记忆合金是什么原因造成的(记忆合金是什么意思)

写在前面：从2019年末到现在，新冠病毒疫情已经持续了七个多月的时间，虽然在防疫过程中付出了很多的代价，但是我们欣喜地看到这些代价所带来的回报，情况正在一点一点地好转。让我们向那些奋战在一线的医护人员和其他工作人员致敬，同时做好自己的事情，陪着家人、朋友坚定地度过这"漫长"的岁月。

那么……

下面又来到我们的科普时间啦！

记忆是一个神奇的东西，它是我们大脑中储存的各种信息的总称，我们可以调用它们，用以完成各种工作。它对人类的重要性不言而喻，拥有了记忆力，我们能提高工作、学习、生产效率。我们一度以为只有生物能够拥有记忆力，事实上，一些材料经过特定的温度变化和化学反应后能够在形变后自动恢复原来的形状，就像拥有了"记忆"一般，而在这些材料中最闪耀的一种自然要属形状记忆合金了。

温度的变化就能"唤醒"它的记忆，重新回到原来的模样。例如，用形状记忆合金制作一个弹簧，用力拉伸使弹簧不能自动恢复，再把该弹簧放入热水中片刻，弹簧就会自动收缩。这类材料的共通点在于自己变化、无需人工直接干预的特性，它们仿佛也像人类一样拥有了感知外界的能力，当环境条件发生较明显的变化后，它们就像重新回忆起来自己的使命，从而做出相应的措施。这样极大区别于其他材料的特性迅速引起了科学家的注意，一些国家立即开启了相关的研究，并一直持续到今日。

形状记忆合金

形状记忆合金

形状记忆合金，即记忆金属，是一种在一定温度下发生塑性形变之后，在另一温度范围内又能恢复原来形状的特殊金属材料。材料经过外力作用后产生应力和应变，当应力超过材料的弹性极限时，应变在外力去除后不能完全恢复，而这些因为未能恢复而保留下来的部分即为塑性形变。对于一般的材料而言，当发生塑性形变后，基本上就不能够继续使用了，只能作报废处理。而对于形状记忆合金来说，只需要进行恢复就好。

说到形状记忆合金的发现历程，则要追溯到1932年，瑞典人奥兰德在Au-Cd合金中观察到"记忆"效应，这是人类首次观察到形状记忆合金……应该是。为什么是应该呢？因为根据古墓发掘结果，两千年前的秦朝人民就已经开始使用形状记忆合金涂层的青铜器了，但仅作为一项技术，并不知晓其中的科学道理。1951年，美国人在一次偶然的实验中再次发现了Au-Cd的该特点。1952年，最早关于形状记忆合金的报道诞生，主要是关于Au-Cd合金的相变可逆性。一年后，又在In-Tl合金中发现此特性。这三次发现皆未引起科学界的足够重视。1963年，一些美国海军的工作人员正忙于加工一批镍-钛合金丝用作实验。由于加工出来的合金丝处于弯曲状态，因此需要把它们拉直才能投入使用。在进行实验过程中，当他们把实验温度上升到了一定数值后，原本拉直的合金丝竟逐渐恢复成弯曲的形状，这个现象让现场的每一个人都感到十分惊讶，以为"上帝之手"突降人间。经过后续的多次实验后，实验结果都相同。自此，形状记忆合金的记忆效应才引起了材料科学界和工业界的重视。那么到底是什么赋予了没有生命的合金"记忆力"呢？

形状记忆合金手表

形状记忆合金材料

形状记忆合金具有形状记忆特性的根本原因在于不同温度状态的晶像（结晶的微观结构，由晶体中高分子链的构象及其排布所决定，种类繁多）不同。温度变化，合金的晶体结构，即内部原子排列也发生变化。当恢复到初始温度后，合金原子也顺承自己的"记忆"，回到原来的样子。这种变化遵循一定的规律，合金只能在某些固定的温度变成固定的形状，而不能随意改变形状。细化形状记忆合金的记忆效应，可以分为三种：

1.单程记忆效应（One-way shape memory effect）：在较低的温度下通过外力作用使材料变形，然后升高温度，材料回到变形前形态的过程，特点是需有外力作用才能发生，不适用于材料的重复驱动。

2.双程记忆效应（Two-way shape memory effect）：某些材料可以在升高温度后恢复高温相形状，在降低温度后恢复低温相形状，这种两边都可发生变化的过程被称为双程记忆效应。通常情况下，对形状记忆合金进行一定的训练后能够让合金拥有随时产生这种效应的能力，这种能力促使了某些重复驱动元器件的发展。仍以弹簧为例，升高温度，弹簧伸长；降低温度，弹簧可以收缩，如果该弹簧与其他零件相连，则每一次变形的过程可以理解为材料对零件做功，从而完成整个生产过程这一部分的运转。

3.全程记忆效应(All round shape memory effect)：全程记忆效应是指材料在马氏体相变结束温度以下变形，加热到母相相变结束温度以上时，恢复母相的原始形状,进一步冷却至以下时，材料形状变至加热时相反方向的形状，在随后的加热冷却循环过程中，呈现可逆的形状记忆效应。它强调一种"对称性"，低温形变时与高温形变时的状态相反，可以被理解为特殊的双程记忆效应，目前只在镍含量较大的Ni-Ti合金中出现。

Ni-Ti合金丝

Ni-Ti合金丝

在对形状记忆合金有一个细致的了解之后，各大领域的企业便开始将它投入到生产过程中。

1.形状记忆织物：再次以形状记忆合金弹簧（全场最佳，不愧是你）为例子，预先将其加工成塔形（下宽上窄），然后人为压缩成扁平状塞入衣服面料中。当天气变得炎热，弹簧就开始向高温相发生形变，逐渐恢复之前的塔形，在两层面料之间撑起一个小小的空间，形成流动空气层，可以在一定程度上缓解高温引起的不适。温度降低后，弹簧又会向低温相发生转变，回到扁平状。当然，这种设计目前正处于起步阶段，不止是要考虑弹簧的问题，还需要考虑颜值、重量、舒适度等因素。毕竟买衣服更多是视觉导向，如果设计出来太丑想必也不会有多少人穿吧，顶多就是猎奇一下，因此需综合考虑。

2.航天事业：形状记忆合金已经成为航天领域极为重要的材料基础。航天人员将形状记忆合金用于人造卫星的太阳能板，在地球上将板压缩折叠，卫星发射进入既定轨道后，在太阳的高温刺激下，太阳能板可自行打开；它也可以成为太空天线的原材料，事先将其体积压缩至原来的千分之一，再运入太空展开，可大大减小运输难度。

形状记忆合金天线展开

形状记忆合金天线展开

3.华为Mate30 pro的光学防抖（OIS）功能：从2014年开始，华为开始与哈钦森科技股份有限公司合作研发形状记忆合金马达，在不增大手机重量、体积的情况下实现主摄像头的防抖功能。一般的手机摄像头采用的是磁结构马达，电流通过线圈产生磁力（电流的磁效应，一股高考的味道），推动装有磁铁的镜头模组平移。这种镜头是直接放在手机内的芯片上的，会产生摩擦力，模组越大，压力越大，摩擦力就越大（f=μN，有一股高考的味道），对芯片的磨损程度也相应的增加。华为采用的形状记忆合金马达完美解决了这一问题，由4根直径25微米的形状记忆合金丝牵着镜头模组，通电时内部温度升高，合金丝会发热收缩，拉动镜头模组，实现OIS功能。华为先于其他公司看到了这项技术的发展前景，并积极与哈钦森合作，为广大智能手机使用者带来了更好的体验。看看这一系列硬核操作，不得不说咱们大公司的眼光就是长远，就是强。

华为Mate30 pro

形状记忆合金，看似充满玄机，其实离我们很近。随着世界科学技术的发展，这种神奇的材料势必会在更多的地方为我们所利用。正所谓"大千世界，无奇不有"，正是这些物质的存在吸引着一批又一批的人去探索、去发现。相信在充满光明的未来，会有更多的材料被发现，会有更多的谜底被揭开。

参考文献：

1. 《华为用在手机上的自主核心技术有哪些》——知乎

2. 李海江《快速凝固Ni-Ti形状记忆合金的全程记忆效应》——中国知网

3.《金属"记忆"的发现在历史上是如何记载的》——新浪爱问

4.李启泉，李岩，马悦辉《钛基高温形状记忆合金进展综述》——中国知网

5.图片来自网络