物質簡介
記憶合金 形狀記憶合金另一種重要性質是偽彈性（pseudoelasticity，又稱超彈性，superelasticity），表現為在外力作用下，形狀記憶合金具有比一般金屬大的多的變形恢復能力，即載入過程中產生的大應變會隨著卸載而恢復 。這一性能在醫學和建築減震以及日常生活方面得到了普遍套用。例如前面提到的人造骨骼、傷骨固定加壓器、牙科正畸器等 。用形狀記憶合金製造的眼鏡架，可以承受比普通材料大得多的變形而不發生破壞（並不是套用形狀記憶效應，發生變形後再加熱而恢復）
19世紀70年代，世界材料科學中出現了一種具有“記憶”形狀功能的合金。記憶合金是一種頗為特別的金屬條，它極易被彎曲，我們把它放進盛著熱水的玻璃缸內，金屬條向前衝去；將它放入冷水裡，金屬條則恢復了原狀。在盛著涼水的玻璃缸里，拉長一個 彈簧，把彈簧放入熱水中時，彈簧又自動的收攏了。涼水中彈簧恢復了它的原狀，而在熱水中，則會收縮，彈簧可以無限次數的被拉伸和收縮，收縮再拉開。這些都由一種有記憶力的智慧型金屬做成的，它的微觀結構有兩種相對穩定的狀態，在高溫下這種合金可以被變成任何你想要的形狀，在較低的溫度下合金可以被拉伸，但若對它重新加熱，它會記起它原來的形狀，而變回去。 這種材料就叫做記憶金屬（memorymetal）。它主要是鎳鈦合金材料。例如，一根螺鏇狀高溫合金，經過高溫退火後，它的形狀處於螺鏇狀態。
起源
記憶合金 1963年，美國海軍軍械研究所的比勒在研究工作中發現，在高於室溫較多的某溫度範圍內，把一種鎳-鈦合金絲燒成彈簧，然後在冷水中把它拉直或鑄成正方形、三角形等形狀，再放在40 ℃以上的熱水中，該合金絲就恢復成原來的彈簧形狀。後來陸續發現，某些其他合金也有類似的功能。這一類合金被稱為形狀記憶合金。每種以一定元素按一定重量比組成的形狀記憶合金都有一個轉變溫度；在這一溫度以上將該合金加工成一定的形狀，然後將其冷卻到轉變溫度以下，人為地改變其形狀後再加熱到轉變溫度以上，該合金便會自動地恢復到原先在轉變溫度以上加工成的形狀。
1969年，鎳--鈦合金的“形狀記憶效應”首次在工業上套用。人們採用了一種與眾不同的管道接頭裝置。為了將兩根需要對接的金屬管連線，選用轉變溫度低於使用溫度的某種形狀記憶合金，在高於其轉變溫度的條件下，做成內徑比待對接管子外徑略微小一點的短管(作接頭用)，然後在低於其轉變溫度下將其內徑稍加擴大，再把連線好的管道放到該接頭的轉變溫度時，接頭就自動收縮而扣緊被接管道，形成牢固緊密的連線。美國在某種噴氣式戰鬥機的油壓系統中便使用了一種鎳-鈦合金接頭，從未發生過漏油、脫落或破損事故。
1969年7月20日，美國太空人乘坐“阿波羅”11號登月艙在月球上首次留下了人類的腳印，並通過一個直徑數米的半球形天線傳輸月球和地球之間的信息。這個龐然大物般的天線是怎么被帶到月球上的呢?就是用一種形狀記憶合金材料，先在其轉變溫度以上按預定要求做好，然後降低溫度把它壓成一團，裝進登月艙帶上天去。放置於月球後，在陽光照射下，達到該合金的轉變溫度，天線“記”起了自己的本來面貌，變成一個巨大的半球。
科學家在鎳-鈦合金中添加其他元素，進一步研究開發了欽鎳銅、鈦鎳鐵、鈦鎳鉻等新的鎳鈦系形狀記憶合金；除此以外還有其他種類的形狀記憶合金，如:銅鎳系合金、銅鋁系合金、銅鋅系合金、鐵系合金(Fe-Mn-Si, Fe-Pd)等。
形狀記憶合金在生物工程、醫藥、能源和自動化等方面也都有廣闊的套用前景。
物質分類
形狀記憶合金可以分為三種：
單程記憶效應記憶合金
形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱後可恢復變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現象稱為 單程記憶效應。雙程記憶效應
某些合金加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時又能恢復低溫相形狀，稱為 雙程記憶效應。全程記憶效應
記憶合金 已開發成功的形狀記憶合金有TiNi基形狀記憶合金、銅基形狀記憶合金、鐵基形狀記憶合金等。最早關於形狀記憶效應的報導是由Chang及Read等人在1952年作出的。他們觀察到Au-Cd合金中相變的可逆性。後來在Cu-Zn合金中也發現了同樣的現象，但當時並未引起人們的廣泛注意。直到1962年， Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中觀察到具有巨觀形狀變化的記憶效應，才引起了材料科學界與工業界的重視。
到70年代初，CuZn、CuZnAl、 CuAlNi等合金中也發現了與馬氏體相變有關的形狀記憶效應。幾十年來，有關形狀記憶合金的研究已逐漸成為 國際相變會議和材料會議的重要議題，並為此召開了多次專題討論會，不斷豐富和完善了馬氏體相變理論。在理論研究不斷深入的同時，形狀記憶合金的套用研究也取得了長足進步，其套用範圍涉及機械、電子、化工、宇航、 能源和醫療等許多領域。
高科技套用展望
記憶合金 記憶合金談到合金，當然要講最有趣的合金--記憶合金。金屬具有記憶，是一個偶然的發現：60年代初，美國 海軍的一個研究小組從倉庫領來一些鎳 鈦合金絲做實驗，他們發現這些合金絲彎彎曲曲，使用起來很不方便，於是就把這些合金絲一根根拉直。在試驗過程中，奇怪的現象發生了，他們發現，當溫度升到一定的數值時，這些已經拉直的鎳鈦合金絲突然又恢復到原來的彎曲狀態，他們是善於觀察的有心人，又反覆做了多次試驗，結果證實了這些細絲確實具有"記憶"。
美國海軍研究所的這一發現，引起了科學界的極大興趣，大量科學家對此進行了深入的研究。發現銅鋅合金、銅 鋁鎳合金、銅鉬鎳合金、 銅金鋅合金等也都具有這種奇特的本領。人們可以在一定的範圍內，根據需要改變這些合金的形狀，到了某一特定的溫度，它們就自動恢復到自己原來的形狀，而且這“改變--恢復”可以多次重複進行，不管怎么改變，它們總是能記憶自己當時的形狀，到了這一溫度，就絲毫不差地原形再現。人們把這種現象叫作形狀記憶效應，把具有這種形狀記憶效應的金屬叫作形狀記憶合金，簡稱記憶合金。
為什麼這些合金能具有這種形狀記憶效應？它們是怎樣記住自己的原形？用一般 金屬鍵 理論、 自由電子理論是難以解釋合金的這種記憶效應的。記憶合金在一定的溫度條件下能回復到原形，為核外電子的運動--隨溫度變化的運動，提供了絕佳的例證。正是由於合金的形成是在高溫條件下液態金屬的互熔，由於液態金屬的結構元排異，導致了這種元素的結構元與另一種金屬的結構元相互均布，凝固後，其微觀結構是不同種類的結構元成比例的有序排列，電磁力是構成合金物體的主要內聚力。
記憶合金 記憶合金由於是不同種類的結構元相互摻和均布，儘管結構元的個子、電磁力的大小不同，但各自都加快了自身的價和運轉，在一定的溫度條件下相鄰相安。在受到外力後，電磁力受到外力的干擾，價和電子的運轉平面作出微量角度調整，物體產生塑性變形，在此塑性變形中，部分調整後的價和電子的運轉是不舒展的。當溫度條件變化時價和 電子的速率隨之變化，當溫度回復到相安舒展的（轉變溫度）條件時，不舒展的價和電子的運轉立即回復到當時的速率，電磁力隨之發生變化，使相鄰結構元的價和運轉也都作出相應的調整，全部回復到原來的舒展狀態，於是整個物體也都回復到了原來的狀態。這就是記憶合金的記憶過程。
其實，金屬的記憶早就被發現：把一根直鐵絲彎成直角（90°），一鬆開，它就要回復一點，形成大於90°的角度。把一根彎鐵絲調直，必須把它折到超過180°後再鬆開，這樣它就能正好回復到直線狀態，這就是中國成語中所講的矯枉過正。還有記憶力更好的合金就是彈簧，（這裡所說的是 鋼製彈簧，鋼是 鐵碳合金）彈簧牢牢地記住了自己的形狀，外力一撤除，馬上回復到自己的原來的樣子，只是彈簧的記憶溫度很寬，不像記憶合金這樣有一個特定的轉變溫度，從而有了一些特別的功用。
利用記憶合金在特定溫度下的形變功能，可以製作多種溫控器件，可以製作 溫控電路、溫控閥門，溫控的管道連線。人們已經利用記憶合金製作了自動的消防龍頭--失火溫度升高，記憶合金變形，使閥門開啟，噴水救火。製作了機械零件的連線、管道的連線，飛機的空中加油的接口處就是利用了記憶合金--兩機油管套結後，利用電加熱改變溫度，接口處記憶合金變形，使接口緊密滴水（油）不漏。製作了宇宙空間站的面積幾百平米的自展天線--先在地面上製成大面積的拋物線形或平面天線，摺疊成一團，用飛船帶到太空，溫度轉變，自展成原來的大面積和形狀。
記憶合金目前已發展到幾十種，在航空、 軍事、工業、 農業、醫療等領域有著用途，而且發展趨勢十分可觀，它將大展宏圖、造福於人類。形狀記憶合金的研究、發現至今為止已有十幾種記憶合金體系。包括Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、NiAl、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。
物質套用
記憶合金 記憶合金已用於管道結合和自動化控制方面，用記憶合金製成套管可以代替焊接，方法是在低溫時將管端內全擴大約4％，裝配時套接一起，一經加熱，套管收縮恢復原形，形成緊密的接合。美國海軍 飛機的液壓系統使用了10萬個這種接頭，多年來從未發生漏油和破損。船艦和海底油田管道損壞，用記憶合金配件修復起來，十分方便。在一些施工不便的部位，用記憶合金製成銷釘，裝入孔內加熱，其尾端自動分開捲曲，形成單面裝配件。
記憶合金特別適合於熱機械和恆溫自動控制，已製成室溫自動開閉臂，能在 陽光照耀的白天打開通風窗，晚間室溫下降時自動關閉。記憶合金熱機的設計方案也不少，它們都能在具有低溫差的兩種介質間工作，從而為利用工業冷卻水、核反應堆餘熱、海洋溫差和太陽能開闢了新途徑。現在普遍存在的問題是效率不高，只有4％～6％，有待於進一步改進。記憶合金在醫療上的套用也很引人注目。例如接骨用的骨板，不但能將兩段斷骨固定，而且在恢復原形狀的過程中產生壓縮力，迫使斷骨接合在一起。齒科用的矯齒絲，結紮腦動脈瘤和輸精管的長夾，脊柱矯直用的支板等，都是在植入人體內後靠體溫的作用啟動， 血栓濾器也是一種記憶合金新產品。被拉直的濾器植入靜脈後，會逐漸恢復成網狀，從而阻止95％的凝血塊流向心臟和肺部。
人工心臟是一種結構更加複雜的臟器，用記憶合金製成的肌纖維與彈性體薄膜心室相配合，可以模仿心室收縮運動。現在泵送水已取得成功。由於記憶合金是一種“ 有生命的合金”，利用它在一定溫度下形狀的變化，就可以設計出形形色色的自控器件，它的用途正在不斷擴大。
形狀記憶合金的最早套用是在管接頭和緊固件上。用形狀記憶合金加工成內徑比欲連線管的外徑小４％的套管，然後在液氮溫度下將套管擴徑約８％，裝配時將這種套管從液氮取出，把欲連線的管子從兩端插入。當 溫度升高至常溫時，套管收縮即形成緊固密封。這種連線方式接觸緊密能防滲漏，遠勝於焊接，特別適合用於航空、航天、核工業及海底輸油管道等危險場合。
記憶合金最令人鼓舞的套用是在航天技術中。1969年7月20日，“ 阿波羅”11號登月艙在月球著陸，實現了 人類第一次登月旅行的夢想。太空人登月後，在月球上放置了一個半球形的直徑數米大的天線，用以向地球傳送和接受信息。數米大的天線裝在小小的登月艙里送上了 太空。天線就是用當時剛剛發明不久的記憶合金製成的。用極薄的記憶合金材料先在正常情況下按預定要求做好，然後降低溫度把它壓成一團，裝進登月艙帶上天去。放到月面上以後，在陽光照射下溫度升高，當達到轉變溫度時，天線又“記”起了自己的本來面貌，變成一個巨大的半球形。
當形狀記憶效應和超彈性已廣泛用於醫學和生活各個領域。如製造血栓過濾器、 脊柱矯形棒、接骨板、人工關節、婦女胸罩、 人造心臟等。還可以廣泛地套用於各種自動調節和控制裝置。形狀記憶薄膜和細絲可能成為未來超微型機械手和機器人的理想材料。特別是它的質輕、高強度和耐蝕性使它備受各個領域青睞。
產品套用
鈦鎳形狀記憶合金下尿路擴展支架記憶合金 食道支架
記憶合金作為防偽材料的套用
醫用高強度記憶合金矯形棒
一種記憶合金薄壁管內支架
格線狀記憶合金超彈性文胸托杯
記憶合金食道支架
記憶合金人體椎體
記憶合金防偽標誌
單側骨皮質記憶合金釘
一種記憶合金易拆卸環抱式加壓接骨器
記憶合金 無聲脈動電機
記憶合金脊柱棒
形狀記憶合金溫控器
滅火器用記憶合金彈簧收縮式感溫驅動裝置
化學與物理術語（一）
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