溫度+壓力 改變合金結構 記憶物料任扭「神還原」

文章日期:2020年08月04日

【明報專訊】每個人都有記憶,但如果說金屬也有「記憶」,或許讓人感到不可思議。市售的記憶金屬眼鏡,採用「形狀記憶合金」物料製成,儘管將其折彎扭曲,也可恢復原來形狀,無損眼鏡結構。金屬以外,一些聚合物亦有「記憶」功能,製造衣物可防皺防縮水,或兼具保暖及排汗功能,記憶物料為何如此神奇?

一種材料擁有「記憶」,意思是它會「記着」自己的形狀,無論被扭曲成什麼樣子,只要在特定溫度或壓力釋放等條件下,均可以恢復原狀。

香港城市大學材料科學及工程學系副教授鍾志源,研究記憶材料多年。他表示,記憶材料有3大類,包括「形狀記憶合金」(Shape Memory Alloy,SMA)、「形狀記憶聚合物」(Shape Memory Polymer,SMP)和「形狀記憶混合物」(Shape Memory Hybrid,SMH),當中以形狀記憶合金的記憶特性最早被人類發現。

鎳鈦合金 靈活耐用多用途

合金是指由2種或以上金屬所組成,但並非所有合金都具備記憶功能,已發現擁有記憶功能的合金,包括金鎘合金、銅鋅合金、鎳鈦合金等,但論穩定、耐用及靈活度,鎳鈦(Ni-Ti)合金較佳,鍾志源說:「鎳鈦合金能承受很大的拉力和壓力,並可藉着調校鎳及鈦比例來調節回復原狀的溫度,而且抗腐蝕功能比不鏽鋼更好,因此被廣泛應用,製作成不同類型產品,如控溫水龍頭、眼鏡框、牙齒矯形絲及血管擴張器等。」

金屬具「記憶」能力,原因與合金晶體結構改變有關,它在特定溫度以上或以下,呈現了兩種晶體結構。例如長條狀的形狀記憶合金,在低於相變溫度時,合金內的晶體呈柔軟傾斜狀(馬氏體晶體結構,Martensite),因此可以把它扭曲變形。但只要將其加熱,例如用熱水浸或火燒,合金內的晶體變回對稱及堅固的立方狀(奧氏體晶體結構,Austenite),合金會如魔術般回復原先的直條狀,以上現象稱為形狀記憶效應(shape memory effect)。

超彈性 輕微拉長無損結構

除了「記憶效應」,形狀記憶合金還有一個被稱為「超彈性」(superelastic)的特質,就是在略高於相變溫度下對它施力扭曲,甚至輕微拉長1%至8%亦不會破壞物料結構,只要把壓力(或拉力)放開,便瞬間回彈成原始形狀,背後原理同樣與馬氏及奧氏晶體結構轉換有關(詳見圖一)。

■專家意見

鍾志源(城大材料科學及工程學系副教授)

葉曉雲(理大紡織及服裝學系副教授)

文:李佩雯

編輯:林曉慧

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