記憶合金的原理及應(yīng)用是什么
記憶合金的原理及應(yīng)用是什么
隨著科技的發(fā)展,帶動(dòng)了一系列新型材料的發(fā)展,記憶合金也得到快速的發(fā)展。由于其優(yōu)良的特性。像:彎曲量大,塑形高,在記憶溫度下恢復(fù)以前的形狀,達(dá)到某一溫度時(shí)內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)改變,其表現(xiàn)外部形狀也改變。在各個(gè)方面有著廣泛的用途。記憶合金的原理及應(yīng)用有哪些呢?一起來看看吧!
記憶合金的原理及應(yīng)用
上個(gè)世紀(jì)70年代,世界材料科學(xué)中出現(xiàn)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(jìn)盛著熱水的玻璃缸內(nèi),金屬條向前沖去;將它放入冷水里,金屬條則恢復(fù)了原狀。在盛著涼水的玻璃缸里,拉長一個(gè)彈簧,把彈簧放入熱水中時(shí),彈簧又自動(dòng)的收攏了。涼水中彈簧恢復(fù)了它的原狀,而在熱水中,則會(huì)收縮,彈簧可以無限次數(shù)的被拉伸和收縮,收縮再拉開。這些都由一種有記憶力的智能金屬做成的,它的微觀結(jié)構(gòu)有兩種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),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(duì)它重新加熱,它會(huì)記起它原來的形狀,而變回去。這種材料就叫做記憶金屬(memory metal)。它主要是鎳鈦合金材料。例如,一根螺旋狀高溫合金,經(jīng)過高溫退火后,它的形狀處于螺旋狀態(tài)。在室溫下,即使用很大力氣把它強(qiáng)行拉直,但只要把它加熱到一定的“變態(tài)溫度”時(shí),這根合金仿佛記起了什么似的,立即恢復(fù)到它原來的螺旋形態(tài)。這只是利用某些合金在固態(tài)時(shí)其晶體結(jié)構(gòu)隨溫度發(fā)生變化的規(guī)律而已。
例如,鎳-鈦合金在40℃以上和40℃以下的晶體結(jié)構(gòu)是不同的,但溫度在40℃上下變化時(shí),合金就會(huì)收縮或膨脹,使得它的形態(tài)發(fā)生變化。這里,40℃就是鎳-鈦記憶合金的“變態(tài)溫度”。各種合金都有自己的變態(tài)溫度。上述那種高溫合金的變態(tài)溫度很高。在高溫時(shí)它被做成螺旋狀而處于穩(wěn)定狀態(tài)。在室溫下強(qiáng)行把它拉直時(shí),它卻處于不穩(wěn)定狀態(tài),因此,只要把它加熱到變態(tài)溫度,它就立即恢復(fù)到原來處于穩(wěn)定狀態(tài)的螺旋形狀了。關(guān)于記憶合金的原理現(xiàn)在還不十分清楚。一般認(rèn)為,記憶合金由復(fù)雜的菱形晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成簡單的立方晶體結(jié)構(gòu)時(shí),就會(huì)發(fā)生形狀恢復(fù)的記憶。而當(dāng)記憶合金恢復(fù)原形時(shí)伴隨產(chǎn)生極大的力,鎳鈦諾合金高達(dá) 60公斤平方毫米,遠(yuǎn)比最初變形時(shí)加的力大。一般說來,可達(dá)原變形的十倍,這就意味著輸出的能量比輸入的能量大得多??茖W(xué)家對(duì)此無法解釋,物理學(xué)家羅沙爾說:“熱力學(xué)定律一點(diǎn)沒有錯(cuò)的地方,但這些定律就是不適合于鎳鈦諾……”。目前,很多學(xué)者認(rèn)為,記憶合金之所以能恢復(fù)原來的形狀,是由于“記憶因子”的作用。通過相變過程自由能的研究與體積關(guān)系推導(dǎo)“記憶因子”。
盡管,記憶合金具體原理人不明確,但其應(yīng)用已相當(dāng)普遍。根據(jù)記憶合金的恢復(fù)特性人們將記憶合金分為了三類。
(1)單程記憶效應(yīng)
形狀記憶合金在較低的溫度下變形,加熱后可恢復(fù)變形前的形狀,這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。
(2)雙程記憶效應(yīng)
某些合金加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀,冷卻時(shí)又能恢復(fù)低溫相形狀,稱為雙程記憶效應(yīng)。
(3)全程記憶效應(yīng)
加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀,冷卻時(shí)變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤睿Q為全程記憶效應(yīng)。
目前,記憶合金已用于管道結(jié)合和自動(dòng)化控制方面,用記憶合金制成套管可以代替焊接,方法是在低溫時(shí)將管端內(nèi)全擴(kuò)大約 4%,裝配時(shí)套接一起,一經(jīng)加熱,套管收縮恢復(fù)原形,形成緊密的接合。美國海軍飛機(jī)的液壓系統(tǒng)使用了10萬個(gè)這種接頭,多年來從未發(fā)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(fù)起來,十分方便。在一些施工不便的部位,用記憶合金制成銷釘,裝入孔內(nèi)加熱,其尾端自動(dòng)分開卷曲,形成單面裝配件。記憶合金特別適合于熱機(jī)械和恒溫自動(dòng)控制,已制成室溫自動(dòng)開閉臂,能在陽光照耀的白天打開通風(fēng)窗,晚間室溫下降時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。記憶合金熱機(jī)的設(shè)計(jì)方案也不少,它們都能在具有低溫差的兩種介質(zhì)間工作,從而為利用工業(yè)冷卻水、核反應(yīng)堆余熱、海洋溫差和太陽能開辟了新途徑。
記憶合金在醫(yī)療上的應(yīng)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(fù)原形狀的過程中產(chǎn)生壓縮力,迫使斷骨接合在一起。齒科用的矯齒絲,結(jié)扎腦動(dòng)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(nèi)后靠體溫的作用啟動(dòng),血栓濾器也是一種記憶合金新產(chǎn)品。被拉直的濾器植入靜脈后,會(huì)逐漸恢復(fù)成網(wǎng)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(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的臟器,用記憶合金制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(yùn)動(dòng)?,F(xiàn)在泵送水已取得成功。 由于記憶合金是一種“有生命的合金”,利用它在一定溫度下形狀的變化,就可以設(shè)計(jì)出形形色色的自控器件,它的用途正在不斷擴(kuò)大。
結(jié)語:記憶合金由于其特殊的記憶性質(zhì),已在軍工,醫(yī)學(xué),機(jī)械鄰域取得了廣泛的應(yīng)用。但隨著人類對(duì)高科技鄰域的突破,特別是在可重復(fù)利用鄰域的研究,記憶合金的作用有顯的特別重要。特別是在記憶合金與有機(jī)化合物的接枝其意義尤為突出。
記憶合金的原理
關(guān)于記憶合金的原理現(xiàn)在還不十分清楚。一般認(rèn)為,記憶合金由復(fù)雜的菱形晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成簡單的立方晶體結(jié)構(gòu)時(shí),就會(huì)發(fā)生形狀恢復(fù)的記憶。而當(dāng)記憶合金恢復(fù)原形時(shí)伴隨產(chǎn)生極大的力,鎳鈦諾合金高達(dá) 60公斤平方毫米,遠(yuǎn)比最初變形時(shí)加的力大。一般說來,可達(dá)原變形的十倍,這就意味著輸出的能量比輸入的能量大得多??茖W(xué)家對(duì)此無法解釋,物理學(xué)家羅沙爾說:“熱力學(xué)定律一點(diǎn)沒有錯(cuò)的地方,但這些定律就是不適合于鎳鈦諾……”。
記憶合金的成分
記憶合金的特性是50年代初期被發(fā)現(xiàn)的,金鎘、銦鉈合金都有這種特性。
記憶合金的應(yīng)用
記憶合金已用于管道結(jié)合和自動(dòng)化控制方面,用記憶合金制成套管可以代替焊接,方法是在低溫時(shí)將管端內(nèi)全擴(kuò)大約 4%,裝配時(shí)套接一起,一經(jīng)加熱,套管收縮恢復(fù)原形,形成緊密的接合。美國海軍飛機(jī)的液壓系統(tǒng)使用了10萬個(gè)這種接頭,多年來從未發(fā)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(fù)起來,十分方便。在一些施工不便的部位,用記憶合金制成銷釘,裝入孔內(nèi)加熱,其尾端自動(dòng)分開卷曲,形成單面裝配件。
記憶合金特別適合于熱機(jī)械和恒溫自動(dòng)控制,已制成室溫自動(dòng)開閉臂,能在陽光照耀的白天打開通風(fēng)窗,晚間室溫下降時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。記憶合金熱機(jī)的設(shè)計(jì)方案也不少,它們都能在具有低溫差的兩種介質(zhì)間工作,從而為利用工業(yè)冷卻水、核反應(yīng)堆余熱、海洋溫差和太陽能開辟了新途徑?,F(xiàn)在普遍存在的問題是效率不高,只有 4%~6%,有待于進(jìn)一步改進(jìn)。
記憶合金在醫(yī)療上的應(yīng)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(fù)原形狀的過程中產(chǎn)生壓縮力,迫使斷骨接合在一起。齒科用的矯齒絲,結(jié)扎腦動(dòng)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(nèi)后靠體溫的作用啟動(dòng),血栓濾器也是一種記憶合金新產(chǎn)品。被拉直的濾器植入靜脈后,會(huì)逐漸恢復(fù)成網(wǎng)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(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的臟器,用記憶合金制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(yùn)動(dòng)?,F(xiàn)在泵送水已取得成功。