・５６・ 科学教育Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ ２００７年第６期（第１３卷）
神奇的形状记忆合金
刘方雨 王井明 （江苏省灌南高级中学２２２５００）
摘要二十一世纪将是材料——电子一体化的世纪。作为新型功能材料家庭中的重要成员，形状记忆合金在工程 机械和日常生活中得到了广泛的应用。由形状记忆合金构成的结构简单、控制灵活、功率密度大的各类记忆合金驱动
器，在轻型机器人及小型化系统中具有独特的技术优势。本文简述了该功能材料的发现、分类及其在工业、医学等领 域的应用。 ‘ 关键词形状记忆合金形状记忆效应功能材料
１９６９年７月２０日，乘坐“阿波罗”１１号登月舱的
美国宇航员阿姆斯朗在月球上踏下的第一个人类的脚
印，这位勇士从月宫里传回了富于哲理的声音：“对一
个人来说，这是一小步，但对人类来说，这是跨了一大
步”。那么宇航员的形象和声音是怎么从月球上返回
来的呢？宇航员登月后，在月球上放置了一个半球形
的天线，月、地之间的信息就是通过它传输过来的。不
过，有人可能纳闷：天线可是一个直径数米的庞然大
物，怎么能够装在小小的登月舱送上太空呢？原来，奥
秘在于：半球形天线是用当时刚刚发明不久的形状记
忆合金制成的。
那么什么是形状记忆合金（ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ）呢？
一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形，达
到屈服点，就产生塑性变形，应力消除后留下永久变
形。但有些材料，在发生了塑性变形后，经过合适的热
过程，能够回复到变形前的形状，这种现象叫做形状记
忆效应（ＳＭＥ）。具有形状记忆效应的金属一般是两种
以上金属元素组成的合金，称为形状记忆合金（ＳＭＡ）。
１形状记忆合金的发现
许多重大的发现都源自于偶然事件。１９６１年，美
国海军研究所的一个研究小组，花了不少精力将－－￣ｔＬ
使用不便的乱如麻丝的镍钛（Ｎｉ—Ｔｉ）合金丝一根根地
拉直，并用在试验中。元意中发现，当温度升到一定值
形状记忆合金的定义
《形状记忆合金：神奇的“变形金刚”》
嘿，大家好呀！今天咱们来聊聊一个超级有意思的东西——形状记忆合金！这玩意儿可神奇啦，就像是现实生活中的“变形金刚”。
啥是形状记忆合金呢？简单点儿来讲，就是一种能记住自己原来形状的金属。你想想，一块金属居然能有记忆，这多牛啊！它就好像有自己的小脾气、小性格似的。
我第一次听说这玩意儿的时候，那是相当惊奇啊！我就琢磨着，这金属还能这么玩呢？感觉就像是科幻电影里的东西跑到现实里来了。平常咱们看到的金属，那就是硬邦邦的，给它弄弯了、变形了，它才不会自己变回去呢。可这形状记忆合金不一样，你给它来点特殊待遇，比如加热一下或者用电流刺激它，嘿，它就能像个魔术似的回到它原来的形状。
有一次，我看到一个视频，是用形状记忆合金做的一个小玩具。那小玩具本来是个扭曲的形状，结果放到热水里泡了一会儿，哇塞，眼看着它就自己舒展开来，变成了一个漂亮的形状。当时我就想，这要是做成个啥小工艺品，那得有多好玩啊！比如弄个会自己变形的小花朵，平时是花苞状态，一加热就绽放开来，多有意思啊！
这形状记忆合金啊，不仅好玩，在很多实际应用中也大显身手呢！比如说医学领域，有那种用它做的医疗器械，可以在人体内变形发挥作用。还有航空航天领域，用它来制造一些特殊的部件，能在极端环境下依然保持良好的性能。
我有时候就想，如果我全身都装上形状记忆合金，那我不就成了超级英雄了吗？想飞的时候翅膀就展开，想游泳的时候脚就变成蹼，哈哈，那可太酷啦！当然啦，这只是我的胡思乱想，不过这也说明形状记忆合金真的给了我们很多想象的空间。
总之呢，这形状记忆合金就是个神奇的存在。它让我们看到了金属也可以有如此特别的性质，给我们的生活带来了很多的惊喜和可能性。我对它是越来越感兴趣啦，真期待未来它还能给我们带来哪些新奇有趣的东西呢！怎么样，你们是不是也被这神奇的“变形金刚”给吸引住啦？
形状记忆合⾦在航空航天上的应⽤
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有⼀种智能⾦属材料可以不通过外⼒，甚⾄不通过接触就可以产⽣变形。这种⾦属材料叫做形状记忆合⾦，它是通过改变环境
温度⽽产⽣变形的。形状记忆合⾦⼴泛应⽤于驱动控制系统，可以通过控制环境温度场来驱动材料⾏为。它具有⾼功率重量
⽐，集传感、控制、换能、制动于⼀⾝，结构简单，易于控制等优点，有着传统驱动器不可⽐拟的性能优点。应⽤于航空航天
领域的材料，要适应各种极端苛刻的条件，需要在特殊的环境下操作，并且要达到轻质量、⼩体积等要求。形状记忆合⾦可以
说是随着世界航空航天技术的发展⽽逐渐成熟起来的，有着不可替代的重要地位。
1?形状记忆合⾦的⾏为原理
想要了解形状记忆合⾦如此神奇的原因，⾸先要理解固态相变。⽔降温变成冰，冰升温变成⽔，这是⼈们熟悉的固液两态转
变。⽽对于⾦属来说，除了可以发⽣固液两态的转变，在它固态的状态下，依然可以发⽣从⼀种固态到另⼀种固态的转变。每
⼀种固态叫做⼀种固相，这种转变就是固态相变。固态相变依然⼤都是由温度诱发的，可以理解为在⾦属的整个固态温度区
间，⼜分为⼏个不同固相温度。
形状记忆合⾦在低温情况下，会形成独特的热弹性马⽒体，这就是形状记忆合⾦神奇的原因。我们做个试验：将普通⾦属和形
状记忆合⾦在⾼温母相状态下都加⼯成特定形状，然后降温使母相全部转变为马⽒体相（普通⾦属只能形成⼀般马⽒体相），
施加外⼒将两种材料变形，最后升温。会发现普通⾦属的变形毫⽆变化，⽽形状记忆合⾦随着温度的升⾼逐渐恢复母相时的初
始形状。这就是因为在低温时，形状记忆合⾦中热弹性马⽒体的形变是⼀种遵循特殊规律的形变，宏观的形变过程并没有使热
弹性马⽒体发⽣永久的变形，它只是改变了形态，并且这种形态可以通过升温完全可逆地恢复。这就是形状记忆效应。
⽽形状记忆合⾦的超弹性效应也完全源于热弹性马⽒体。在⾼温母相状态下，温度不变，对形状记忆合⾦进⾏拉伸。⼀般⾦属
在超过某个⼒后会产⽣永久变形，⽽形状记忆合⾦在受⼒时，会引发母相到热弹性马⽒体相的转变（这说明有些特殊的固态相
1 浅谈形状记忆合金
传统观念认为，只有人和某些动物才有“记忆”的能力，非生物是不可能有
这种能力的。难道合金也会像人一样具有记忆能力吗？答案是肯定的，形状记忆
合金就是这样一类具有神奇“记忆”本领的新型功能材料。
形状记忆效应是指具有一定形状的固体材料,在某种条件下经过一定的塑性变形后,加热到一定温度时,材料又完全恢复到变形前原来形状的现象，即它能记
忆母相的形状。具有形状记忆效应的金属一般是两种以上金属元素的合金，这样的合金成为形状记忆合金。其主要技术指标如下：机械性能：拉伸强度：700
－900Mpa（热处理） 延伸率：15－30%形状记忆功能：单程（N=1）6－10%，双
程（N=10-107）0.5-5%物理性能：密度：约6.5g/cm3.热膨胀系数：10-106/℃.
熔点：约1300℃，导弹率：0.209W/cm℃（室温）. 比热：6-8Cal/mol℃ 电阻
率：(50－110) ×10-6chm.cm。那么形状记忆合金是如何被发现，原理是什么，有哪些具体的应用，又经历了怎样的发展呢？在接下来的文字中你将找到答案。
1963年，美国海军军械研究室在一项试验中需要一些镍钛合金丝，他们领回来的合金丝都是弯弯曲曲的。为了使用方便，于是就将这些弯弯曲曲的细丝一
根根地拉直后使用。在后续试验中一种奇怪的现象出现了：当温度升到一定值的
时候，这些已经被拉得笔直的合金丝，突然又魔术般地迅速恢复到原来弯弯曲曲
的形状，而且和原来的形状丝毫不差。再反复多次试验，每次结果都完全一致，
被拉直的合金丝只要达到一定温度，便立即恢复到原来那种弯弯曲曲的模样。就好像在从前被“冻”得失去知觉时被人们改变了形状，而当温度升高到一定值的
时候，它们突然“苏醒”过来了，又“记忆”起了自己原来的模样，于是便不顾
一切地恢复了自己的“本来面目”。
形状记忆合金可以分为三类：单程记忆合金、双程记忆合金、全程记忆合金。如图1所示，形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，
