“灵气”的智能材料

“灵气”的智能材料

人类历史的发展，与材料、工具的改进是密不可分的。从石器时代、铜器时代、铁器时代到如今，随着科学技术的不断发展，又出现了许多性能奇异的新型材料，其中智能材料就是最引人注目的材料之一。智能材料是指能感知外界环境或内部状态所发生的变化，并且能通过自身的或外界的某种反馈机制，适时地将材料的一种或多种性质改变，作出某种响应的材料。

形状记忆合金是智能材料中的一种，据说是美国海军研究所在一次制作镍－钛合金丝的试验中偶然发现的。镍－钛合金丝的初始形状如卷曲的线团，在试验中必须将它们一根根地拉直才可使用。但当温度升到一定值时，奇怪的现象出现了，这些被拉直的细丝，突然又恢复到原来卷曲的状态，其形状与当初一模一样。反复多次试验，结果均一样。这一发现引起了科学家们的极大兴趣，他们对这种现象进行深入和反复的研究，发现很多合金都具有这一特性。即人们可以根据需要，在一定温度范围内任意改变它们的形状，可是到达某一特定温度时，它们便一个个自动地恢复自己的原貌，分毫不差。即使这种“改变一恢复”的过程重复500万次，仍然“记忆”能力不减，可以100%的恢复它们的原状。不久，这一具有“形状记忆”效应的智能材料就被应用于1969年7月美国科学家登月的世界壮举之中。

当1969年7月20日美国登月飞船“阿波罗”Ⅱ号到达380000千米以外的月球之后，月球与地球之间的信息沟通是依赖于一个直径数米的半球形的天线来完成的。人们在电视屏幕上看着这个直径数米的庞然大物，可心里在纳闷：如此大的天线怎么能装进比它更小的登月舱里送上太空呢？原来奥秘在于半球形天线是采用一种智能材料——NiTi记忆合金制成的。在宇宙飞船发射之前，在室温条件下，用极薄的NiTi记忆合金丝制作正常大小的抛物凸状天线，然后降低温度，把经过形状记忆处理的NiTi抛物凸状天线折成直径小于5厘米的球状放入飞船。飞船进入太空后，通过加热或利用太阳能使合金丝升温，当温度升高至一定温度后，被折叠成球状的合金丝团就自动打开。成为原先定形的抛物凸状天线。

为什么NiTi类合金具有形状记忆能力？这是由于在几种不同金属混合而成的合金中，金属原子按一定的方式排列起来，当受到一定的外力时，它们可以离开原来的位置而“迁居”到邻近的另一个地方。这种原子的迁居不是一个个地进行，而是一定范围内的原子集体位移，俗称军队式相变。原子迁居的过程，也就是金属在外力作用下发生形状改变的过程。当我们对材料加温，原子获得一定的能量，又从暂住地迁回原地。这就是有灵性的金属加热到一定温度后又“记起”自己模样而恢复原状的过程。而这个“唤醒”形状记忆合金并使它们发生改变的温度叫“转变温度”。不同的形状记忆合金有不同的转变温度。各种形状记忆合金在转变温度以上时晶体结构是稳定的，当低于此温度时，用外力改变合金的形状，合金的外形发生了变化。但此时合金的晶体结构处于一种不稳定的结构状况，只要温度一达到合金材料的转变温度，这种不稳定的晶体结构就会立即转变成稳定结构，这样就使得它们从不稳定结构时被改变的形状恢复成原来稳定结构的形状，这就是形状记忆合金做成的物体能够“回忆”起原来形状并发生变化的原因。经过科学家们的多年努力，目前已经开发出一系列形状记忆的智能新产品，主要有镍－钛系、铜系和铁系。这些新材料在高科技工程、自动控制等方面大显身手，发挥了重要作用。例如，用形状记忆合金制备管子的接头和紧固件有着传统方法不可比拟的优越性。先用形状记忆合金加工成内径比连接管外径小4%的套管，然后在液氮温度下，将套管内径扩大约8%，将套管从液氮中取出，套入欲连接的两管子的一端，当温度升至常温时，套管收缩成紧固的密封件，这种装备施工的连接方法不仅方便、快捷，而且密封程度极高。在技术上，远胜过一般的焊接。在飞机复合材料的机翼蒙皮、水平舵、垂尾及机身的重要区域埋人光纤传感阵列，与外接信号处理系统、控制执行系统及计算机系统相连接，构成遍布全身的神经系统，形成所谓的“智能飞机”。这样的智能飞机的机翼可以像鱼尾一样弯曲，自动改变形状，从而改进升力或阻力。若在战斗过程中，智能飞机可根据敌方雷达波的频率和方向来改变自身的形状和吸波能力，从而达到隐身的目的。在飞行结束后，智能飞机将飞行过程中各种损伤等信息存储在计算机内，供给地面维护人员作为维护及保养飞机的参考资料。具有自我调节功能的汽车悬架可以自动识别路面的变化，并相应改进自身的刚度，使乘客感到舒适。在钢筋混凝土中埋入光纤传感器，可对高层建筑及大坝的温度、压力裂纹应变进行主动监测和控制。若与通用光纤网相连，可实现大楼的管理自动化，管理与监测建筑物内包括空调、照明、电器、电梯、安全通道、防盗、火警等各种服务设施与设备，形成智能大厦。

此外，智能材料还在人体脊柱矫形棒、人工关节等医学生化领域获得应用。现在科学家正在研制具有自适应性并能响应环境条件变化的薄膜，它可以通过控制释放乙烯气来适当控制蔬菜及水果的熟化，并在包装的窗口显示出什么时候是最佳的食用时间，使用后它在较短的时间内自己溶解消亡，溶入环境，不会造成污染。

随着智能材料的不断发展，其材料已不仅仅局限于金属和合金，其“灵气”越来越多地发现于陶瓷、高分子材料和复合材料之中。智能材料更广泛地应用在医疗、民用建筑、电子、机械、航空航天、日常生活等领域中，前景十分乐观。