胎”减少了爆胎的可能性,因此也改善了行车安全。此外,这种轮胎的设计也减少了对内框的需求,这有助于轮胎组装的简化,也减轻了轮胎的重量。而且,它也可以在运作时,降低传送到车辆上的能量。
图 轮胎
除此之外,还有汽车温控器、汽车制动器储能装置元件,由于篇幅有限,不做过多介绍。

4. 生活消费领域

利用形状记忆合金弹簧(温控弹簧)可以控制浴室水管的水温:在热水温度过高时通过"记忆"功能,调节供水管道,避免烫伤。
图 记忆合金弹簧
灯泡散发的热量使灯罩变形,也是利用了记忆金属的特性。
图 记忆金属灯罩