形狀記憶與超彈性的界限：合金的“記憶力”從何而來？

當非遺遇到新科技，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，經低溫塑形后能在熱、光、電的刺激下恢復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。形狀記憶效應是它獨樹一幟的特性，同時還具有超彈性、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？這還要從晶體結構說起。形狀記憶效應的產生，是由于存在兩種不同的晶體結構相。具有形狀記憶效應的合金大多數(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。當合金被加熱到最終溫度以上時，低溫的馬氏體轉變?yōu)楦邷氐膴W氏體，自動恢復到初始狀態(tài)。這實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)是去除載荷時的狀態(tài)，呈立方體結構，而馬氏體是加載時的狀態(tài)，呈六邊形結構。在形變的過程中，原子沒有擴散，僅僅是晶體結構發(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。不同于一般發(fā)動機，鎳鈦合金制作的發(fā)動機擺脫了傳統(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使輪子轉動，實現(xiàn)熱能向機械能的轉變。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，德國薩爾蘭大學的科研小組還利用鎳鈦合金制成了人造肌肉驅動器。這是對鎳鈦合金形狀記憶效應另一個層面的應用。研究團隊創(chuàng)建的精細“肌肉纖維”，是由成束的超細鎳鈦合金絲組成。當電流通過由鎳鈦合金制成的電線時，材料升溫，晶體結構發(fā)生相變，從而使電線變短；電流切斷后，電路冷卻并恢復到原來長度。用多股合金絲連接機械手指關節(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)行更為精確的運動。

超彈性是指試驗樣品在外加載荷的作用下，能夠產生遠遠大于常規(guī)材料彈性極限的應變量。在外加載荷卸載后，試樣的變形可以自動恢復。鎳鈦合金的彈性極限遠遠大于普通材料，并且不再遵守虎克定律，在一定形變范圍內應力呈現(xiàn)非線性關系，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)學上應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項。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和生物體液的其他成分，從而導致表面重塑，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，在人們的生活中運用廣泛。新型鎳鈦記憶合金溫控輸尿管支架已被生產且用于醫(yī)療手術中。這是一種螺旋式支架，遇熱膨脹，遇冷變軟。進行支架置入手術后，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俱進，走在發(fā)展的前沿。與此同時，鎳鈦合金毛細管、塊狀納米晶鎳鈦合金等大量結構新穎的鎳鈦合金應運而生。未來，利用數(shù)字化三維重建技術或其他新型的技術手段，對鎳鈦合金進行精致細膩加工是其發(fā)展的方向。

（第一作者系西北師范大學教授、博士生導師，第二作者系西北師范大學研究生）