每個人理所當然的會記住各種有用（yòng）的事情。長相、名字、住址，名人麵孔、家庭成員生日，也許你還會說一兩種（zhǒng）外語。然而，人（rén）們驚奇的發現無生命物體（tǐ）也能有一種記憶性。金（jīn）屬湯匙中的原子幾乎一直保持在同一個地方：一旦形成勺子，永遠是勺子。你（nǐ）可以用鉗子把勺子掰彎，它就變成麵部全非的金屬（shǔ）片。但（dàn）是如果勺子用記憶合（hé）金做的，那勺子形狀（zhuàng）記憶不會消失。如果再次加熱（rè），它會神奇地變成原來形狀！形狀記憶神奇材料最廣為人（rén）知的應該是“堅（jiān）不可摧的”眼鏡支架和胸罩內（nèi）的金屬架，但是其實（shí）它們有著各種各樣的神奇用途，尤其在醫學和航天領域。

彈性與塑（sù）性

 

如果知（zhī）道一點材料學知（zhī）識並知道當拉伸或擠（jǐ）壓材料，材料的應力應變情況，這將對理解形狀記憶概念有所（suǒ）幫助。

像湯匙這樣（yàng）的（de）固體，除非施加應力，否則它一直保持著勺子（zǐ）形狀。這毫不意外！因為本質上意味著“固體”。用一（yī）個足夠大的力，一個物體（tǐ）總（zǒng）是會（huì）改變（biàn）形狀或變形；它具體變（biàn）成什麽樣取（qǔ）決於材料。某些材料是（shì）脆（cuì）性的，而且根本（běn）不會（huì）改變（biàn）形狀。如果勺子是玻璃或者木頭製成的，彎曲的次數過多就會斷裂成碎片。

如果（guǒ）它是（shì）由厚橡膠製成的，在拉伸或擠壓時會有微小變形，然而當移走施加應力的瞬間，它就會恢複到（dào）原來形狀。這種行為定義（yì）為彈性：物（wù）體在（zài）外力作用下（xià）發生形變，外力撤銷時則恢（huī）複到原來形狀，我們說它是彈（dàn）性的，並且完全可逆的拉伸過程是彈性變形。我們經常談論“彈性”，仿佛（fó）它（tā）是材料本身（shēn）的屬性，但實際上彈性單指那些擁有（yǒu）彈性（xìng）的人工的、橡（xiàng）膠材料。甚至金屬也有彈性，隻要你不用力拉伸（shēn），特別是它們做成彈簧（huáng）。

如果勺子是塑料的？意味著（zhe）可以將至彎曲（qǔ）永久變形。當停止用力，勺子保持著新形狀而不會回到原來的形狀。這種行為定義（yì）為塑性，同時也可以解釋塑料（liào）的（de）命名。塑料是由大分子（聚合物（wù））製成的化學品，通常在製造過程中（或者之後（hòu））成形（xíng），因為分子鏈非常容易滑移。通（tōng）常，塑料在工廠中由熔（róng）融態，模具成型，然後冷卻使（shǐ）之硬化（凝固）。但是就像“彈性”一樣，塑性（xìng）指的是它的行為，而不是它的組成。在某種意義上來說，許多軟金屬是塑性的，因（yīn）為可以來回彎（wān）曲而不（bú）會回到原來形狀。這種不可逆的變形（xíng）稱為塑性形變。

什麽是形狀記憶（yì）？

材料科學就是選擇最（zuì）好的材料來做某項特（tè）定的工作。例如，設計一個噴氣式發動機，可以選擇非常輕而且能夠耐高溫的（de）堅固材料——鋁、鈦或者合（hé）金。但是如果你想要做一個低溫下表（biǎo）現某種方式（shì），但是加熱（rè）時表（biǎo）現卻不（bú）同的飛機零件（jiàn）呢？這種情況下，你可（kě）以使用形狀記（jì）憶合金，它可以（yǐ）隨著溫度變（biàn）化自動重塑。

普通的金屬（shǔ）沒（méi）有形狀記憶。如果坐在鋁製（zhì）眼鏡架上並且永（yǒng）久的彎曲（qǔ）它們（men），它們很難回到原（yuán）來的樣子。你必須照著自己記憶中眼鏡框的樣子辛苦地去調整，就（jiù）算是這樣，也很難（nán）保（bǎo）證眼鏡框回到以前的樣子。而且如果來回彎曲（qǔ）次數太多，鏡框達到疲勞（láo）強度可能會永遠的斷裂。

形狀記憶金屬與普通金屬表現不同。它們是強而（ér）輕、具有特殊性能的合金（通常混合兩種或更多（duō）的金屬）。它們可以“編程”記住（zhù）原來的形狀，所以如果彎曲或擠壓它們，可以通過加熱使它們重新恢複到原來形狀。這被（bèi）稱為形狀記憶效應(既然加熱（rè）能使它（tā）改變，也可以稱之為熱形狀記憶效應)。某些形狀記憶金屬在熱的時候記住一種形狀，但（dàn）在冷卻時候記住另一種形狀，所以冷卻時（shí）它們變成一種形狀，但（dàn）加熱時它們“忘（wàng）記”原來形狀，頸（jǐng）縮成（chéng）一（yī）個不同的形狀。這被稱為雙向形狀（zhuàng）記（jì）憶效應。現在，假如（rú）可以做（zuò）一種形狀記憶體，即使彎曲和（hé）扭曲很多次即使沒有加熱，但仍（réng）然可（kě）以恢複成原來形狀？這是形狀記憶的一個方麵叫（jiào）作偽彈性或超彈（dàn）性，它適（shì）用於那些超級柔軟，幾乎堅不（bú）可摧的眼睛框，製造商說它至少比鋼柔韌十倍！

雖（suī）然鎳鈦合金（又稱為鎳-鈦，Ni-Ti）可能是最廣為人知（zhī）的形狀記憶合金，但是實際還（hái）有（yǒu）許多其他形狀記憶合金，包括銅鋅鋁合金，銅鋁鎳合金，鐵錳矽合金；還有相當多其他種類的（de）。你也能發現以品牌命名的形（xíng）狀（zhuàng）記（jì）憶合金例如FLEXINOL®和（hé）Muscle Wires®，這是由該公司特有的鎳鈦合金。

形狀記憶如何發揮作用？

最容易理解形狀記憶的方式是記住發生在材料內部（即原子和分子的納米尺度）的（de）變化也許和外部看起來發生的完全不同。

拉伸橡皮圈（quān），在它內部交聯（lián）和糾纏的橡膠大分子鏈打開和分離。撤（chè）銷拉力，分子鏈重（chóng）新聚集到一（yī）起，這就是（shì）彈性的工作機理。形狀（zhuàng）記（jì）憶是不同的。彎曲形狀記憶合金（jīn）物體使其（qí）內部晶體結構變（biàn）形。不（bú）進行處理，它就會保（bǎo）持永久（jiǔ）的（de）彎曲形狀。然而對其加熱，晶體（tǐ）內部結構變成完全不同的形狀，推動物體回到原來的形狀。超彈性是相似的，但（dàn）是你變形後使物體恢複到原來形狀不需要溫（wēn）度（dù）。如果彎曲（qǔ）了一對形狀記憶眼鏡（jìng）框，所施加的應力使鈦合金變成完全不同的晶（jīng）體結構；放開手後晶體結構恢複，眼鏡框回到原來的形狀。

形狀記憶和超彈性發生的是固體材料（liào）內部結構在兩種不同的晶體形式之間的轉換，換（huàn）句話說，它的分子以完全可逆方式重（chóng）新排列。這就是固態相變，它聽起來（lái）比實際（jì）情況複雜。其實我們都習慣了相變：你（nǐ）把（bǎ）冰塊放到飲料（liào）裏然（rán）後它融化（huà）了，你觀察到的就是相變。隨著冰塊（kuài）融化，其分子（zǐ）從緊密堆積結構轉變成（chéng）更鬆散和更流動（dòng）的結構，所以水從固相（冰）轉變成液（yè）相（平常的液體水）。發生在固態相變中的大致相（xiàng）似的事情是材料在轉變前和後都是固體，因為在整個過程中所有分子之間保持的非常近。

形狀記憶合金在奧氏體和馬氏體兩（liǎng）種結晶態之間轉變。在低溫時，它們呈現相（xiàng）對柔軟、塑性和容易成形的馬氏體；在（相對）高溫時，它們變成更硬和更難以變形的奧氏體。假設你有一個形狀記憶電線，你可以相對容易地把它（tā）變成新的形狀。它的（de）內部是馬氏體，這就是它容易變（biàn）形的原因。無論你怎麽彎曲電線，它都（dōu）保持新的形狀；就像任何普通的電線（xiàn），它看起來像在（zài）進行（háng）普通的塑性（xìng）形變（biàn）。見證（zhèng）奇跡的時刻！對電線微微加熱（rè）（高於相變（biàn）溫度），其內部變成奧氏體，在熱能作用下內部（bù）原子重新（xīn）排列（liè）然後電線恢複到原來形狀。冷卻下（xià）來，電線重新（xīn）恢複成馬氏體，仍然恢複成原來形（xíng）狀。如果整個（gè）過程中材料的溫度高（gāo）於相變溫度，你可（kě）以使其變形，但是當你釋（shì）放你（nǐ）施（shī）加的應力，它立刻（kè）恢複到（dào）原來（lái）的形狀。

形（xíng）狀記憶令人驚（jīng）奇也（yě）可能使人困惑的是奧氏體和馬氏體之間的轉換不是“對稱”的。你可以取一條“編程”的形狀記（jì）憶電線（有明顯易記的形狀），然後（hòu）可以用不同的方式去彎（wān）曲它。但是當你加熱你剛剛隨意彎曲的電線（xiàn），它總是回（huí）到一條單一、明顯的形狀。我們可以這樣理解這一點，材料在（zài）馬氏體狀態下可以愉快（kuài）地變（biàn）成（chéng）任何晶體形式。但是當它在奧氏（shì）體時，它隻有一種晶體形式。這也是最穩（wěn）定的狀態，也（yě）即最（zuì）低能量狀（zhuàng）態。

當施加應力（壓力）而不是加熱時，超彈性（xìng）和形狀記（jì）憶表現相似（sì）。通（tōng）常，組成合金的是（shì）奧氏體（tǐ）的韌性形式。假設對形狀記憶眼鏡施加應力（就是（shì）彎曲它們），奧氏體轉換成馬氏體後非（fēi）常容易變形。放開鏡框後馬氏（shì）體變回了奧氏（shì）體，所以眼鏡回到（dào）最原始的形狀。

形狀記憶合金用途（tú）？

Arne Olander在（zài）上世（shì）紀30年（nián）代發現金-鎘合金中存在形狀記憶效（xiào）應，但（dàn）是在上世紀60年代美國海（hǎi）軍軍械實驗（yàn）室開（kāi）發出鈦鎳合金之後，形狀記憶合金（也叫作SMAs，金屬肌肉，記憶金屬，智（zhì）能金屬）開始真正推廣使用。幾十（shí）年後（hòu），形狀記憶金屬已經是所有醫學和健康相關設備領域最平常的選擇，包括從牙科植入物到外科工具，從胸罩內線到眼鏡（jìng）框（以Flexon品牌出售）。與塑料、金屬或傳統合金不同，形狀記（jì）憶合金兼具堅固和柔韌的優點，易於消毒並耐腐蝕。由（yóu）於輕質、堅韌並能在高溫下工作的特性，形狀記憶合金也廣泛應用於航空航天部件，例如火（huǒ）箭和空間探測器。

形狀記（jì）憶合金在（zài）機器人領域應用（yòng）快（kuài）速增長。有時人們（men）需要設計特殊用途的機器（qì）人到傳統機器人無法到達的地方：可能需要在（zài）十分堅實的火箭上炸出孔（kǒng）洞，或者需要在門口悄悄的監（jiān）視罪犯。考慮到這些，工程師們開（kāi）始設計由形狀（zhuàng）記憶（yì）合金製成的自動展開機器人。它們開始時折疊在一起，當他們需要被激活時，電流通過機器（qì）人形狀記憶的部件，加熱它們至回到“預編程”的穩定不變機器人形狀（zhuàng）。

形狀記憶聚合物

 

形狀記憶（yì）合金聽起來高大上，但是它（tā）們也有缺點：形狀記憶合金比普通不鏽鋼更易達到疲勞強度（多次重複變形後斷（duàn）裂），而（ér）且比傳統（tǒng）的鋼或鋁合金的（de）製造成本更高。上（shàng）世（shì）紀90年代，材料學（xué）家開始開發與形狀記憶合金相似且具有形狀記憶效應的形狀記憶聚合物（SMPs）。正如普通塑料改變了世界，形狀記（jì）憶聚合物很可能在未來幾年拓（tuò）寬它的應用領域，因為SMPs比金屬基合金更輕、更便宜和更柔韌。和（hé）SMPs最密（mì）切（qiē）相關的是SCPs（形狀改變聚合物），當它們受熱（或以其他方式被能量刺激（jī）），其逐漸改變形狀；然而當冷卻的時（shí）候，其恢複形狀（zhuàng）。雖然自愈合材料（一種損傷（shāng）後自我（wǒ）治（zhì）愈的材料）也可以在多種不同的方式下（xià）工作，它們與SMPs非（fēi）常相（xiàng）似。例如，可（kě）以設（shè）想一下，一個塑料機身可以吸收射入的子彈（dàn）的動能後轉換成內能，並用內能激活形狀記憶效應使聚合物恢複到原來形狀（zhuàng），迅速愈合和密封。