每個人理所當然的會（huì）記住各種有用的事情（qíng）。長相、名（míng）字、住址，名人麵孔、家（jiā）庭成（chéng）員生日，也（yě）許你還會說一兩種（zhǒng）外語。然而，人們驚奇的發現無生（shēng）命物體也能有一種記憶性。金（jīn）屬湯（tāng）匙中的原子幾（jǐ）乎一直（zhí）保持在同一個地方：一旦形成勺子（zǐ），永遠是勺子。你可以用鉗子把勺子掰（bāi）彎，它就變成麵部全非的金屬片。但是如果勺子（zǐ）用記（jì）憶（yì）合金做的，那勺（sháo）子形狀記（jì）憶不會消（xiāo）失。如果再次加熱，它會神奇地變成原來形狀！形狀記憶（yì）神奇材料最廣為人知（zhī）的應該是（shì）“堅不可摧的”眼鏡支架和胸罩內的金屬架，但是其實它們有著各種（zhǒng）各樣的神奇用途，尤其（qí）在醫學和航天領域。

彈性與塑性

 

如果知道（dào）一點材（cái）料學知識並知道當拉伸或擠壓材料，材料的應力應變情況，這將對理解（jiě）形狀記憶概念有所幫助。

像湯匙這樣的固體，除非施（shī）加應力，否則它一直保持著勺子（zǐ）形（xíng）狀。這毫不意外！因為本質上意味著“固體”。用一個足夠大（dà）的力，一個物體總是會改變形狀或變形；它具體變成什麽（me）樣取決於材料。某些材料是脆性（xìng）的（de），而且根本不會改變形狀。如果勺（sháo）子是玻璃或者（zhě）木頭製成的，彎曲的次數過（guò）多就會斷裂成碎片。

如果它是（shì）由厚橡（xiàng）膠製成（chéng）的，在（zài）拉伸或擠壓時會有微（wēi）小（xiǎo）變形（xíng），然而當（dāng）移走施加應力（lì）的瞬間，它就會恢複到原來形狀。這種（zhǒng）行為定（dìng）義為彈性：物體在外（wài）力作用下（xià）發生形（xíng）變，外力撤銷時則恢複到原來形（xíng）狀，我們說它是彈性的（de），並且完全可逆的拉伸過程（chéng）是彈性（xìng）變形。我們經常談論“彈性”，仿佛它是材（cái）料本身的屬性，但實際上彈性單指那（nà）些擁有彈性的（de）人工的、橡膠材料。甚至金屬（shǔ）也有彈性（xìng），隻要你不用力拉伸，特別是（shì）它們做成彈簧。

如果勺子是塑料的？意味著可以將至彎曲永（yǒng）久變形。當停止用力，勺子保持著（zhe）新形狀而不會回到原來的形狀。這種（zhǒng）行為定義為塑性，同時也可（kě）以解釋塑料的命名。塑料是（shì）由大分子（聚合（hé）物）製成的化學品，通常在（zài）製造過程中（或者之後（hòu））成形，因為分子鏈非（fēi）常容易滑移（yí）。通常，塑料在工廠中（zhōng）由熔融（róng）態，模具成型，然後冷卻使之硬化（huà）（凝固）。但是就像“彈性”一樣，塑性指的（de）是（shì）它的行為，而不是它的組成。在某種意（yì）義（yì）上來說，許多軟金屬是（shì）塑性的，因為可以來回彎曲而（ér）不會（huì）回到原來（lái）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（dìng）的工作。例如，設計一個噴氣式發動機，可以選擇非常輕（qīng）而且能夠耐高溫的堅固材料（liào）——鋁、鈦或者合金（jīn）。但是如果你想要做一個（gè）低溫下表現某種方式，但是加熱時表（biǎo）現卻不同的飛機零件呢？這種情況下，你可（kě）以使用形狀記憶合金，它（tā）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久的彎曲它們，它們很難回到原來的樣子。你必須（xū）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（yě）很難保證（zhèng）眼鏡框回到以前（qián）的樣子。而且如果來回彎曲次數太多，鏡框達到疲勞強度可能會永遠的斷裂。

形狀（zhuàng）記憶金屬與普通金屬表現不（bú）同。它們是強而輕、具有特殊性能的合金（通常混合兩種或更（gèng）多的金屬）。它們可（kě）以“編程”記住原來的形狀，所以如果彎曲或擠壓它們，可以通（tōng）過加熱使它們重（chóng）新恢複到原來形狀。這被稱為形狀記憶效應(既然加熱能（néng）使它改變，也可以稱之為熱形狀記（jì）憶效應)。某些形狀記憶金屬在熱的時候（hòu）記住一種形狀，但在冷卻時候記住另一種形（xíng）狀，所（suǒ）以冷卻時它（tā）們變成一（yī）種形狀，但加熱時它們“忘記”原來形狀，頸縮（suō）成一個不同的形狀。這被（bèi）稱為雙向形狀記憶效應。現（xiàn）在，假如可以做一種形（xíng）狀記憶體，即使彎曲和扭（niǔ）曲很多次（cì）即使沒有（yǒu）加熱，但仍然可以恢複成原來形狀（zhuàng）？這是形狀記憶的一個方麵叫作（zuò）偽彈性或超彈性，它適（shì）用於那些超級柔軟，幾乎堅不可摧的眼睛框，製（zhì）造商說它至少比鋼柔韌十倍！

雖然鎳（niè）鈦合金（又稱為（wéi）鎳-鈦，Ni-Ti）可（kě）能是最廣為人知的形（xíng）狀記憶合金，但是實際還有許多（duō）其他形狀記憶合金，包括銅鋅鋁合金，銅鋁（lǚ）鎳合金，鐵錳矽合金（jīn）；還有相當多其他種（zhǒng）類的（de）。你也（yě）能發現以（yǐ）品牌（pái）命名的形狀記憶合金例如FLEXINOL®和Muscle Wires®，這是由該公司特有（yǒu）的鎳鈦合金。

形狀記憶如何發揮作用（yòng）？

最（zuì）容易理解形狀（zhuàng）記憶的方式是記（jì）住（zhù）發生在（zài）材料內部（bù）（即原子和分子的（de）納米尺度）的（de）變化也許和外部看起來發生的完全不同。

拉伸橡皮圈，在它內部交聯和糾纏的橡膠大分（fèn）子鏈打開和分離。撤銷拉（lā）力，分子鏈重新聚集到一起，這就是彈性的工作（zuò）機理。形狀（zhuàng）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。不進行處理，它（tā）就會保持永久的彎曲形狀。然而（ér）對其加熱，晶體（tǐ）內部結（jié）構變成完全不同的形狀，推（tuī）動物體回到原來的形狀。超彈性是相似的（de），但（dàn）是你變形後使物體（tǐ）恢複到原來形狀（zhuàng）不需（xū）要溫度。如果彎曲了一（yī）對形狀記憶眼鏡（jìng）框，所施加（jiā）的應力使鈦合金變成完（wán）全不同的晶體結構；放開手後晶體結構恢複，眼鏡框回到原來的形狀。

形狀記憶和超彈性發（fā）生的（de）是固體材料內部結構在兩種不同（tóng）的晶體形式（shì）之間的（de）轉換，換句話說，它的分子（zǐ）以完全可（kě）逆方式（shì）重新排列。這就是固態相變，它聽起來（lái）比實際情況複雜。其（qí）實我們都習慣了（le）相變：你把（bǎ）冰塊放到飲料裏然（rán）後它融化了（le），你觀察到的就是相變。隨著冰塊融化，其（qí）分子從（cóng）緊密堆積結（jié）構轉變成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（yè）體水）。發生在固態相變中的大致（zhì）相（xiàng）似的事情是材料在轉（zhuǎn）變（biàn）前和後都（dōu）是（shì）固體，因為在整個過程中所有分子之間保持的非常（cháng）近。

形狀記憶合金在奧氏體和（hé）馬（mǎ）氏體兩種結晶態之（zhī）間轉變。在低溫時，它（tā）們呈（chéng）現相對柔軟、塑性（xìng）和容易成形的馬（mǎ）氏體；在（相對（duì））高溫時（shí），它們（men）變（biàn）成更硬和更難（nán）以變形的奧（ào）氏體。假設（shè）你有一（yī）個形狀記憶電線，你可以相對容易地把它變成新的形狀（zhuàng）。它的內部是馬氏體，這就是它容易變（biàn）形的原因。無論你怎麽（me）彎（wān）曲電線，它都保（bǎo）持新的形狀；就像任何普通的電線，它看起來像在進行普（pǔ）通的塑性形變。見證奇跡的時刻！對電線微微加熱（高於相變溫度），其內部（bù）變成奧（ào）氏體，在熱（rè）能作用下內部原子重新（xīn）排列然（rán）後電線恢複到原來形狀。冷卻下（xià）來，電（diàn）線重（chóng）新恢複成馬氏體，仍然恢複成原來形狀。如果整個過程中材料的溫度高（gāo）於（yú）相變溫度，你可以使其變形，但是當你釋放你施（shī）加的（de）應力，它立刻恢複到原來的形狀。

形狀記憶令人驚奇也可能使人困惑的是（shì）奧（ào）氏體和馬氏體之間的轉換不是“對稱”的。你可以取一條“編程”的形狀記（jì）憶電線（有明顯易記的形狀），然後（hòu）可以用不同的方式去（qù）彎曲它。但是當你加熱你（nǐ）剛剛隨意彎曲的電線，它總（zǒng）是回到一條單一、明顯的形狀。我們可以這（zhè）樣理解這一點，材料在馬氏體狀態下可以愉快地變成任何晶體形式。但是當它在奧氏體時，它（tā）隻有一種（zhǒng）晶（jīng）體形式。這（zhè）也是最穩定的狀態（tài），也即最低能量狀態。

當施加應力（壓力（lì））而不是加熱時，超彈性和形狀記憶表現相似。通常，組成合金的是奧氏體的韌性形式。假設對形狀記憶眼鏡施加（jiā）應力（就是彎曲（qǔ）它們），奧氏體轉換成馬氏體後非常容易變形。放開鏡框後（hòu）馬氏（shì）體變回了奧氏（shì）體，所以眼（yǎn）鏡回到最原始的形狀。

形狀記憶（yì）合金用途？

Arne Olander在上世紀30年代發現金-鎘合（hé）金中存在形狀記憶效應，但（dàn）是在（zài）上世紀（jì）60年代（dài）美國海軍軍械實驗室開發出鈦鎳合金之後，形狀記憶合（hé）金（也叫作SMAs，金屬肌肉，記憶金屬，智能金屬）開始真正推廣使用。幾十年後，形狀記憶金屬已經是（shì）所有醫學和健康相關（guān）設備領域最平常的選擇，包括從（cóng）牙（yá）科植入物到外科工具，從胸（xiōng）罩內線到（dào）眼鏡（jìng）框（以Flexon品牌出售）。與塑料（liào）、金屬（shǔ）或傳統合金不同，形狀記憶合金兼具堅（jiān）固和柔韌的優點，易於消毒並耐（nài）腐蝕（shí）。由（yóu）於輕（qīng）質、堅韌並能在高溫（wēn）下工作的特性，形狀記（jì）憶合金也廣泛應用於航空航天部件，例如（rú）火箭和空（kōng）間探（tàn）測器。

形狀記憶合金在機器人領域應用（yòng）快速增長。有時人們需要設計特（tè）殊（shū）用途的機器人到傳統機器人無法到達的（de）地方：可能需要（yào）在十（shí）分堅實的火箭上炸出孔洞，或者需要在（zài）門口悄悄的監視罪犯。考慮到這些，工程師（shī）們開始設計由形狀記憶合金（jīn）製成的（de）自（zì）動展開（kāi）機器人。它們（men）開（kāi）始時折疊在一起（qǐ），當他（tā）們（men）需要被激活時，電流通過機器人形狀記憶的部件，加（jiā）熱它們至回到“預編程”的穩定不變機器人形狀。

形狀（zhuàng）記憶聚合物

 

形狀記憶合金聽起來高大（dà）上，但是它們也有缺點：形狀記憶合金比普（pǔ）通不鏽鋼更易達到疲勞強度（多次重複變形後斷裂），而且比傳統的鋼或鋁合金的製造成（chéng）本更高。上世紀90年代，材料學家開始開發與形狀記（jì）憶（yì）合金相似且具有形狀記憶效應的形狀記憶（yì）聚合物（SMPs）。正如（rú）普（pǔ）通塑料改變了世（shì）界，形狀記憶聚合物很可能在未來幾年拓寬它的（de）應用領域，因為SMPs比金屬（shǔ）基合金更輕、更便宜（yí）和更柔韌。和SMPs最密切相關的是SCPs（形狀改變聚合（hé）物），當它們受熱（或以其他（tā）方式被能量刺激），其逐漸改（gǎi）變形狀；然而當冷卻的時（shí）候，其恢複形狀。雖然自（zì）愈合材料（一種損傷後自我治愈的材料）也可以在多種不同（tóng）的方式下工作，它們與SMPs非常相似。例如，可以設想一下，一個塑料機身可以吸收（shōu）射入的子（zǐ）彈的動能後轉換成內能，並用內能激活形狀記憶效應使聚合物恢複（fù）到原來形（xíng）狀，迅速愈合（hé）和密封（fēng）。