4D打印，準確地說是用一種能夠自動變形的材料制造零件，然后，只需將其放入一定的環(huán)境中，不需要連接任何機電設(shè)備，它就能按照產(chǎn)品設(shè)計的樣子，自動伸縮變形成相應(yīng)的形狀。

    麻省理工大學和新加坡科技設(shè)計大學的工程師對復(fù)合材料4D打印與可塑形狀記憶聚合物（SMP）進行了研究。SMP是一種熱敏聚合物，它可以在彎曲或暴露于極端的壓力的條件下，以不同的方式成形，而在受熱環(huán)境刺激下可以恢復(fù)原來的形狀。

    當汽車遇上形狀記憶合金

    4D打印最關(guān)鍵的是形狀記憶合金Shape Memory Alloys（SMA）。迄今為止，業(yè)界已發(fā)現(xiàn)了十幾種形狀記憶合金材料，其中在工業(yè)上有實用價值的有Ni-Ti合金、Cu 基合金、Fe 類合金等。由于它具有形狀記憶、自動作功、超彈性、節(jié)能、熱敏等特殊性能，引起了工業(yè)界廣泛的重視。

    那么，當汽車遇上形狀記憶合金，將會有什么故事發(fā)生呢？

    SMA所具有的記憶和溫度特性，當然首先是可用于汽車上多種調(diào)節(jié)器的新型熱敏元件。當然，這也同時推動了新型制動器的設(shè)計。

    汽車溫控器是根據(jù)冷卻水溫度的高低自動調(diào)節(jié)進入散熱器的水量，改變水的循環(huán)范圍，以調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的散熱能力，保證發(fā)動機在合適的溫度范圍內(nèi)工作。在現(xiàn)有的技術(shù)中，汽車溫控器是利用石蠟的熱膨冷縮來進行控制的，存在動作滯后、加工易熔化等問題。如果利用記憶合金彈簧來實現(xiàn)溫控器的開啟和閉合，所有問題都將迎刃而解，非常方便！

    在汽車制動器上安裝儲能裝置，可以把浪費的能源進行回收， 用于下一次的加速。這樣， 既能降低油耗， 又有益于環(huán)境保護， 減少廢氣排放和噪聲。這種裝置的儲能元件可由SMA來做，它可以儲存超彈性材料SMA的應(yīng)變值所允許的機械能。

    豐田汽車采用鈦鎳系形狀記憶合金制成散熱器面罩活門。其工作原理是：當發(fā)動機室內(nèi)溫度低于設(shè)定溫度時，形狀記憶合金彈簧呈現(xiàn)壓縮狀態(tài)，活門關(guān)閉，當發(fā)動機室內(nèi)溫度高于設(shè)定溫度時，彈簧呈伸長狀態(tài)，活門打開，冷空氣導(dǎo)入發(fā)動機室內(nèi)。

    在水冷式發(fā)動機上，為避免風扇帶來的負面問題，通常都需要配套風扇離合器。風扇離合器主要有硅油式、電磁式等幾種形式。由于SMA具有感溫、驅(qū)動兩種功能， 同時又可以從工作環(huán)境吸收熱能，所以可用其取代離合器中的自動系統(tǒng)，這樣使整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化，成本大幅度降低。SMA還具有非常好的耐腐蝕性能，所以不需要設(shè)置保護裝置。

    美國軍用悍馬用記憶金屬做成的輪胎不知道你見識過沒？在這種看起來像蜂窩的輪胎面前，什么防爆輪胎都已經(jīng)弱爆了！軍用悍馬儼然已經(jīng)不是車了，而是一輛坦克！

    延伸閱讀

    形狀記憶合金（Shape Memory Alloys, SMA），是一種在加熱升溫后能完全消除其在較低的溫度下發(fā)生的變形，恢復(fù)其變形前原始形狀的合金材料。最早關(guān)于形狀記憶效應(yīng)的報道是由Chang及Read等人在1952年做出的。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Ti-Ni合金中觀察到具有宏觀形狀變化的記憶效應(yīng)，才引起了科學界與工業(yè)界的重視。這種新型功能材料目前已廣泛用于電子儀器、汽車工業(yè)、醫(yī)療器械、空間技術(shù)和能源開發(fā)等領(lǐng)域。

    一、形狀記憶合金的分類

    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)。

    二、形狀記憶合金的特性

    1、形狀記憶效應(yīng)：合金在某一溫度下受外力而變形，當外力去除后，仍保持其變形后的形狀，但當溫度上升到某一溫度，材料會自動回復(fù)到變形前原有的形狀，似乎對以前的形狀保持記憶，這種效應(yīng)稱為形狀記憶效應(yīng)。

    2、超彈性：在高于Af點、低于Md點的溫度下施加外應(yīng)力時產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，卸載就產(chǎn)生逆相變，應(yīng)變完全消失，回到母相狀態(tài)，表觀上呈現(xiàn)非線性擬彈性應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱為超彈性。

    3、高阻尼特性：形狀記憶合金在低于Ms點的溫度下進行熱彈性馬氏體相變，生成大量馬氏體變體（結(jié)構(gòu)相同、取向不同），變體間界面能和馬氏體內(nèi)部孿晶界面能都很低，易于遷移，能有效地衰減振動、沖擊等外來的機械能，因此阻尼特性特別好。

    4、耐磨性：在形狀記憶合金中，Ti-Ni合金在高溫（CsCl型體心立方結(jié)構(gòu)）狀態(tài)下同時具有很好的耐腐蝕性和耐磨性?？捎米髟诨そ橘|(zhì)中接觸滑動部位的機械密封材料，原子能反應(yīng)堆中用做冷卻水泵機械密封件。

    5、逆形狀記憶特性：將Cu-Zn-Al記憶合金在Ms點上下的很小溫度范圍內(nèi)進行大應(yīng)變量變形，然后加熱到高于Af點的溫度時形狀不完全恢復(fù)，但再加熱到高于200?C時卻逆向地恢復(fù)到變形后的形狀，稱為逆形狀記憶特性。

    三、形狀記憶合金在各領(lǐng)域的應(yīng)用

    1、醫(yī)療方面

    Ni-Ti合金是醫(yī)用生物材料的佼佼者，在臨床醫(yī)學和醫(yī)療器械等方面廣泛應(yīng)用。如介入療法，將各類人體腔內(nèi)支架、經(jīng)過預(yù)壓縮變形后，能夠經(jīng)過很小的腔隙安放到人體血管、消化道、呼吸道、以及尿道等各種狹窄部位，支架擴展后，在人體腔內(nèi)支撐起狹小的腔道。具有療效可靠、使用方便、可大大縮短治療時間和減少費用等優(yōu)點。傳統(tǒng)的骨傷手術(shù)器械包括接骨鋼板、螺釘、鋼絲等，手術(shù)時醫(yī)生要進行鉆孔、楔入、捆扎等復(fù)雜操作，對患者的機體不可避免要造成人為損傷。用形狀記憶合金骨科器械手術(shù)時，醫(yī)生先用低溫（0~5攝氏度）消毒鹽水冷卻記憶合金器械，然后根據(jù)需要改變其抱合部位的形狀，安裝于患者骨傷部位。待患者體溫將其加熱到設(shè)定的溫度時，器械的變形部分便恢復(fù)到原來設(shè)計的形狀，從而將傷骨緊緊抱合，起到固定與支撐的作用。不僅具有手術(shù)操作簡便、縮短時間和愈合周期、生物相容性優(yōu)良、降低人為性損傷等優(yōu)點，而且其強度是不銹鋼的4倍，不會發(fā)生彎曲與斷裂。血栓濾器也是一種記憶合金新產(chǎn)品。被拉直的濾器植入靜脈后，會逐漸恢復(fù)成網(wǎng)狀，從而阻止95%的凝血塊流向心臟和肺部。

    2、工業(yè)方面

    在機械零件的連接、管道的連接，飛機的空中加油的接口處，用形狀記憶合金加工成內(nèi)徑比欲連接管的外徑小4%的套管，然后在液氮溫度下將套管擴徑約8%，裝配時將這種套管從液氮取出，把欲連接的管子從兩端插入。當溫度升高至常溫時，利用電加熱改變溫度，接口處記憶合金變形，套管收縮即形成緊固密封，遠勝于焊接，特別適合用于航空、航天、核工業(yè)及船艦和海底輸油管道等。利用記憶合金的感溫驅(qū)動雙重功能，制作機器人、機械手，體型微小，結(jié)構(gòu)緊湊。在建筑領(lǐng)域，利用形狀記憶合金制成阻尼耗能裝置、隔震裝置、結(jié)構(gòu)加固元件。

    3、日常生活

    利用形狀記憶合金控制浴室水管的水溫，在熱水溫度過高時通過記憶功能，調(diào)節(jié)或關(guān)閉供水管道。還可以放在暖氣的閥門內(nèi)，用以保持室內(nèi)的溫度，當溫度過低或過高時，自動開啟或關(guān)閉暖氣的閥門。還可以制成超彈性眼鏡架，如果不小心眼鏡架被碰彎曲了，只要將其放在熱水中加熱就可以恢復(fù)原狀。

    4、航天領(lǐng)域的應(yīng)用

    形狀記憶合金已應(yīng)用到航空和太空裝置。如用在軍用飛機的液壓系統(tǒng)中的低溫配合連接件，歐洲和美國正在研制用于直升飛機的智能水平旋翼中的形狀記憶合金材料。在太空方面，俄羅斯制作的形狀記憶合金裝置已達到了實用水平，如用于空間計劃的大型天線和MIR空間站天線桿的連接與裝配。在美國，太空計劃應(yīng)用形狀記憶合金的驅(qū)動插銷釋放發(fā)射后的有效載荷，也已證實是成功的。 四、形狀記憶合金的發(fā)展前景  形狀記憶效應(yīng)的研究開發(fā)雖然已有50多年的歷史，但人們對它的關(guān)心和研究勢頭并未衰減。形狀記憶材料，從最初的合金已擴展到陶瓷和高分子材料；并且各種先進的生產(chǎn)工藝技術(shù)已被用到形狀記憶材料的研究、開發(fā)和應(yīng)用中，例如復(fù)合技術(shù)、快速冷凝技術(shù)、薄膜制作技術(shù)等的應(yīng)用，已導(dǎo)致了復(fù)合形狀記憶材料、薄帶形狀的記憶材料、薄膜形狀記憶材料的出現(xiàn)和開發(fā)應(yīng)用。形狀記憶材料在智能材料系統(tǒng)中受到高度重視。作為一種與高科技密切相關(guān)的新型功能材料，將會在軍事與民用諸多領(lǐng)域中有重要應(yīng)用，在未來科技進步中必將有更大的發(fā)展。

    五、形狀記憶合金尚存在的問題

    1、由于形狀記憶合金的各種功能依賴于馬氏體相變，需要不斷對其加熱、冷卻及加載、卸載，且材料變化具有延遲性，因此形狀記憶合金只適用于低頻（10Hz以下）窄帶震動中，這就大大限制了材料的應(yīng)用。

    2、形狀記憶合金自身存在損傷和裂紋等缺陷，如何克服這些缺陷，改善材料性能是當前迫切需要解決的問題。

    六、結(jié)語

    綜上所述，形狀記憶合金作為一種新型功能材料，具有其他材料很難取代的獨特優(yōu)點，應(yīng)用前景十分廣闊。今后，隨著SMA基礎(chǔ)理論研究的日趨成熟和應(yīng)用開發(fā)力度的不斷加大，必將不斷開拓出新的應(yīng)用領(lǐng)域。

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責任編輯：王元

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