记忆金属的用途

吕雪萱

某些金属和合金在变形之后还“记得”它们在变形前的形状，一旦遇热就会恢复原形。按照通常的金属慨念，这简直是不可思议的，但是，长期的实验研究表明，这种金属是确实存在的。

在这类金属中，只消除外力就能恢复原状的叫做赝弹性。消除外力后再加热才能恢复原状的现象叫做“形状记忆效应”。这种效应的机理是由金属的晶格结构的变化过程和马氏体（纯金属或合金从某一固相转变为另一固相时的产物）的性质决定的。

科学家们把具有形状记忆效应的金属称之为“记忆形状的金属”或“记忆金属”。专家们已经找到了一些“记忆力”相当好的金属，镍钛合金。这种金属在遇热时变成一种样子，遇冷时则变成另一种样子。在这种情况下，如果让记忆金属往返于某一个温度差之间，就可以利用其变形、恢复，又变形、又恢复的力去作功。这种现象对于发明家们来说已经成了一个产生新思路的丰富源泉——利用“记忆金属”作动力部件的装置正在一个接一个地出现。

首先让我们以作垂直运动的气锤为例。这种机械很笨重，咚咚声震耳欲聋，噪声的级数不亚于机关炮。但是自从前苏联科学家于1978年用记忆合金带换掉其中的气动装置以后，情况就完全不同了。他们的办法是：先将这种记忆金属带加热到400℃，弯成拉丁字母“C”的形状，然后放入闭模中，让它在逐渐冷却的同时向相反的方向弯曲。记忆合金带“记住”了这一整个过程由于工程师把它的一端固定在气锤外壳的上部，而把锤头固定在它的另一端，所以在交替加热和冷却的情况下，记忆合金带就会反复弯曲和翻转，猛烈地抛掷锤头。在气锤外壳的内壁上交叉地安装着电触头和冷却器。电触头能将记忆合金带加热到60℃，而冷却器则能使它变凉，返回原来的位置，以便重新接近电触头。根据发明家们的计算，按照这种方法制造的气锤消耗能量少，噪声小，操作工人的手也不会受到震动。

后来，专家们又对这一装置作了进一步完善，赋予锤头以旋转运动。他们用一束由记忆合金制造的棒桿组装成一个双曲面旋转体作为动力装置，替下了记忆合金带。电流与棒杆的端面接通之后，棒杆即从右向左剧烈地翻转——使锤头旋转着向下落去。然后，棒杆触及冷却器，再返回原来的位置。

后来，俄罗斯人又发明了一种新型起重机，它的动力装置由两个具有“形状记忆效应”的环形合金板条组成，固定在导向杆上。在上面合金板条上安装着一个联结杆。当处于非工作状态时，环形板条是扁平的，但是只要往机体内注入热水，它们就会“回忆起”原来的形状而弯成弓形，举起带有重物的联结杆。而注入凉水之后，环形板条就又恢复扁平状态。这种起重机简单可靠，不需要复杂的机械或液压传动装置。

现在要谈的是一个首先使桥梁建设者们感兴趣的问题。我们知道，在把一排排桥桩打入泥土中，固定在一定的深度之后，总会出现参差不齐的现象，这时，不得不将那些撅得老高的多余部分截去。通常要完成这一工作是相当费力的。现在可以把一个用对温度非常敏感的材料制成的“金箍”套在需要断开的地方，然后念起“咒语”，也就是通上电流，“金箍”通电受热后就好像“记起”了原来的形状，开始收缩，直至将桩尾截断为止。

还可以把这种强劲而执拗的力用在金属加工上。现在介绍一种将普通管子压制成波形管的装置。它的主要构件是一个可以拆卸的、带波形沟槽的阴模，装入阴模内的是用记忆合金制成的阳模。被加工的管子从橡皮垫和阴模之间穿入。给安装在阳模里面的电热线圈通上电流之后，阳模开始缩短，向阴模方向压迫橡皮垫，橡皮垫压迫管壁，管壁落入沟槽，于是管子变为波形。切断电流，阳模冷却，恢复原状，管子自动向前移动。上述加工过程重复进行，直至整个管子变为波形管为止。

后来有人用记忆金属制成这种波形管作为伸缩器来固定机床上的零件。在它的上端装上加热器，把它的另一端封闭起来，然后固定在一个支架上。把要加工的零件放进去，通上电流。这时，伸缩器的右边在加热后逐渐收缩，用波形沟槽卡住被加工的产品。伸缩器的左边却伸张开来，里面形成一个真空，牢牢地稳住机床上的零件。切断电流，伸缩器恢复原状，放开被加工的产品。

如果将数个这样的伸缩器分别安装在几个由弹性钢片组装起来的腔室里，可以制成一种搬运装置。这种装置可以将空气吸进腔室，也可以从中排出，因而可以吸住或放开重物，成批地抓取并运走机器零件。

我们知道，许多生产过程需要随时通过软管供应需要的液体，这种液体浓度大，流动缓慢，因此在这种系统中经常使用一种蠕动泵，来轮番压缩和放松管壁，以便在管内形成流动渡波，加速液体的运动。现在可以用一种记忆金属环来充当这种泵的传动装置。在周期加热和冷却的情况下，金属环的变形将使管壁作相应的收缩和放松，在管内形成较大的流动波。

如果想把几条金属管连接成一条“长龙”，少不了要扩大管口，要做到这一点，通常得动用复杂而庞大的液压、气动或电力装置。但是如果拿来具有形状记忆效应的棒状扩管器，那就简单多了。这种扩管器由一种多孔物质和压缩在一起的记忆金属屑制成。使用时，将它放入管口，然后沿着与它相连的水龙带通过多孔物质灌进热水。在这种情况下，扩管器增大10%～ 15%，管口被扩开，这时只要用冷风一吹，就可以很容易把它取出来。

为了将大直径的管子连接起来，美国人制作了一种有“开襟”的记忆环形套。这种环形套的内直径小于被连接钢管的外直径。在使用时，先把它放入液氮中浸一下使它张开，套到两条管子的对接端。然后，只要恢复到常温状态，这种有“开襟”的环套就会紧紧地闭合起来，变成一个牢固的接头。

众所周知，在高温条件下工作的热交换器的内壁免不了被一层水锈复盖，而要清除这种沉垢却非易事。因此，根据发明家们的建议，不少厂家开始在热交换器的结构中使用一种由记忆金属制造的、内壁相当粗糙的管子。需要清除水垢时，只要让它冷却到40℃，粗糙的内壁就会变得十分平滑，使水垢无法继续附着在上面。当然，温度一升高，管子的内壁就会恢复原状，变得相当粗糙。应当说明一点，这种粗糙的内璧能够大大加强而不是降低热交换的效果。

在许多液体产品的生产过程中，几乎离不开“搅拌”。为此，前苏联科学家于1983年发明了一种灵敏的搅拌装置，巧妙地使用了形状记忆效应。其主要部分是一个由记忆金属制成的带形构件，它的表面涂有一层电介质，为的是与溶液绝缘。在有电流通过时，这个带形结构就会上下振动起来，使固定在它上面的圆盘搅拌器也产生同样的动作。

为了筛选颗粒材料，很久以前，人们就学会了用金属丝制作各种各样的筛子或过滤器。遗憾的是，这些工具的工作质量随着时间的推移会逐渐降低，最后连大块的材料也能漏下去，原因是金属丝的拉力愈来愈弱。如果使用记忆金属丝，就可以避免这一点。先在正常温度下将这种金属丝拉长，安装在框架中，加热到60℃，使之缩短、绷紧，这样筛子的工作质量就能大大提高。

冬天，落在输电线路上的雨雪会变成一层厚厚的冰凌，沉甸甸的，有时能把电线坠断。为此，有人用记忆合金制造了一种弹簧式热补偿器，借助绝缘体固定在悬吊器两边的电线上。在电线结冰时，可将一种便移式装置推到电线柱跟前，给热补偿器“送去”电流，热补偿器变热后即刻像手风琴的风箱一样开始伸缩，牵动电线，将冰雪抖掉。

对于裁缝来说，纫针是件麻烦事，要把细细的一根线穿进小小的针眼，往往要花费不少时间。为了解决这个问题，专家们研制出一种“魔针”。这种用记忆金属制成的针的针眼曾经在500℃温度下被扩大，冷却后又变成与普通针完全相同的大小。在纫针前，只要稍微加温，让针眼接触一下普通的电灯泡，它就会增大许多倍，以至连眼神不好的裁缝也能一下子把线穿进去。

目前，“记忆金属”的用途正在不断地扩大。