每個人理所當然的會記住各種（zhǒng）有用的事情。長相、名字、住址，名人（rén）麵孔、家庭成員生（shēng）日，也許你還會說（shuō）一兩種外語。然而，人們驚奇的發現（xiàn）無生（shēng）命物體也能有一種記憶性。金（jīn）屬湯匙中的原（yuán）子幾乎一直保持在同（tóng）一個地方（fāng）：一（yī）旦形成勺子，永遠是勺子。你可以用鉗子把勺子掰彎，它就變成麵（miàn）部全非的金屬片。但是如果勺子用記憶合金（jīn）做的，那勺子形狀記憶（yì）不會消失。如果再次加熱，它會神奇地變成（chéng）原來形狀！形狀（zhuàng）記憶神奇材料最廣為（wéi）人知的應該是“堅不可摧的”眼鏡支架和胸罩內的金屬架（jià），但是其實它們有著各種各樣的神奇用途，尤其在（zài）醫學和航天領域。

彈（dàn）性與塑性（xìng）

 

如果（guǒ）知道一點材料（liào）學知（zhī）識並知道當拉伸或擠（jǐ）壓材料，材料的（de）應力應變情（qíng）況，這將對理解形狀記憶概念有所幫助。

像湯匙這（zhè）樣的固體，除非施加應力（lì），否則（zé）它一直保（bǎo）持著勺子形（xíng）狀。這毫不意外（wài）！因為本（běn）質上意味著“固體”。用一（yī）個足夠（gòu）大的力，一個物體總是會改變形狀或變形；它具體變成什麽樣取決於材料。某些材料（liào）是脆性的，而且根本不會改變形狀。如果勺（sháo）子是（shì）玻璃（lí）或（huò）者木（mù）頭（tóu）製成的，彎曲的次數過多（duō）就會斷裂成碎片。

如果它是由厚橡膠製成的，在拉（lā）伸或擠壓時會有微小變形，然而當移走施加應力的瞬間，它就會恢複到原來形狀。這種行為定義為彈性：物體在外力（lì）作用下（xià）發生形（xíng）變，外力撤銷時則恢複到原來形狀，我們說（shuō）它是彈性的，並且完（wán）全可逆的拉伸過程是彈性（xìng）變形（xíng）。我們經常談論“彈性”，仿佛它是材料本身的屬性，但實際上彈性單指那些擁有彈性（xìng）的人工的、橡膠材料。甚至金屬也有彈（dàn）性（xìng），隻要你不用力拉伸，特別是它們做成彈（dàn）簧。

如果（guǒ）勺（sháo）子是塑料的？意味著（zhe）可以將至彎（wān）曲永久變（biàn）形。當停止用力，勺子保持著新形狀而不會回（huí）到原來的形（xíng）狀。這種行為（wéi）定義為塑性，同時也可以解釋塑料（liào）的命名。塑料是由大分子（聚合（hé）物）製成的化學（xué）品，通（tōng）常在製（zhì）造過程中（或者之後）成形，因為分（fèn）子鏈非常容易滑移。通常，塑料在工廠中由熔融態，模具成（chéng）型，然後冷卻使之硬化（凝固）。但是就像“彈性”一（yī）樣，塑性指的是它的行為，而（ér）不是它的組成。在某種意義上來說，許多軟金（jīn）屬是塑性的，因為可以來回彎曲而不會回到原來形狀。這種不可逆的變形稱為塑性形變。

什麽是形狀記憶？

材料科學就是選擇最好的材料來做某項特定的工（gōng）作。例如，設計一個噴氣式發動機，可以選擇非常輕而且能（néng）夠耐（nài）高（gāo）溫的堅固材料——鋁、鈦或者合金。但是如果你想要做一個低溫下表現某種方式，但是加熱時表現卻不同的飛機零件呢？這（zhè）種情況下，你可以使用形狀記憶合金，它可以隨著溫度變化自動重塑。

普通的金屬沒有形狀記憶。如果坐在鋁製眼鏡架上並且永（yǒng）久的彎曲它們，它們（men）很難回到原來（lái）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，就算是這樣，也很難（nán）保證眼鏡框回到以前的樣子。而且如果來（lái）回彎曲次（cì）數太多，鏡框達到疲勞強度可能會永遠的斷（duàn）裂（liè）。

形狀記憶金屬（shǔ）與普通金屬表現不（bú）同。它們是（shì）強而輕、具有特殊性能的合金（通常混合兩種或更多的金屬）。它們（men）可以“編程”記住原來的形狀，所以如果彎曲或擠壓它們，可以通過加熱使它（tā）們重新恢複（fù）到原來形狀。這被稱為形狀記憶效應(既然（rán）加熱能使它改變，也可以稱之（zhī）為熱形狀記憶（yì）效應)。某些形狀記（jì）憶金屬在熱的時候記住一種形狀，但在冷卻時候記住另一（yī）種形狀，所以冷卻時它們變成一種形狀，但加熱時它們“忘記”原來（lái）形狀，頸縮成一個不同的形（xíng）狀（zhuàng）。這被稱為雙向形狀記憶效應。現在，假如（rú）可以做一種形（xíng）狀記憶體，即使彎曲和（hé）扭曲很多次即使沒有加熱，但仍然可以恢複成原來形狀（zhuàng）？這（zhè）是形狀記（jì）憶的一個方麵叫作偽彈性或超彈性，它適用於那些超級柔軟，幾乎堅不可摧的眼睛框，製造商說它至（zhì）少比（bǐ）鋼柔韌十倍！

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

形狀記憶如何發（fā）揮作用？

最容易理解形狀記憶的方式（shì）是記住發生在材料內部（即原（yuán）子和分子的納米尺度）的（de）變（biàn）化（huà）也許（xǔ）和外部看起來發生的完全不同。

拉（lā）伸橡皮圈，在它內部交（jiāo）聯和糾纏的橡膠大分子鏈打開和（hé）分離。撤銷拉力，分子鏈重新聚集到一起，這就是彈性的工作機理。形狀記憶是不同的。彎曲形狀記憶合金物體使其內部晶體結構變形。不（bú）進（jìn）行處理，它就會保持永（yǒng）久（jiǔ）的彎曲形狀（zhuàng）。然而對其加熱，晶體內部結構變成完（wán）全不同（tóng）的形狀（zhuàng），推動（dòng）物體回到原來的形狀。超彈性是相似的，但是你變形後使物體恢複到原來形狀不需要（yào）溫度。如果彎曲了一對形狀記憶眼鏡框，所（suǒ）施加的應力使鈦合金變成完全不同的晶體結（jié）構；放開手（shǒu）後晶體結構恢（huī）複，眼鏡框回到（dào）原（yuán）來的形狀。

形狀（zhuàng）記（jì）憶和超彈性發生的是固體材（cái）料內部結構在兩種不同的晶體形式之間的轉換，換句話說，它的分子以完（wán）全可逆方式重新排列。這就是固態相變，它聽起來比實際情況複雜。其實我們都習慣了相變：你把冰塊放到飲料裏然後它融化了，你觀察到的就是相（xiàng）變。隨著冰塊（kuài）融化，其分子（zǐ）從緊密堆積結構轉變成（chéng）更鬆散和更流動的結構，所以水從固相（冰）轉變成液相（平常的液體水）。發生在固態相變中的大致相似的事情（qíng）是材料在轉變前和後都是固體，因為（wéi）在整（zhěng）個過程中所有分子之（zhī）間保持的非（fēi）常近（jìn）。

形狀記憶合金（jīn）在奧氏（shì）體和馬氏體兩種結晶態（tài）之間轉變。在低溫時，它們呈現相對柔軟、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（tǐ）。假設你有一個形狀（zhuàng）記（jì）憶（yì）電線，你可以相對容易地把它變成新的形狀。它的內部是馬氏體（tǐ），這就是它容易變形的原因。無論你怎麽彎曲電線，它都保持新的形狀；就像任（rèn）何普通的電線，它看起來像在進行普通的塑性形變。見證奇跡的時刻！對電線（xiàn）微微加熱（高於相（xiàng）變溫度），其內部變成奧氏體，在熱能作用（yòng）下內部原子（zǐ）重（chóng）新排列然後電線恢複到原來形狀。冷卻（què）下來，電線重新恢複成馬氏體，仍然恢複成原（yuán）來形狀。如果整個過程中材料的（de）溫度高於相變溫度，你（nǐ）可以使其變形（xíng），但（dàn）是（shì）當你釋放你施加的應力，它立刻恢複到原來的形狀。

形狀記（jì）憶令人驚奇也可能使人困惑的是奧氏體和馬氏體之間（jiān）的轉換（huàn）不是“對稱”的。你可以取一條“編程”的形狀記憶電線（有明顯易記的形狀），然後可（kě）以用不同的方式去彎曲它。但是當你加熱你剛剛隨意彎曲的電線，它總（zǒng）是回到一條單一、明顯的形狀。我（wǒ）們可以這（zhè）樣理解這一點，材料在馬（mǎ）氏體狀態下可以（yǐ）愉快地變成任何晶體形式。但是當它（tā）在奧氏體時，它隻有一種晶體形（xíng）式。這也是最穩定的狀態，也即最低能量狀態。

當施加（jiā）應力（壓力）而不是加熱時（shí），超彈（dàn）性和（hé）形狀記憶表現相似。通常，組成合金（jīn）的是奧氏體的韌性形式。假設對形狀（zhuàng）記憶眼鏡（jìng）施加（jiā）應（yīng）力（就是彎曲它們），奧氏體轉換成（chéng）馬氏體後非常容易變形。放（fàng）開鏡框後馬（mǎ）氏體變回了奧氏體，所以眼鏡回到最原始的形狀。

形狀記憶合金用途？

Arne Olander在上世紀30年代發現金（jīn）-鎘合金中存在形狀記憶效應（yīng），但是在上（shàng）世（shì）紀60年代美國海軍軍械實驗室開發出鈦鎳合（hé）金之後，形狀記憶合金（也叫作SMAs，金屬肌肉，記（jì）憶金屬，智能金屬）開始真正推廣使用。幾十年後（hòu），形狀記憶金屬已經是所有醫學和健康相關設（shè）備（bèi）領域最（zuì）平常的（de）選擇，包括從牙科植入物到外科工具，從胸罩內線到眼鏡框（以Flexon品牌出售（shòu））。與塑料、金（jīn）屬或傳統合金不同（tóng），形狀記（jì）憶（yì）合金兼具堅固和柔韌（rèn）的優點，易於消毒並耐腐蝕。由於輕質、堅韌並能在高溫下工作（zuò）的特性，形狀記憶合金也廣泛應用於航（háng）空航天部件，例如（rú）火箭和空間探測器。

形狀記憶合（hé）金（jīn）在機器人領域應用（yòng）快速增長。有（yǒu）時人們需要設計特殊用途（tú）的機器人（rén）到傳統機器（qì）人無法到達的地方：可能需要在十分（fèn）堅實（shí）的火箭上炸出（chū）孔洞，或者需要在門口悄悄（qiāo）的監視罪犯。考慮到這（zhè）些，工程師們開（kāi）始設計由形狀記憶合（hé）金（jīn）製成的自動展開機器人。它們開始時折疊在一起，當他們需（xū）要被激（jī）活時，電流通過機器人形狀記憶的部件，加熱它們（men）至回到（dào）“預編程”的穩定不變機器人形狀。

形狀記憶聚（jù）合物

 

形狀記憶合金聽起來高大上，但是它們也有缺點：形狀記憶合（hé）金比普通不鏽鋼更易達到疲勞強度（多次重複變形後斷裂（liè）），而且比傳統的鋼或鋁合金的製造成本更高。上世（shì）紀90年代，材料學家開始（shǐ）開發與形狀記憶合金相似（sì）且具有（yǒu）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，形狀記憶聚合物很可能在未來幾年拓寬它的應用領（lǐng）域（yù），因為SMPs比金屬基合金更輕、更便宜和更柔韌。和SMPs最密切相關的是SCPs（形狀（zhuàng）改變聚合（hé）物），當它們受熱（或以其他方式被能量刺激），其逐漸改變形（xíng）狀（zhuàng）；然而當冷（lěng）卻的時候，其恢複形狀。雖然自愈合材料（一種損傷後自我治愈的材料）也可以在多種不同的方式下工作，它（tā）們（men）與SMPs非（fēi）常相似。例如，可以設想一（yī）下，一個塑（sù）料機身（shēn）可以吸收射入的子彈的動能（néng）後轉換成內能，並用內能激活形狀（zhuàng）記憶效應使聚合物恢複到原來形狀，迅速愈合和密封。