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CMF | 记忆金属的“记忆”究竟是什么?

作者 军团Diudi CMF设计军团号
2024-09-28

产业的发展离不开CMF(色彩、材料、工艺)





记忆是人或高级生物一种基本的心理过程,它是进行思维、想象等高级心理活动的基础。拥有记忆,无论你经历了多少事情,历经了多少沧桑,依然能记住曾经的样子,这是人或高级生物所特有的一种能力。如果把这种能力附在材料身上,会发生什么?比如下面这个金属别针,它会记住自己原来的形状,无论把它扭曲成什么样子,在一定条件下都会自动恢复到最原始的状态。

图 被揉成一团的金属别针,在一定时间内自动恢复原状


目前CMF设计军团&萨米工业云有成立汽车(内饰、智能、CMF等)、手机CMF、家电(CMF、智能等)、色彩(色彩、渐变色等)等产业交流群,有想加群的朋友可以加群主微信13480765097,备注要加入的微信群。


这种拥有“记忆能力”的材料便是“记忆金属”了,它可以像硅胶一样无论怎么变形都可以恢复到原来的状态。目前所研发并量产应用的记忆金属,可以感知不同的温度而产生形变,并在一定温度条件下恢复到最初的形状。就像下面视频中演示的那样。

记忆金属视频,时长43秒,请放心观看~~

还有下面这个,是合肥为先利用记忆合金设计的一款产品:防烫吸管,充分利用了镍钛记忆金属的形变特点,通过材料对温度变化的感知,利用合金自身张力,挤压硅胶吸管,当水温高于50℃时,使饮用者无法吸到热水,水温合适时恢复原状,从而达到防烫功效。这款产品获得了2018国际CMF设计奖·最佳材料奖。

图 采用记忆金属防烫吸管


看上去是不是很神奇,那么记忆金属的这种“记忆”究竟是什么呢?


 一、记忆金属的记忆原理及特点 


记忆金属其实是一种特殊的合金材料,主要以镍钛合金为主,它可以在一定的温度下像塑料一样发生塑性形变,但在某种温度又可以恢复成原状,具备一定的“记忆能力”。

图:随温度变化,材料发生形变

那么这种“记忆能力”是怎么回事呢?

图 记忆金属又叫形状记忆合金

其实说的通俗一点就是,这种材料的晶体结构在随着温度而变化(主要是马氏体和奥氏体之间的转换),因而导致在不同温度段,材料整体的状态发生变化。比如镍钛合金,在40℃以上和40℃以下的晶体结构是不同的,因此温度变化时,合金就会收缩或膨胀,使得它的形态发生变化。

为了方便理解,这里用通俗的语言简单介绍一下什么是晶体及马氏体、奥氏体 晶体可以理解为是金属材料的内部组成结构,一般都是微观单位的有序对称排列组合,密集的堆积在一起。  

图 金属结构 而马氏体、奥氏体都是金属材料的组织名称,两者晶体结构是不同的,马氏体的晶体结构为体心四方结构,而奥氏体的晶体结构为面心立方结构。也就是说记忆合金材料之所以会变形后恢复原状,是因为它记忆住了不同温度段下的晶体结构。所以当达到特定温度的时候就会变成对应的微结构状态,形状也就相应地发生了变化。  

图 马氏体与奥氏体的晶体结构对比

每种记忆合金都有自己的“变态温度”,也就是晶体形态变化的临界温度。就像下图展示的例子,在高温时它被做成螺旋状而处于稳定状态。在室温下强行把它拉直时,它此时是处于不稳定状态,因此,只要把它加热到变态温度,它就立即恢复到原来处于稳定状态的螺旋形状了。
 
图 记忆合金变形记

这种材料最大的特点自然是“记忆”功能,在一定温度下可以恢复原状态,弯曲量及塑性都很大,除此之外,材料本身的耐磨、耐腐蚀性、耐疲劳度、机械性能、生物相容性等都很优良。这种形状记忆合金主要可以分为三大类:

表:记忆合金种类及介绍
类别
介绍
单程记忆效应
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,这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。
双程记忆效应
某些合金加热时恢复高温相形状,冷却时又能恢复低温相形状,称为双程记忆效应。
全程记忆效应
加热时恢复高温相形状,冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状,称为全程记忆效应。

目前已经成功开发的有TiNi基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金等。




 二、应用领域 

 
利用这种材料的特性,我们可以应用在很多产品领域,比如军工、航天、医疗、消防、生活消费电子、汽车等。

1. 医学领域


记忆特性可以让病人减少更多的痛苦,同时TiNi合金的生物相容性很好,成功应用的例子比较多,包括血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板等。

图 记忆合金在人体中的应用

图 不同部位的记忆合金材料

图 接骨板及人工关节

图 镍钛记忆合金食道支架,来源于常州市智业医疗仪器研究所有限公司

图 镍钛记忆合金丝,记忆合金丝,医疗细丝

图 骨科内固定记忆合金-聚髌爪治疗髌骨骨折

图 镍钛记忆合金尿道支架,来源于常州市智业医疗仪器研究所有限公司

图:微型螺旋网球形异物钳(记忆合金丝)

2. 消防领域


用这种材料来设计消防栓,一旦发生火灾就会受热自动打开阀门。

图:3C防火阀

3. 汽车领域

 
使用形状记忆合金作为辐射状的材料,也能增加轮胎的承重能力。与传统的轮胎相比,“超弹性轮胎”减少了爆胎的可能性,因此也改善了行车安全。此外,这种轮胎的设计也减少了对内框的需求,这有助于轮胎组装的简化,也减轻了轮胎的重量。而且,它也可以在运作时,降低传送到车辆上的能量。
 
图 轮胎

除此之外,还有汽车温控器、汽车制动器储能装置元件,由于篇幅有限,不做过多介绍。
 

4. 生活消费领域

 
利用形状记忆合金弹簧(温控弹簧)可以控制浴室水管的水温:在热水温度过高时通过"记忆"功能,调节供水管道,避免烫伤。
 
图 记忆合金弹簧

灯泡散发的热量使灯罩变形,也是利用了记忆金属的特性。

图 记忆金属灯罩

下面这款产品是Surface Book 的铰链,核心就是记忆金属,在加热时会恢复到金属最初加工时的形状,利用这一点,微软的工程师设计出了特殊的弹出装置。

图 Surface Book 的铰链

图 记忆金属文胸,通过在衣服中集成的形状记忆合金进行衣服变形
 
图 Innovation (Creative) Aurvana Air earphones 耳挂部分由镍钛合金制成

图 热水器恒温阀

图 形状记忆合金弹簧(温控弹簧)
 

5. 航空航天领域


形状记忆合金应用到航空和太空装置,可以运用在军用飞机的液压系统中的低温配合连接件,还可用于制造探索宇宙奥秘的月球天线,人们利用形状记忆合金在高温环境下制做好天线,再在低温下把它压缩成一个小铁球,使它的体积缩小到原来的千分之一,这样很容易运上月球,太阳强烈的辐射使它恢复原来的形状,按照需求向地球发回宝贵的宇宙信息。另外,在卫星中使用一种可打开容器的形状记忆释放装置,该容器用于保护灵敏的锗探测器免受装配和发射期间的污染。
 
图 记忆合金做的航天器天线

图 国际空间站

图 旅行者一号 

图 阿波罗月球车

6. 建筑领域


在工程和建筑领域用 NiTi 形状记忆合金作为隔音材料及探测地震损害控制的潜力已显示出来。已试验了桥梁和建筑物中的应用,因此作为隔音材料及探测损害控制的应用已成为一个新的应用领域。

图 隔振器

图 阻尼减震器




 总结 
 
未来,功能性与装饰性相结合是趋势,许多产品的设计工作都将围绕功能性而展开。这种材料凭借着其独特的“记忆”特性,必将在不同的行业领域有着广泛的应用,对产品设计与创新产生深远的影响,为生活带来诸多便利性。作为CMF设计师或产品开发人员,目光要超前,要关注材料的跨界与创新应用,做出更好的产品。就好比文中介绍的防烫吸管这个产品,从市场的深度探索到发现问题,从设计创新出发,通过应用记忆金属材料,全新研发出物理防烫吸管,帮助解决儿童饮水烫伤问题,既有创意同时又具备功能性。
 
如果你拥有了这款材料,你会做出怎样的产品呢?



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