形状记忆材料：它们如何在热作用下弯曲、回弹与变形

今天我们为您介绍一类日益重要的材料——形状记忆材料。

这类材料的特性在于：它们可以发生形变，随后在外部刺激（通常是温度）作用下恢复原始形状。正如我们在另一篇文章中提到的，它属于智能材料范畴。

举个例子，谁没遇过餐具或别针弯曲的情况？如果您把它们放在暖气片上就能自动复原，那该多好？形状记忆材料正是能实现这一点，而且优势远不止于此。

什么是形状记忆材料？

正如所述，形状记忆材料在经历形变后能恢复原形。乍听之下，这似乎与弹性材料相似，但两者本质迥异。其独特之处在于：当致变形的外力消失后，材料会保持变形后的形状，必须升高材料温度才能使其回到原始状态。

这种随温度恢复原形的现象源于材料内部结构的变化。这类材料在低温下呈现层状和纤维状排列，易于发生形变，因为层片之间可以相对滑动；这称为马氏体状态。加热后，材料转变为更刚性的立方排列，不再允许位移和形变；这称为奥氏体状态。这种从层状到立方结构的转变蕴含巨大驱动力，能将材料推回原始形状并消除所有形变。降温后，材料重新排列为层状，又可再次形变。这一过程基于材料的原子排列特性，意味着可无限次重复而不影响性能，从而避免传感器或阀门等部件因磨损或疲劳导致的机械断裂。

形状记忆材料在工业中的用途？

要让材料从马氏体相转变为奥氏体相，如上所述需升高温度。这可通过直接加热实现，也可极其方便地通过通电实现。利用电流控温的特性，使其成为执行器或传感器的理想选择。在同一温度下形变恢复始终一致，意味着它们可作为高精度执行器和传感器。此外，此类材料的形变速度通常快于常规应用材料。

我们讨论了形状记忆材料受热复原、再变形的特性，这对某些应用很便利，但执行器往往需要在两个固定位置间切换。这可行吗？答案是肯定的，因为存在具有两个不同转变温度的双向形状记忆材料。这使得材料可在两个已知温度下设定不同几何形状，极为便利。

形状记忆材料的类型

目前应用最广的是金属类形状记忆材料。其中镍钛合金（Nitinol）因性能优异而最常用。其他金属合金也具备形状记忆效应，如铜锌铝（Cu-Zn-Al）、铜铝镍（Cu-Al-Ni）、铁锰硅（Fe-Mn-Si）等。

过去这类材料仅以金属形式存在，但近年研究推动了聚合物形状记忆材料的出现。因其轻质特性，在追求轻量化的应用中极具前景。此外，形状变化或自修复聚合物也具有类似特性。

尚在研究阶段、应用未广泛展开的还有形状记忆陶瓷和形状记忆铁磁材料。但我们确信未来所有这些材料都将产生重大影响。

应用实例

以下展示几个应用案例：

正在推广的一个应用是利用此类材料连接管道，无需焊接。原理简单：将形状记忆材料置于管内，加热使其恢复原始较大直径，从而牢固锁紧管道。材料内部施加的压力使管道紧密结合，极难分离，某些情况下强度甚至优于焊接。

同一原理用于医疗领域疏通血管。制造微型支架植入堵塞的静脉或动脉，利用体温使其膨胀，恢复血液流动。

以上是管状几何应用，但应用领域和几何形式极广。例如应用于汽车或飞机车身，行驶中改变几何形状以改善空气动力学，从而降低燃油消耗。若考虑执行器（在两个位置间移动），未来绝大多数都可由形状记忆材料制造！

目前形状记忆材料已见于医疗设备和医疗用品，从牙种植体到手术器械（易消毒）。也用于日常用品，如钢圈内衣利用体热复原，或床垫在承受坐压变形后恢复。因其轻质、耐用、耐高温，也广泛用于航空航天部件如火箭和空间探测器。

鉴于其广泛的应用前景和优势，我们相信未来几年这类材料将成为热门话题，并不知不觉融入更多产品，因为它们正处于快速发展和深入研究阶段。

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