衛(wèi)星中的太陽能電池是通過什么方式展開的

【專家解說】：記憶金屬 上個世紀(jì)70年代，世界材料科學(xué)中出現(xiàn)了一種具有“記憶”形狀功能的合金。記憶合金是一種頗為特別的金屬條，它極易被彎曲，我們把它放進(jìn)盛著熱水的玻璃缸內(nèi)，金屬條向前沖去;將它放入冷水里，金屬條則恢復(fù)了原狀。在盛著涼水的玻璃缸里，拉長一個彈簧，把彈簧放入熱水中時，彈簧又自動的收攏了。涼水中彈簧恢復(fù)了它的原狀，而在熱水中，則會收縮，彈簧可以無限次數(shù)的被拉伸和收縮，收縮再拉開。這些都由一種有記憶力的智能金屬做成的，它的微觀結(jié)構(gòu)有兩種相對穩(wěn)定的狀態(tài)，在高溫下這種合金可以被變成任何你想要的形狀，在較低的溫度下合金可以被拉伸，但若對它重新加熱，它會記起它原來的形狀，而變回去。這種材料就叫做記憶金屬(memory metal)。它主要是鎳鈦合金材料。例如，一根螺旋狀高溫合金，經(jīng)過高溫退火后，它的形狀處于螺旋狀態(tài)。在室溫下，即使用很大力氣把它強(qiáng)行拉直，但只要把它加熱到一定的“變態(tài)溫度”時，這根合金仿佛記起了什么似的，立即恢復(fù)到它原來的螺旋形態(tài)。這是怎么回事?難道合金也具有人類那樣的記憶力? 原來不是那么回事!這只是利用某些合金在固態(tài)時其晶體結(jié)構(gòu)隨溫度發(fā)生變化的規(guī)律而已。例如，鎳-鈦合金在40oC以上和40oC以下的晶體結(jié)構(gòu)是不同的，但溫度在40oC上下變化時，合金就會收縮或膨脹，使得它的形態(tài)發(fā)生變化。這里，40oC就是鎳-鈦記憶合金的“變態(tài)溫度”。各種合金都有自己的變態(tài)溫度。上述那種高溫合金的變態(tài)溫度很高。在高溫時它被做成螺旋狀而處于穩(wěn)定狀態(tài)。在室溫下強(qiáng)行把它拉直時，它卻處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此，只要把它加熱到變態(tài)溫度，它就立即恢復(fù)到原來處于穩(wěn)定狀態(tài)的螺旋形狀了。 分類及應(yīng)用 形狀記憶合金可以分為三種: (1)單程記憶效應(yīng) 形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。 (2)雙程記憶效應(yīng) 某些合金加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)。 (3)全程記憶效應(yīng) 加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?，稱為全程記憶效應(yīng)。 三種記憶效應(yīng)如下圖所示。 目前已開發(fā)成功的形狀記憶合金有TiNi基形狀記憶合金、銅基形狀記憶合金、鐵基形狀記憶合金等。 最早關(guān)于形狀記憶效應(yīng)的報道是由Chang及Read等人在1952年作出的。他們觀察到Au-Cd合金中相變的可逆性。后來在Cu-Zn合金中也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象，但當(dāng)時并未引起人們的廣泛注意。直到1962年，Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中觀察到具有宏觀形狀變化的記憶效應(yīng)，才引起了材料科學(xué)界與工業(yè)界的重視。到70年代初，CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也發(fā)現(xiàn)了與馬氏體相變有關(guān)的形狀記憶效應(yīng)。幾十年來，有關(guān)形狀記憶合金的研究已逐漸成為國際相變會議和材料會議的重要議題，并為此召開了多次專題討論會，不斷豐富和完善了馬氏體相變理論。在理論研究不斷深入的同時，形狀記憶合金的應(yīng)用研究也取得了長足進(jìn)步，其應(yīng)用范圍涉及機(jī)械、電子、化工、宇航、能源和醫(yī)療等許多領(lǐng)域。 形狀記憶合金的具體應(yīng)用如下。 工業(yè)應(yīng)用: (1)利用單程形狀記憶效應(yīng)的單向形狀恢復(fù)。如管接頭、天線、套環(huán)等。 (2)外因性雙向記憶恢復(fù)。即利用單程形狀記憶效應(yīng)并借助外力隨溫度升降做反復(fù)動作，如熱敏元件、機(jī)器人、接線柱等。 (3)內(nèi)因性雙向記憶恢復(fù)。即利用雙程記憶效應(yīng)隨溫度升降做反復(fù)動作，如熱機(jī)、熱敏元件等。但這類應(yīng)用記憶衰減快、可靠性差，不常用。 (4)超彈性的應(yīng)用。如彈簧、接線柱、眼鏡架等。 醫(yī)學(xué)應(yīng)用: TiNi合金的生物相容性很好，利用其形狀記憶效應(yīng)和超彈性的醫(yī)學(xué)實例相當(dāng)多。如血栓過濾器、脊柱矯形棒、牙齒矯形絲、腦動脈瘤夾、接骨板、髓內(nèi)針、人工關(guān)節(jié)、避孕器、心臟修補(bǔ)元件、人造腎臟用微型泵等。 高科技應(yīng)用展望: 20世紀(jì)是機(jī)電學(xué)的時代。傳感--集成電路--驅(qū)動是最典型的機(jī)械電子控制系統(tǒng)，但復(fù)雜而龐大。形狀記憶材料兼有傳感和驅(qū)動的雙重功能，可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的微型化和智能化，如全息機(jī)器人、毫米級超微型機(jī)械手等。21世紀(jì)將成為材料電子學(xué)的時代。形狀記憶合金的機(jī)器人的動作除溫度外不受任何環(huán)境條件的影響，可望在反應(yīng)堆、加速器、太空實驗室等高技術(shù)領(lǐng)域大顯身手。 記憶合金 談到合金，當(dāng)然要講最有趣的合金--記憶合金。金屬具有記憶，是一個偶然的發(fā)現(xiàn):60年代初，美國海軍的一個研究小組從倉庫領(lǐng)來一些鎳鈦合金絲做實驗，他們發(fā)現(xiàn)這些合金絲彎彎曲曲，使用起來很不方便，于是就把這些合金絲一根根拉直。在試驗過程中，奇怪的現(xiàn)象發(fā)生了，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度升到一定的數(shù)值時，這些已經(jīng)拉直的鎳鈦合金絲突然又恢復(fù)到原來的彎曲狀態(tài)，他們是善于觀察的有心人，又反復(fù)做了多次試驗，結(jié)果證實了這些細(xì)絲確實具?"記憶"。 美國海軍研究所的這一發(fā)現(xiàn)，引起了科學(xué)界的極大興趣，大量科學(xué)家對此進(jìn)行了深入的研究。發(fā)現(xiàn)銅鋅合金、銅鋁鎳合金、銅鉬鎳合金、銅金鋅合金等也都具有這種奇特的本領(lǐng)。人們可以在一定的范圍內(nèi)，根據(jù)需要改變這些合金的形狀，到了某一特定的溫度，它們就自動恢復(fù)到自己原來的形狀，而且這“改變--恢復(fù)”可以多次重復(fù)進(jìn)行，不管怎么改變，它們總是能記憶自己當(dāng)時的形狀，到了這一溫度，就絲毫不差地原形再現(xiàn)。人們把這種現(xiàn)象叫作形狀記憶效應(yīng)，把具有這種形狀記憶效應(yīng)的金屬叫作形狀記憶合金，簡稱記憶合金。 為什么這些合金能具有這種形狀記憶效應(yīng)?它們是怎樣記住自己的原形?用一般金屬鍵理論、自由電子理論是難以解釋合金的這種記憶效應(yīng)的。記憶合金在一定的溫度條件下能回復(fù)到原形，為核外電子的運動--隨溫度變化的運動，提供了絕佳的例證。 正是由于合金的形成是在高溫條件下液態(tài)金屬的互熔，由于液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)元排異，導(dǎo)致了這種元素的結(jié)構(gòu)元與另一種金屬的結(jié)構(gòu)元相互均布，凝固后，其微觀結(jié)構(gòu)是不同種類的結(jié)構(gòu)元成比例的有序排列，電磁力是構(gòu)成合金物體的主要內(nèi)聚力。 電磁力是由價和電子的運轉(zhuǎn)所形成，而電子的運轉(zhuǎn)速率隨溫度條件而變化的，所以，物體內(nèi)的電磁力(大小、方向、作用點)也是隨溫度條件而變化。由此導(dǎo)致了金屬物體的內(nèi)力隨溫度條件而變化，只是這些變化在小溫差范圍內(nèi)不明顯，只有在較大溫度變化(幾百攝氏度)時才有表現(xiàn)。 一般金屬在受力后，能產(chǎn)生塑性變形，如一根鐵絲被折彎了，在折彎部位，電磁力受到外力的干擾，導(dǎo)致產(chǎn)生電磁力的價和電子的運轉(zhuǎn)平面作出微量調(diào)整，一次塑性變形就完成了。 記憶合金由于是不同種類的結(jié)構(gòu)元相互摻和均布，盡管結(jié)構(gòu)元的個子、電磁力的大小不同，但各自都加快了自身的價和運轉(zhuǎn)，在一定的溫度條件下相鄰相安。在受到外力后，電磁力受到外力的干擾，價和電子的運轉(zhuǎn)平面作出微量角度調(diào)整，物體產(chǎn)生塑性變形，在此塑性變形中，部分調(diào)整后的價和電子的運轉(zhuǎn)是不舒展的。當(dāng)溫度條件變化時價和電子的速率隨之變化，當(dāng)溫度回復(fù)到相安舒展的(轉(zhuǎn)變溫度)條件時，不舒展的價和電子的運轉(zhuǎn)立即回復(fù)到當(dāng)時的速率，電磁力隨之發(fā)生變化，使相鄰結(jié)構(gòu)元的價和運轉(zhuǎn)也都作出相應(yīng)的調(diào)整，全部回復(fù)到原來的舒展?fàn)顟B(tài)，于是整個物體也都回復(fù)到了原來的狀態(tài)。這就是記憶合金的記憶過程。 其實，金屬的記憶早就被發(fā)現(xiàn):把一根直鐵絲彎成直角(90° )，一松開，它就要回復(fù)一點，形成大于90° 的角度。把一根彎鐵絲調(diào)直，必須把它折到超過180°后再松開，這樣它就能正好回復(fù)到直線狀態(tài)，這就是中國成語中所講的矯枉過正。還有記憶力更好的合金就是彈簧，(這里所說的是鋼制彈簧，鋼是鐵碳合金)彈簧牢牢地記住了自己的形狀，外力一撤除，馬上回復(fù)到自己的原來的樣子，只是彈簧的記憶溫度很寬，不像記憶合金這樣有一個特定的轉(zhuǎn)變溫度，從而有了一些特別的功用。 利用記憶合金在特定溫度下的形變功能，可以制作多種溫控器件，可以制作溫控電路、溫控閥門，溫控的管道連接。人們已經(jīng)利用記憶合金制作了自動的消防龍頭--失火溫度升高，記憶合金變形，使閥門開啟，噴水救火。制作了機(jī)械零件的連接、管道的連接，飛機(jī)的空中加油的接口處就是利用了記憶合金--兩機(jī)油管套結(jié)后，利用電加熱改變溫度，接口處記憶合金變形，使接口緊密滴水(油)不漏。制作了宇宙空間站的面積幾百平米的自展天線--先在地面上制成大面積的拋物線形或平面天線，折疊成一團(tuán)，用飛船帶到太空，溫度轉(zhuǎn)變，自展成原來的大面積和形狀。 記憶合金目前已發(fā)展到幾十種，在航空、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域有著用途，而且發(fā)展趨勢十分可觀，它將大展宏圖、造福于人類。 形狀記憶合金的研究、發(fā)現(xiàn)至今為止已有十幾種記憶合金體系。包括Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、NiAl、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等