形狀記憶合金

形狀記憶合金（英語：Shape Memory Alloys，SMA），簡稱記形合金，是一種在加熱升溫後能完全消除其在較低的溫度下發生的變形，恢復其變形前原始形狀的合金材料。除上述形狀記憶效應外，這種合金的另一個獨特性質是在高溫（奧氏體狀態）下發生的「偽彈性」（又稱「超彈性」，英語：pseudoelasticity）行為，表現為這種合金能承載比一般金屬大幾倍甚至幾十倍的可恢復應變。形狀記憶合金的這些獨特性質源於其內部發生的一種獨特的固態相變——熱彈性馬氏體相變。

功能機理

形狀記憶合金是一種能夠記憶原有形狀的智慧型材料。當合金在低於相變態溫度下，受到一有限度的塑性變形後，可由加熱的方式使其恢復到變形前的原始形狀，這種特殊的現象稱為形狀記憶效應（Shape Memory Effect，簡稱SME）。而當合金在高於相變態溫度下，施以一應力使其受到有限度的塑性變形（非線性彈性變形）後，可利用直接釋放應力的方式使其恢復到變形前的原始形狀，此種特殊的現象又稱為擬彈性（Pseudo Elasticity，簡稱PE）或超彈性（Super Elasticity）。形狀記憶合金所擁有的這兩種獨特性質是在普通金屬或合金材料上無法發現的。

發展歷史

最早關於形狀記憶效應的報道是由Chang及Read等人在1952年作出的。他們觀察到Au-Cd合金中相變的可逆性。後來在Cu-Zn合金中也發現了同樣的現象，但當時並未引起人們的廣泛注意。直到1962年，Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中觀察到具有宏觀形狀變化的記憶效應，才引起了材料科學界與工業界的重視。到70年代初，CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也發現了與馬氏體相變有關的形狀記憶效應。幾十年來，有關形狀記憶合金的研究已逐漸成為國際相變會議和材料會議的重要議題，並為此召開了多次專題討論會，不斷豐富和完善了馬氏體相變理論。在理論研究不斷深入的同時，形狀記憶合金的應用研究也取得了長足進步，其應用範圍涉及機械、電子、化工、航太、能源和醫療等許多領域。

分類

形狀記憶合金的記憶效應可以分為下列三種：

1. 單程記憶效應（1-way）：

   形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱後可恢復變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現象稱為單程記憶效應。

2. 雙程記憶效應（2-way）：

   某些合金加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時又能恢復低溫相形狀，稱為雙程記憶效應。

3. 全程記憶效應：

   加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時變為形狀相同而取向相反的低溫相形狀，稱為全程記憶效應。

應用

形狀記憶合金的應用早期只在牙箍或飛機之套筒接頭。從2000年代開始，這種合金開始在鋼絲胸罩裡應用，使胸罩內之合金「鋼絲」在接觸到體溫後，可以回復至原來胸部的體形；另一個較常用的地方是金屬眼鏡框，特別是讓在學青少年使用的，好讓他們在眼鏡經過碰撞後，只要浸泡在暖水裡就可以回復原狀，以免影響視力。以下詳列記憶金屬在各行業內的應用。

工業

用於溫度自動調節器和報警器的控制元件、記錄筆的驅動裝置、電路連接器、各種熱敏元件和接線柱等。

航空

波音公司、奇異飛機發動機公司、古德里奇公司、美國國家航空航天局及全日本航空公司共同開發出 可變幾何雪佛龍，利用形狀記憶合金，降低了飛機發動機發出的噪音，並成功於波音777-300ER上應用^[1]。

管道

形狀記憶合金首次在消費品/商業上的應用，是用作管道鋪設時的形狀記憶耦合，例如：在石油管線、水管和其他類似的管道。管道的連接端會用液態氮來冷卻，使其收縮至更細小的形狀；待兩端接合後，再加熱令其回復原狀，使兩端緊貼在一起不能分開。

發電

形狀記憶合金的概念在近期內已經開始被科學家嘗試使用於發電上[可再生能源] , 其中心理論的基礎參考記憶合金遇熱回復原狀的原理,以溫度高低的轉換,來刺激記憶金屬的形狀產生變化,最終利用其變化時所產生的動力來轉動馬達並造成電磁效應產生電力。

至今為止發現的記憶合金體系

Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、Ni-Al、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。

相關連結

• 《十萬個為什麼》

參考資料

1. http://pdf.aiaa.org/preview/CDReadyMSDM06_1172/PV2006_2142.pdf^{[永久失效連結]}