千万次变形不断裂 德国科学家发明超强记忆新材料
2015-06-01 09:34:00   来源:中国科技网
内容摘要
德国科学家发明了一种超强记忆新材料,镍钛铜合金千万次变形不断裂且有广泛的应用前景。这项发明大大拓宽了记忆合金的应用领域,温度传感器、微电子和光学器件、信息存储介质等,还可以利用这种记忆合金将外界和环境中的热能转化为电能,或开发新的冷却单元。

记忆新材料 IT科技年

 

记忆合金 IT科技年


德国基尔大学研究人员新发明了一种镍钛铜记忆合金,其变形次数可以达到千万次不会断裂,而通常合金材料变形几千次就会断裂。这一新材料在微电子和光学器件、传感器、医疗器件等众多领域将有广泛的应用前景。

科学家早在上世纪60年代就发明了镍钛记忆合金,这种合金在受热和冷却时会变形,并很快会恢复到最初机械加工时确定的形状。我们熟悉的大多数合金在两种晶格状态下转变几千次,就会出现裂纹甚至断裂,德国基尔大学专家匡特在《科学》杂志上发表的论文中解释说,这是因为在金属高温相(奥氏体)会出现越来越多的低温相(马氏体)晶体结构,两相之间的转换不完全会导致合金断裂。

匡特领导的研究小组发明的记忆合金单元是由54个钛原子、34个镍原子以及12个铜原子组成,研究人员在22摄氏度至87摄氏度下,通过高倍电子显微镜和X光射线检测发现,这种成分组成的记忆合金可以经受千万次的变形而不会出现裂纹。研究人员在显微镜下还能看到马氏体完全转化为奥氏体时,两个钛原子和铜原子在晶格中沉积,钛原子和铜原子的沉积,构成了晶体在两个相中的基本结构,他们称这种现象为外延生长。

美国明尼苏达大学专家詹姆斯在2013年发明的一种锌金铜记忆合金也有类似的特性,这种合金可以经受16000次冷热变形不会产生裂纹,詹姆斯研究小组的这项发明被刊登在《自然》杂志上。《科学》杂志评价认为,德国基尔大学的这项发明大大拓宽了记忆合金的应用领域,电磁耦合器、温度传感器、微电子和光学器件、信息存储介质,以及医疗领域中的人工心脏瓣膜等都有广泛应用潜力。另外,还可以利用这种记忆合金将外界和环境中的热能转化为电能,或开发新的冷却单元。

 

记忆合金 IT科技年

 

什么是“记忆合金”?

“记忆合金”,即拥有“记忆"效应的合金,在航空航天领域内的应用有很多成功的范例。人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作。发射人造卫星之前,将抛物面天线折叠起来装进卫星体内,火箭升空把人造卫星送到预定轨道后,只需加温,折叠的卫星天线因具有“记忆”功能而自然展开,恢复抛物面形状。

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1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应,即合金的形状被改变之后,一旦加热到一定的跃变温度时,它又可以魔术般地变回到原来的形状,人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。记忆合金的开发迄今不过20余年,但由于其在各领域的特效应用,正广为世人所瞩目,被誉为“神奇的功能材料”。

 

记忆合金打造的宇航服 IT科技年

 

未来宇航服由“记忆合金”打造

记忆合金打造未来宇航服 IT科技年


麻省理工学院的科学家目前公布了一个新的宇航服设计,这款宇航服可以在火星表面上使用,从外形上看,先进的宇航服几乎贴着宇航员的身体,可以自动收紧变成宇航员的“第二皮肤”,这样就为行星探索提供了更多自由活动的空间,穿着宇航服就不显得那么笨重。同时该技术也可以应用于运动员和士兵,为运动员提供更加塑身和符合空气动力的服装,对于士兵而言有利于战场上的保温和基本防护。

麻省理工学院研发的新款宇航服改变了过去宇航服笨重的形象,未来我们的宇航服将向这一趋势发展,紧致加压的宇航服可以给宇航员更多活动的空间,让宇航员在行星表面上自由移动。新款宇航服的奥秘在于图中呈现出的各种线条,科学家认为这些装置不仅可以提供足够的强度,也可以增强塑身的作用,脱下宇航服也较为简单,只需要温和的力度就可以实现了。

据研发这款制服的MIT航空航天机械工程教授Dava Newman介绍,这款宇航服的核心就是用镍钛记忆合金制作的小尺寸、紧凑的线圈。研究团队对14种记忆合金做了实验,最终认为镍钛记忆合金符合他们的要求。

这些线圈是记忆合金打造,属于一种特殊的材料,能够记得原来的形状,宇航服内部拥有通电装置,可以给记忆合金加热,一旦达到触发温度,记忆合金就能自动收紧,同时能提供模拟地球大气的压力环境,可以满足宇航员在真空环境中生存。

 

“记忆合金”的未来应用

形状记忆合金由于具有许多优异的性能,因而广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域。

一、航空航天工业

形状记忆合金已应用到航空和太空装置。如用在军用飞机的液压系统中的低温配合连接件,欧洲和美国正在研制用于直升飞机的智能水平旋翼中的形状记忆合金材料。由于直升飞机高震动和高噪声使用受到限制,其噪声和震动的来源主要是叶片涡流干扰,以及叶片型线的微小偏差。这就需要一种平衡叶片螺距的装置,使各叶片能精确地在同一平面旋转。目前已开发出一种叶片的轨迹控制器,它是用一个小的双管形状记忆合金驱动器控制叶片边缘轨迹上的小翼片的位置,使其震动降到最低。

 

记忆合金打造未来宇航服 IT科技年

 

还可用于制造探索宇宙奥秘的月球天线,人们利用形状记忆合金在高温环境下制做好天线,再在低温下把它压缩成一个小铁球,使它的体积缩小到原来的千分之一,这样很容易运上月球,太阳的强烈的辐射使它恢复原来的形状,按照需求向地球发回宝贵的宇宙信息。另外,在卫星中使用一种可打开容器的形状记忆释放装置,该容器用于保护灵敏的锗探测器免受装配和发射期间的污染。

二、机械电子产品

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1970年美国用形状记忆合金制作F-14战斗上的低温配合连接器,随后有数以百万以上的连件的应用。形状记忆合金作为低温配合连接在飞机的液压系统中及体积较小的石油、石化、电工业产品中应用。另一种连接件的形状是焊接的网状金属丝,用于制造导体的金属丝编织层的安全接头。这种接件已经用于密封装置、电气连接装置、电子工程机械装置,并能在-65—300℃可靠地工作。已开出的密封系统装置可在严酷的环境中用作电气件连接。

将形状记忆合金制作成一个可打开和关闭快门的弹簧,用于保护雾灯免于飞行碎片的击坏。用于制造精密仪器或精密车床,一旦由于震动、碰撞等原因变形,只需加热即可排除故障。在机械制造过程中,各种冲压和机械操作常需将零件从一台机器转移到另一台机器上,现在利用形状记忆合金开发了一种取代手动或液压夹具,这种装置叫驱动汽缸,它具有效率高灵活,装夹力大等特点。

三、生物医疗

用于医学领域的TiNi形状记忆合金,除了利用其形状记忆效应或超弹性外,还应满足化学和生物学等方面的要求,即良好的生物相容性。TiNi可与生物体形成稳定的钝化膜。在医学上TiNi合金主要应用有:

1.牙齿矫形丝

用超弹性TiNi合金丝和不锈钢丝做的牙齿矫正丝,其中用超弹性TiNi合金丝是最适宜的。通常牙齿矫形用不锈钢丝CoCr合金丝,但这些材料有弹性模量高,弹性应变小的缺点。为了给出适宜的矫正力,在矫正前就要加工成弓形,而且结扎固定要求熟练。如果用TiNi合金作牙齿矫形丝,即使应变高达10%也不会产生塑性变形,而且应力诱发马氏体相变(stress-induced martensite)使弹性模量呈现非线型特性,即应变增大时矫正力波动很少。这种材料不仅操作简单,疗效好,也可减轻患者不适感。

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2.脊柱侧弯矫形

各种脊柱侧弯症(先天性、习惯性、神经性、佝偻病性、特发性等)疾病,不仅身心受到严重损伤,而且内脏也受到压迫,所以有必要进行外科手术矫形。目前这种手术采用不锈钢制哈伦敦棒矫形,在手术中安放矫形棒时,要求固定后脊柱受到的矫正力保持在30~40kg以下,一但受力过大,矫形棒就会破坏,结果不仅是脊柱,而且连神经也有受损伤的危险。同时存在矫形棒安放后矫正力会随时间变化,大约矫正力降到初始时的30%时,就需要再进行手术调整矫正力,这样给患者在精神和肉体上都造成极大痛苦。采用形状记忆合金制作的哈伦顿棒,只需要进行一次安放矫形棒固定。如果矫形棒的矫正力有变化,以通过体外加热形状记忆合金,把温度升高到比体温约高5℃,就能恢复足够的矫正力。

另外,外科中用 TiNi 形状记忆合金制做各种骨连接器、血管夹、凝血滤器以及血管扩张元件等。同时还广泛应用于口腔科、骨科、心血管科、胸外科、肝胆科、泌尿科、妇科等,随着形状记忆的发展,医学应用将会更加广泛。

四、建筑结构

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利用形状记忆合金的伪弹性性能和动阻尼特性,形状记忆合金被用于被动控制结构受地震影响,起到抗震的作用。应运于结构振动的主动阻尼控制等。

1.日常生活

(1防烫伤阀。

在家庭生活中,已开发的形状记忆阀可用来防止洗涤槽中、浴盆和浴室的热水意外烫伤;这些阀门也可用于旅馆和其他适宜的地方。如果水龙头流出的水温达到可能烫伤人的温度(大约 48℃)时,形状记忆合金驱动阀门关闭,直到水温降到安全温度,阀门才重新打开。

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(2眼镜框架。

在眼镜框架的鼻梁和耳部装配TiNi合金可使人感到舒适并抗磨损,由于TiNi合金所具有的柔韧性已使它们广泛用于改变眼镜时尚界。用超弹性TiNi合金丝做眼镜框架,即使镜片热膨胀,该形状记忆合金丝也能靠超弹性的恒定力夹牢镜片。这些超弹性合金制造的眼镜框架的变形能力很大,而普通的眼镜框则不能做到。

(3 移动电话天线和火灾检查阀门。

使用超弹性TiNi金属丝做蜂窝状电话天线是形状记忆合金的另一个应用。过去使用不锈钢天线,由于弯曲常常出现损坏问题。使用TiNi形状记忆合金丝移动电话天线,具有高抗破坏性受到人们普遍欢迎。因此常用来制作蜂窝状电话天线和火灾检查阀门。火灾中,当局部地方升温时阀门会自动关闭,防止了危险气体进入。这种特殊结构设计的优点是,它具有检查阀门的操作,然后又能复位到安全状态;这种火灾检查阀门在半导体制造业中得到使用,在半导体制造的扩散过程中使用了有毒的气体;这种火灾检查阀也可在化学和石油工厂应用。

2.其它应用

在工程和建筑领域用 TiNi 形状记忆合金作为隔音材料及探测地震损害控制的潜力已显示出来。已试验了桥梁和建筑物中的应用,因此作为隔音材料及探测损害控制的应用已成为一个新的应用领域。随着薄膜形状记忆合金材料的出现和开发利用,形状记忆合金在智能材料系统中受到高度重视,应用前景更广阔。

 

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