形狀記憶與超彈性的界限：合金的“記憶力”從何而來？

當(dāng)非遺遇到新科技，將碰撞出怎樣的火花？近日，中央廣播電視總臺、文化和旅游部聯(lián)合推出的電視節(jié)目《非遺里的中國》，展示了國內(nèi)第一幅“非遺+科技”的動態(tài)交互蘇繡作品，令人耳目一新。在形狀記憶材料和感溫交互等技術(shù)的加持下，指尖輕撫繡品，便可觸發(fā)蝴蝶振翅，花瓣舒展。形狀記憶材料為精湛的刺繡增添了不少魅力。那么，為什么形狀記憶材料會產(chǎn)生如此神奇的現(xiàn)象呢？

形狀記憶合金是指具有一定初始形狀，經(jīng)低溫塑形后能在熱、光、電的刺激下恢復(fù)初始形狀的一種新型金屬功能材料。鎳鈦形狀記憶合金是新型功能材料的“后起之秀”，是由鎳和鈦組成的二元合金。形狀記憶效應(yīng)是它獨(dú)樹一幟的特性，同時(shí)還具有超彈性、較好的耐腐蝕性和生物相容性。

合金為什么具有形狀記憶效應(yīng)？這還要從晶體結(jié)構(gòu)說起。形狀記憶效應(yīng)的產(chǎn)生，是由于存在兩種不同的晶體結(jié)構(gòu)相。具有形狀記憶效應(yīng)的合金大多數(shù)發(fā)生熱彈性馬氏體相變。馬氏體相變后，合金留下較大的塑性變形空間。當(dāng)合金被加熱到最終溫度以上時(shí)，低溫的馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷氐膴W氏體，自動恢復(fù)到初始狀態(tài)。這實(shí)際上是一個由熱誘發(fā)的相變過程。需要注意的是，奧氏體狀態(tài)是去除載荷時(shí)的狀態(tài)，呈立方體結(jié)構(gòu)，而馬氏體是加載時(shí)的狀態(tài)，呈六邊形結(jié)構(gòu)。在形變的過程中，原子沒有擴(kuò)散，僅僅是晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。

為了充分利用鎳鈦合金因形變而對外做功，人們發(fā)明使用鎳鈦合金制作的發(fā)動機(jī)。不同于一般發(fā)動機(jī)，鎳鈦合金制作的發(fā)動機(jī)擺脫了傳統(tǒng)能源的束縛，僅依靠鎳鈦合金U形帶在熱水和冷水中的伸縮來驅(qū)使輪子轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)變。鎳鈦合金的出現(xiàn)，為我們尋求新能源指明了一個嶄新的方向。

除了做功，德國薩爾蘭大學(xué)的科研小組還利用鎳鈦合金制成了人造肌肉驅(qū)動器。這是對鎳鈦合金形狀記憶效應(yīng)另一個層面的應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的精細(xì)“肌肉纖維”，是由成束的超細(xì)鎳鈦合金絲組成。當(dāng)電流通過由鎳鈦合金制成的電線時(shí)，材料升溫，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生相變，從而使電線變短；電流切斷后，電路冷卻并恢復(fù)到原來長度。用多股合金絲連接機(jī)械手指關(guān)節(jié)模擬肌肉纖維，形成類似于手指的正面屈肌和背面伸肌等肌肉群，以便執(zhí)行更為精確的運(yùn)動。

超彈性是指試驗(yàn)樣品在外加載荷的作用下，能夠產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)材料彈性極限的應(yīng)變量。在外加載荷卸載后，試樣的變形可以自動恢復(fù)。鎳鈦合金的彈性極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通材料，并且不再遵守虎克定律，在一定形變范圍內(nèi)應(yīng)力呈現(xiàn)非線性關(guān)系，利用超彈性可以制作小巧玲瓏、高自動化、性能可靠的元器件，如在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用頗多的超彈性自膨脹型支架、不會隨矯治方向移動而逐漸脫力的矯正弓絲等。

抗腐蝕也是鎳鈦記憶合金的強(qiáng)項(xiàng)。鎳鈦記憶合金表面氧化后形成一層二氧化鈦氧化膜，可以增加合金表面層的穩(wěn)定性。由于鎳、鈦的化學(xué)惰性，鎳鈦合金易形成厚度為2—20 納米致密的氧化層。在植入過程中，該氧化層生長并吸收礦物質(zhì)和生物體液的其他成分，從而導(dǎo)致表面重塑，再次加固了它的耐腐蝕性。

利用這些性能，鎳鈦合金制成的食管、封堵器、腔靜脈濾器等微創(chuàng)醫(yī)療器械，在人們的生活中運(yùn)用廣泛。新型鎳鈦記憶合金溫控輸尿管支架已被生產(chǎn)且用于醫(yī)療手術(shù)中。這是一種螺旋式支架，遇熱膨脹，遇冷變軟。進(jìn)行支架置入手術(shù)后，鎳鈦記憶合金支架在65℃熱水的情況下成功膨脹，錨定于狹窄處，輸尿管再度恢復(fù)通暢，為患者帶來福音。

作為綜合性能較好的形狀記憶材料，鎳鈦合金長期成為形狀記憶合金研究中的重中之重。從傳統(tǒng)的微米晶到納米晶和非晶態(tài)，鎳鈦形狀記憶合金與時(shí)俱進(jìn)，走在發(fā)展的前沿。與此同時(shí)，鎳鈦合金毛細(xì)管、塊狀納米晶鎳鈦合金等大量結(jié)構(gòu)新穎的鎳鈦合金應(yīng)運(yùn)而生。未來，利用數(shù)字化三維重建技術(shù)或其他新型的技術(shù)手段，對鎳鈦合金進(jìn)行精致細(xì)膩加工是其發(fā)展的方向。

（第一作者系西北師范大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，第二作者系西北師范大學(xué)研究生）