所謂的智能材料是指其特性能夠隨著環(huán)境的改變而以一種可控的方式發(fā)生變化的材料，它們能夠?qū)⒁环N能量轉(zhuǎn)化為另一種能量。這為人們利用智能材料完成傳感器和執(zhí)行器的復(fù)雜功能（有時是同時完成幾種功能）開辟了新的途徑。
熱活化材料：完全記憶材料
有些材料在變形后一經(jīng)加熱仍然能夠恢復(fù)回原來的形狀。這些材料被稱為形狀記憶材料。合金早在20世紀(jì)30 年代便已為人們所認(rèn)識，后來人們發(fā)現(xiàn)它的特性與形狀記憶現(xiàn)象有著直接的聯(lián)系[2]。然而，這一現(xiàn)象的技術(shù)應(yīng)用直到近三十年后才開始[3]。1958年初，在美國馬里蘭州White Oak海軍兵器實驗室（NOL）工作的冶金學(xué)家William J Buehler開始著手于各種合金在潛艇火箭彈頭上的實驗應(yīng)用研究。他發(fā)現(xiàn)鎳鈦合金的抗沖擊性能最為出色，同時該合金還具備其他一些優(yōu)異的特性，如彈性、延展性和抗疲勞性。Buehler將該合金命名為Nitinol，該名稱是將鎳和鈦的化學(xué)符號以及該實驗室名稱縮寫組
合而成。
首次發(fā)現(xiàn)鎳鈦合金不同尋常的特性是在1959年，當(dāng)時Buehler發(fā)現(xiàn)這種合金有著異乎尋常的隨溫度變化的聲阻尼特性，這表明該合金的原子結(jié)構(gòu)隨著溫度的變化而發(fā)生改變。然而，最終發(fā)現(xiàn)形狀記憶現(xiàn)象是在1960年NOL的一次管理層會議上。研究人員向與會者展示了一個鎳鈦合金的樣本，以向他們說明該合金出色的抗疲勞性能。
該樣本是一長條鎳鈦合金薄片，經(jīng)多次折疊后形成了一個曲折的形狀。NOL的與會領(lǐng)導(dǎo)反復(fù)將該樣本彎曲然后拉伸，對該合金的機(jī)械性能表示滿意。其中的一位官員決定用打火機(jī)測試一下該合金的熱性能。令人驚奇的是，壓扁的合金片受熱后竟然縱向延展開來。
又過了幾年的時間后人們才明白形狀記憶現(xiàn)象的原理。一個重要發(fā)現(xiàn)是，Nitinol可以以兩種不同的隨溫度變化的形式存在，而合金的形狀記憶功能正是這兩種形式之間轉(zhuǎn)換時才會出現(xiàn)。要使Nitinol樣本保持原來的形狀或“訓(xùn)練”樣本“記住”該形狀，必須在使樣本在某個固定位置上在500 C(932 F)的條件下煅燒一小時。對樣本進(jìn)行加熱會使樣本形成高溫、堅硬、缺乏彈性的奧氏體。而在對樣本進(jìn)行冷卻或淬火后，樣本會形成溫度較低、具有彈性、更易變形的馬氏體。
如果使該樣本變形并再次加熱，熱運動會使原子形成奧氏體晶格，從而使樣本恢復(fù)原來的形狀（上圖）。煅燒溫度、淬火溫度及其他特性主要由合金的成分和所用添加劑的類型所決定。
以上介紹了所謂的單向形狀記憶效應(yīng)。在這一現(xiàn)象中，材料只能記憶一種形狀。經(jīng)過適當(dāng)?shù)摹坝?xùn)練”，某些形狀記憶材料能夠記住兩種不同的形狀，一種是在較低溫度下的形狀，而另一種則是在較高溫度下的形狀，從而具有雙向形狀記憶效應(yīng)。
形狀記憶效應(yīng)的原理。經(jīng)冷卻后，面心立方體晶格的高溫奧氏體會轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏伛R氏體。由于在冷卻過程中出現(xiàn)應(yīng)力，從奧氏體轉(zhuǎn)化而來的馬氏體會經(jīng)歷孿晶現(xiàn)象：形成鏡象對稱的相鄰層。形變會消除孿晶。非孿晶馬氏體具有四方晶格。對發(fā)生形變的非孿晶馬氏體進(jìn)行加熱可以使其恢復(fù)回奧氏體。
到目前為止，已在數(shù)十種二元和三元合金中觀察到了形狀記憶現(xiàn)象，其中除Nitinol外，銅-鋅-鋁合金（CuZnAl）和銅-鋁-鎳合金（CuAlNi）應(yīng)用最為廣泛。另外一種有著巨大發(fā)展?jié)摿Φ牟牧鲜切螤钣洃浘酆衔�。此類材料�?0世紀(jì)90年代實現(xiàn)了商業(yè)化開發(fā)應(yīng)用[4]。
1969年，F(xiàn)14戰(zhàn)斗機(jī)液壓管線的連接使用了自動收縮至適當(dāng)尺寸型CryoFi管箍，這是形狀記憶材料的第一次商業(yè)應(yīng)用[5]。將經(jīng)過機(jī)械加工由液氮進(jìn)行冷卻的管箍固定在需要進(jìn)行連接的管端并使管箍升溫至環(huán)境溫度，可以很容易地安裝管箍。當(dāng)管箍遇熱后，它會收縮并壓接在管線上，形成緊固的接頭（右圖）[6]。在形狀記憶材料實現(xiàn)第一次商業(yè)應(yīng)用之后，形狀記憶管箍被推廣到了油氣管線、水管和其他管線中。還利用形狀記憶材料開發(fā)出了各種接合件，如圓箍和夾子等[7]。
形狀記憶材料的另一個重要應(yīng)用領(lǐng)域是醫(yī)藥行業(yè)。最常見的醫(yī)用形狀記憶裝置是牙箍。Nitinol合金牙箍于1975年第一次進(jìn)行臨床應(yīng)用，并于1977年獲得了專利注冊[8]。傳統(tǒng)的牙箍有一根不銹鋼線，該鋼線的彈性不足，因此時常需要進(jìn)行調(diào)整。而Nitinol合金線不但彈性更大，同時還能使牙齒承受的負(fù)荷恒定，因此不需要或很少需要進(jìn)行調(diào)整。首先將Nitinol合金線模壓成所需形狀，然后由正牙醫(yī)師將其固定到病人的牙齒上，根據(jù)需要，對其進(jìn)行彎曲。病人的體溫會將Nitinol合金線激活，使其恢復(fù)到最初模壓的形狀。
形狀記憶矯形釘和矯形板的原理與此類似，這些工具用來促進(jìn)骨折的愈合。然而，形狀記憶材料對醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最為重要、最為突出的貢獻(xiàn)或許是它在心血管手術(shù)上的應(yīng)用[9]。其中的一個例子是西蒙Nitinol過濾裝置，該裝置是一個Nitinol合金細(xì)篩，置入血管后能夠捕獲血流中的血栓[10]。被捕獲到的血栓會慢慢溶解，從而避免血栓或血管堵塞的出現(xiàn)。西蒙Nitinol過濾器在冷卻、發(fā)生形變的馬氏體狀態(tài)下通過導(dǎo)管置入血管，然后體溫使其溫度增高后膨脹回原來的尺寸。
更多內(nèi)容，參見資料頻道slb
油田觀察2008s。
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