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德国发明的超级记忆新材料经过千万次变形和破裂

德国发明的超级记忆新材料经过千万次变形和破裂

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  • 来源:
  • 发布时间:2020-02-25

德国发明的超级记忆新材料经过千万次变形和破裂

【概要描述】早在20世纪60年代,科学家们就发明了镍钛记忆合金,它在加热和冷却时会变形,并很快恢复到最初机械加工时确定的形状。我们所熟悉的大多数合金在两种晶格状态下会发生几千次的变化,甚至会出现裂纹甚至断裂。德国基尔大学的专家邝特在一篇论文中解释说,这是因为在金属的高温相(奥氏体)中有越来越多的低温相(马氏体)晶体结构,两个相之间的不完全转变将导致合金断裂。发表在《科学》杂志上

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  德国基尔大学的研究人员发明了一种新的镍钛铜记忆合金,这种合金可以变形1000万次而不会断裂,而合金材料通常会断裂数千次。这种新材料在微电子和光学器件、传感器、医疗器械等领域具有广阔的应用前景。

  早在20世纪60年代,科学家们就发明了镍钛记忆合金,它在加热和冷却时会变形,并很快恢复到最初机械加工时确定的形状。我们所熟悉的大多数合金在两种晶格状态下会发生几千次的变化,甚至会出现裂纹甚至断裂。德国基尔大学的专家邝特在一篇论文中解释说,这是因为在金属的高温相(奥氏体)中有越来越多的低温相(马氏体)晶体结构,两个相之间的不完全转变将导致合金断裂。发表在《科学》杂志上。

  邝特团队发明的记忆合金单元由54个钛原子、34个镍原子和12个铜原子组成。研究人员在22至87摄氏度的温度下,通过高功率电子显微镜和X射线检测,发现这种记忆合金能够承受几千万次的变形而不开裂。在显微镜下,当马氏体完全转变为奥氏体时,两个钛和铜原子在晶格中沉积。钛和铜原子的沉积形成了两相晶体的基本结构。他们称这种现象为外延生长。

  明尼苏达大学专家詹姆斯两年前发明的一种锌金铜记忆合金具有相似的特性。可承受16000冷热变形,不开裂。詹姆斯团队的发明发表在《自然》杂志上。

  据《科学》杂志报道,德国基尔大学的发明极大地拓宽了记忆合金的应用范围。电磁耦合器、温度传感器、微电子及光学器件、信息存储介质、人工心脏瓣膜在医学领域具有广泛的应用前景。此外,这种记忆合金还可用于将来自外界和环境的热能转换为电能,或开发新的冷却装置。

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镍钛合金驱动丝:创新材料的多元应用与卓越性能
在材料科学领域,镍钛合金驱动丝正凭借其独特性能和广泛应用,成为众多行业关注的焦点。这种智能材料以其类似人体肌肉的特性,在医疗、电子、汽车等多领域展现出巨大的应用潜力。​ 镍钛合金驱动丝,又称 “NiTi 驱动丝” 或 “肌肉钛丝”,其独特之处在于具备通电收缩的特性。当电流通过时,合金丝内部电阻产生热量,温度高于相变温度,触发收缩反应;电流停止后,合金丝冷却并恢复原始长度。这一特性源于镍钛合金在机械应力或温度变化下发生的相变,为其在各领域的应用奠定了基础。​ 从性能数据来看,镍钛合金驱动丝表现卓越。其抗拉强度高达 850MPa,屈服强度在 195 - 690MPa 之间,延伸率范围为 25 - 50%。在化学成分上,Ni 含量严格控制在 55.4% - 56.2% 之间,同时对 C、H、O、N 等杂质含量的严格限制,确保了合金丝的稳定性与可靠性。通过调整合金成分和处理工艺,NiTi 记忆合金的相变温度可在一定范围内变化,如 TiNi - 01 合金相变温度范围为 20℃ - 40℃,TiNi - 02 合金则为 45℃ - 90℃,极大地拓展了其应用场景。​ 在医疗健康领域,镍钛合金驱动丝的应用尤为突出。因其良好的生物相容性,被广泛用于制作支架、导丝等医疗器械。在智能驱动的高精度药液输送系统中,镍钛合金材料也发挥着关键作用,为患者提供更精准高效的医疗服务。在消费电子领域,镍钛合金驱动丝同样不可或缺。例如,在手机镜头的光学防抖马达中,该材料得到了英国 CML 的性能认证,有效提升了拍摄质量。​ 在汽车制造行业,镍钛合金被应用于汽车座椅和悬挂系统,显著提高了车辆的舒适性和安全性,满足了消费者对智能、舒适驾乘体验的追求。在渔具领域,镍钛合金丝用于制作鱼钩、鱼线等部件,提升了钓鱼的效率与成功率。​ 科研人员对镍钛合金驱动丝的研究也在不断深入。德国萨尔大学和德国机电一体化与自动化技术中心的研究团队利用镍 - 钛形状记忆合金中的 “弹性热效应”,开发出创新的空调技术。该技术通过超薄镍钛线材或片材的反复机械变形实现热量转移,无需使用挥发性制冷剂或燃烧化石燃料,具有更高的能效和显著的环境效益,被欧盟委员会视为传统制冷系统的领先替代方案,并被世界经济论坛评为 2024 年 “十大新兴技术” 之一。香港科技大学孙庆平教授团队则提出了一种新型的丝线缠绕弯曲驱动方式,应用于镍钛形状记忆合金丝,实现了稳定持续的低温冷区,制作的紧凑型空气制冷原型机尺寸小巧,能高效且连续地输出冷空气,空气温降高达 10.6℃,样机能效比高达 3.7,为弹卡固态制冷技术的发展开辟了新路径。​ 随着技术的不断进步和研究的持续深入,镍钛合金驱动丝有望在更多领域实现突破,为各行业的发展注入新的活力,推动科技与生活的进一步发展。
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