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德科學家發明可變形千萬次的超強形狀記憶合金 |
來源:中國粉體技術網 更新時間:2015-06-01 10:08:58 瀏覽次數: |
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(中國粉體技術網/班建偉)德國基爾大學研究人員新發明了一種鎳鈦銅記憶合金,其變形次數可以達到千萬次不會斷裂,而通常合金材料變形幾千次就會斷裂。這一新材料在微電子和光學器件、傳感器、醫療器件等眾多領域將有廣泛的應用前景。
科學家早在上世紀60年代就發明了鎳鈦記憶合金,這種合金在受熱和冷卻時會變形,并很快會恢復到最初機械加工時確定的形狀。我們熟悉的大多數合金在兩種晶格狀態下轉變幾千次,就會出現裂紋甚至斷裂,德國基爾大學專家匡特在《科學》雜志上發表的論文中解釋說,這是因為在金屬高溫相(奧氏體)會出現越來越多的低溫相(馬氏體)晶體結構,兩相之間的轉換不完全會導致合金斷裂。
匡特領導的研究小組發明的記憶合金單元是由54個鈦原子、34個鎳原子以及12個銅原子組成,研究人員在22攝氏度至87攝氏度下,通過高倍電子顯微鏡和X光射線檢測發現,這種成分組成的記憶合金可以經受千萬次的變形而不會出現裂紋。研究人員在顯微鏡下還能看到馬氏體完全轉化為奧氏體時,兩個鈦原子和銅原子在晶格中沉積,鈦原子和銅原子的沉積,構成了晶體在兩個相中的基本結構,他們稱這種現象為外延生長。
美國明尼蘇達大學專家詹姆斯兩年前發明的一種鋅金銅記憶合金也有類似的特性,這種合金可以經受16000次冷熱變形不會產生裂紋。當年詹姆斯研究小組的這項發明被刊登在《自然》雜志上。
《科學》雜志評價認為,德國基爾大學的這項發明大大拓寬了記憶合金的應用領域,電磁耦合器、溫度傳感器、微電子和光學器件、信息存儲介質,以及醫療領域中的人工心臟瓣膜等都有廣泛應用潛力。另外,還可以利用這種記憶合金將外界和環境中的熱能轉化為電能,或開發新的冷卻單元。
小知識:
形狀記憶合金具有形狀記憶效應(shape memory effect),以記憶合金制成的彈簧為例,把這種彈簧放在熱水中,彈簧的長度立即伸長,再放到冷水中,它會立即恢復原狀。利用形狀記憶合金彈簧可以控制浴室水管的水溫:在熱水溫度過高時通過"記憶"功能,調節或關閉供水管道,避免燙傷。也可以制作成消防報警裝置及電器設備的保安裝置。當發生火災時,記憶合金制成的彈簧發生形變,啟動消防報警裝置,達到報警的目的。還可以把用記憶合金制成的彈簧放在暖氣的閥門內,用以保持暖房的溫度,當溫度過低或過高時,自動開啟或關閉暖氣的閥門。形狀記憶合金的形狀記憶效應還廣泛應用于各類溫度傳感器觸發器中。
形狀記憶合金另一種重要性質是偽彈性(pseudoelasticity,又稱超彈性,superelasticity),表現為在外力作用下,形狀記憶合金具有比一般金屬大的多的變形恢復能力,即加載過程中產生的大應變會隨著卸載而恢復 。這一性能在醫學和建筑減震以及日常生活方面得到了普遍應用。例如前面提到的人造骨骼、傷骨固定加壓器、牙科正畸器等。用形狀記憶合金制造的眼鏡架,可以承受比普通材料大得多的變形而不發生破壞(并不是應用形狀記憶效應,發生變形后再加熱而恢復)。
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