一塊筆直的金屬板材被手掰彎

放到熱水中立馬恢復(fù)原狀

一條金屬?gòu)椈?/p>

在熱水中處在舒張狀態(tài)

一放到冰水中立刻縮成一團(tuán)

再放回?zé)崴?/p>

立馬又恢復(fù)舒張狀態(tài)

這種材料名叫鎳鈦形狀記憶合金

它最大的本領(lǐng)就是能“記住”原本的模樣

即使外力讓它形變上百萬(wàn)次

依然能在一定溫度中恢復(fù)原狀

近日，華南理工大學(xué)國(guó)家金屬材料近凈成形工程技術(shù)研究中心副主任、機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院副院長(zhǎng)楊超團(tuán)隊(duì)與廣東華藝衛(wèi)浴實(shí)業(yè)有限公司共同研發(fā)的“具有功能基元序構(gòu)的超高超彈性鈦鎳形狀記憶合金及其4D打印制備方法與應(yīng)用”榮獲中國(guó)專(zhuān)利獎(jiǎng)。使用該專(zhuān)利生產(chǎn)的記憶合金已應(yīng)用于衛(wèi)浴、醫(yī)療器械、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域。

7月9日，《廣州日?qǐng)?bào)》（科技周刊）整版報(bào)道這一科研成果。下面，一起來(lái)了解這一神奇的材料。

什么是記憶合金？

1962年，偶然發(fā)現(xiàn)金屬界“變形金剛”

人類(lèi)發(fā)現(xiàn)記憶合金的歷史至今尚不足100年。楊超團(tuán)隊(duì)的馬宏偉博士介紹，1962年，美國(guó)海軍軍械實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家偶然發(fā)現(xiàn)了鎳鈦合金的形狀記憶效應(yīng)——這種金屬在被彎曲變形后，只要稍微加熱，就能“啪”一下恢復(fù)形狀。就算不加熱，在常溫下，如果將其拉長(zhǎng)或彎曲變形一定程度后，它也能自行慢慢恢復(fù)形狀。相比之下，一般金屬只要拉伸超過(guò)1%，就會(huì)發(fā)生永久變形。

單程記憶，拉長(zhǎng)彈簧，進(jìn)熱水就縮，只復(fù)原一次。

“單程記憶”：只復(fù)原一次“雙程記憶”：可多次循環(huán)

鎳鈦合金可表現(xiàn)出單程形狀記憶效應(yīng)，也可表現(xiàn)出雙程形狀記憶效應(yīng)。單程形狀記憶是指“有來(lái)無(wú)回”，如由鎳鈦合金制成的彈簧，被手動(dòng)拉伸后，放入熱水中，就會(huì)回到原始收縮狀態(tài)，但無(wú)法再自動(dòng)回到拉伸的狀態(tài)。相比之下，雙程形狀記憶則是“有來(lái)有回”，彈簧在熱水中自動(dòng)舒張，在冷水中自動(dòng)收縮，回到熱水中又自動(dòng)舒張……

雙程記憶，熱水中舒張，冷水中收縮，反復(fù)循環(huán)。

記憶合金的“脾氣”：鎳元素說(shuō)了算

科學(xué)家們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，一般來(lái)說(shuō)，只有鎳元素在合金中所占原子比例在48%~52%之間，合金才能展示出形狀記憶和超彈性。鎳元素含量的些許變化，會(huì)直接導(dǎo)致合金的形變臨界溫度驟然升高或降低。

什么是記憶合金4D打?。?/strong>

形狀記憶合金應(yīng)用廣泛，但加工成本很高，十分容易開(kāi)裂。為解決這一痛點(diǎn)，2017年起，楊超團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研發(fā)記憶合金4D打印技術(shù)——4D打印是指在3D打印過(guò)程中，復(fù)雜構(gòu)件的形狀、性能和功能隨時(shí)間維度發(fā)生自適應(yīng)變化的過(guò)程?！安牧显?D打印成型之后，仍能受溫度、力、電場(chǎng)等外界刺激影響，自主發(fā)生形狀變化或性能調(diào)整?！睏畛f(shuō)。

《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》明確提出“發(fā)展增材制造”，4D打印作為前沿的增材制造技術(shù)頗受關(guān)注。為支持形狀記憶合金4D打印技術(shù)發(fā)展，楊超的項(xiàng)目組先后獲得廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目等項(xiàng)目資金的支持。經(jīng)過(guò)多年科研攻關(guān)，4D打印鎳鈦合金自適應(yīng)構(gòu)件技術(shù)日趨成熟。

解碼4D打印鎳鈦合金自適應(yīng)構(gòu)件技術(shù)

01

研發(fā)高品質(zhì)鎳鈦合金粉末

用于4D打印的鎳鈦合金粉末需滿足粉末粒度分布在15~53微米之間、球形度好、流動(dòng)性高、氧含量低、鎳揮發(fā)低等要求，為此，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新研發(fā)了鎳鈦粉末制備和改性技術(shù)，攻克了高品質(zhì)鎳鈦合金粉末制備的難題。

02

研發(fā)專(zhuān)用成型設(shè)備（4D打印機(jī)）

楊超介紹，該設(shè)備由華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院宋長(zhǎng)輝團(tuán)隊(duì)研發(fā)，是一套適合于4D打印鎳鈦合金構(gòu)件的增材制造裝備，解決了形狀記憶合金4D打印易開(kāi)裂的成型難題。這套鎳鈦合金4D打印機(jī)的發(fā)明，同樣榮獲此次中國(guó)專(zhuān)利獎(jiǎng)。

03

研發(fā)優(yōu)化4D打印成型工藝

楊超團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)研發(fā)確立了鎳鈦合金4D打印的成型工藝路徑，建立了4D打印缺陷抑制和質(zhì)量穩(wěn)定策略，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)化的4D打印鎳鈦合金微觀組織、功能特性及穩(wěn)定性調(diào)控。

04

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用評(píng)估

在熟練掌握4D打印記憶合金的生產(chǎn)技術(shù)和工藝后，如何設(shè)計(jì)出符合市場(chǎng)需求的產(chǎn)品，保證技術(shù)能落地，則需要按照市場(chǎng)需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用驗(yàn)證，這也是科技成果轉(zhuǎn)化的重要一步，也是團(tuán)隊(duì)十分看重的。

應(yīng)用廣泛

楊超介紹，經(jīng)過(guò)多年攻關(guān)，團(tuán)隊(duì)解決了4D打印鎳鈦合金自適應(yīng)構(gòu)件技術(shù)應(yīng)用全鏈條涉及的核心科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題，先后獲授國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利24件，獲授美日發(fā)明專(zhuān)利3件，形成全鏈條自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成套技術(shù)，并瞄準(zhǔn)衛(wèi)浴、航空、醫(yī)療器械等領(lǐng)域?qū)?fù)雜幾何構(gòu)件和自適應(yīng)性功能的需求開(kāi)啟創(chuàng)新應(yīng)用，填補(bǔ)了相關(guān)領(lǐng)域的空白，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)產(chǎn)品的升級(jí)換代。

衛(wèi)?。洪y門(mén)可反復(fù)使用500萬(wàn)次

目前，楊超團(tuán)隊(duì)4D打印的形狀記憶合金已應(yīng)用在智能衛(wèi)浴領(lǐng)域。團(tuán)隊(duì)與江門(mén)華藝衛(wèi)浴公司合作共同開(kāi)發(fā)了4D打印記憶合金技術(shù)，并共享了相關(guān)專(zhuān)利成果。

華藝衛(wèi)浴質(zhì)量技術(shù)總工程師丁言飛告訴記者，主流的熱水器控溫主要依靠石蠟裝置，但這種裝置測(cè)溫的誤差較大，一般能達(dá)到5℃~10℃。石蠟裝置上還容易附著水垢，影響控溫。此外，我們?cè)谏钪幸步?jīng)常會(huì)遇到這樣的場(chǎng)景，當(dāng)洗澡時(shí)，外面有人忽然擰開(kāi)冷水龍頭，冷水突然泄壓，洗澡的水溫就會(huì)突然上升，容易將人燙傷。

使用形狀記憶合金制成的閥門(mén)可以完美解決這些問(wèn)題，閥門(mén)不會(huì)附著水垢，控溫也十分精準(zhǔn)，一旦感受到溫度的劇烈變化就會(huì)及時(shí)開(kāi)關(guān)閥門(mén)。“測(cè)試中，我們反復(fù)高頻次使用了500萬(wàn)次后，記憶合金閥門(mén)仍然沒(méi)有出現(xiàn)任何損壞?！倍⊙燥w表示，該公司的記憶合金閥門(mén)在北美和歐洲市場(chǎng)大受歡迎。

醫(yī)療器械：可造骨科修復(fù)材料

在實(shí)驗(yàn)室，楊超向記者展示了用記憶合金生產(chǎn)的骨科植入醫(yī)療器械。目前，骨科使用固定的鋼板以鈦合金為主，但鈦合金不具備自適應(yīng)和超彈性，與骨骼的貼合也不理想。而使用4D打印的鎳鈦形狀記憶合金，憑借其自適應(yīng)能力，可以比較完美地貼合骨骼，同時(shí)起到支撐和修復(fù)作用。

記者看到，這些記憶合金骨科修復(fù)材料并不是“鐵板一塊”，表面布有密密麻麻的孔洞，有助于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的交換，促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)和修復(fù)。楊超介紹，學(xué)校與北京力達(dá)康科技有限公司和中山大學(xué)腫瘤防治中心合作，研制了多種4D打印鎳鈦?zhàn)赃m應(yīng)構(gòu)件，并已為骨腫瘤患者志愿者進(jìn)行了多例臨床植入手術(shù)，取得不錯(cuò)的臨床效果。

航空航天：開(kāi)發(fā)柔性機(jī)翼替代擾流板

楊超介紹，目前團(tuán)隊(duì)還利用4D打印形狀記憶合金技術(shù)與國(guó)內(nèi)多家科研院所合作，開(kāi)發(fā)適用于航空航天領(lǐng)域的新型零部件。例如，用4D打印的超彈性記憶合金的柔性機(jī)翼，可以替代擾流板的功能，目前已研制出縮比機(jī)翼驗(yàn)證件。

此外，楊超團(tuán)隊(duì)試驗(yàn)在鎳鈦合金中加入鉑、鉿等金屬元素，研制出高溫自適應(yīng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)換熱構(gòu)件，使其形變的臨界溫度大大提高，達(dá)到提高能效的目的。

手術(shù)：助力機(jī)器人切除肺結(jié)節(jié)

楊超介紹，目前，手術(shù)機(jī)器人可以通過(guò)支氣管深入肺部，并依靠前端由鎳鈦記憶合金制成的柔性“機(jī)械手”，對(duì)肺結(jié)節(jié)進(jìn)行切除，該技術(shù)相較傳統(tǒng)開(kāi)胸手術(shù)更安全、創(chuàng)傷小。手術(shù)機(jī)器人來(lái)到指定位置后，只需要人為調(diào)整記憶合金的溫度，就會(huì)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手在體內(nèi)變形、靈活伸展，將肺結(jié)節(jié)穩(wěn)穩(wěn)“包裹”，再配合切除裝置完成操作。

大院大所談創(chuàng)新：科研育人協(xié)同創(chuàng)新

華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院不僅在4D打印智能材料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重要突破，也在軟磁材料及其電感磁粉芯方向持續(xù)深耕。以點(diǎn)帶面，學(xué)院在多個(gè)賽道上同步發(fā)力，構(gòu)建起“科研育人協(xié)同創(chuàng)新”的新格局。

其中，2022級(jí)機(jī)械類(lèi)創(chuàng)新班本科生楊洋，在楊超團(tuán)隊(duì)的精心培育與指導(dǎo)下，組建本科生團(tuán)隊(duì)進(jìn)行智變塑形仿生鎳鈦合金構(gòu)件4D打印技術(shù)研究，兩年內(nèi)共申請(qǐng)17項(xiàng)專(zhuān)利，并在2024年中國(guó)國(guó)際大學(xué)生創(chuàng)新大賽中榮獲銀獎(jiǎng)。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)也在軟磁材料領(lǐng)域持續(xù)攻堅(jiān)，聚焦5G通信和新一代半導(dǎo)體對(duì)電感磁粉芯性能提出的新要求。針對(duì)傳統(tǒng)非晶磁粉芯存在孔隙率高、內(nèi)應(yīng)力大、性能難兼顧等問(wèn)題，楊超團(tuán)隊(duì)提出基于超聲流變局部自適應(yīng)絕緣結(jié)構(gòu)的一體化成型工藝，顯著提升了磁導(dǎo)率和直流偏置性能，將磁損耗降至傳統(tǒng)工藝的1/20。該成果發(fā)表于《自然·通訊》（NatureCommunications），獲授國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利4件。

近五年來(lái)，學(xué)院與大灣區(qū)超過(guò)1000家企業(yè)展開(kāi)產(chǎn)學(xué)研合作，合作經(jīng)費(fèi)近10億元。與多家龍頭企業(yè)共建聯(lián)合創(chuàng)新研究實(shí)驗(yàn)室60多個(gè)，在阻容感器件材料及制造方向與廣東風(fēng)華高科共建“先進(jìn)制造聯(lián)合研究中心”，已研制出多型號(hào)產(chǎn)品。

目前，學(xué)院依托“五系兩所一中心”的架構(gòu)，跨學(xué)院跨專(zhuān)業(yè)成立了高分子智能制造、精密裝備與智能機(jī)器人、智能電動(dòng)汽車(chē)、工業(yè)人工智能、激光與增材制造、工業(yè)軟件等九個(gè)創(chuàng)新研究中心，搭建起從基礎(chǔ)研究到裝備開(kāi)發(fā)、從產(chǎn)品驗(yàn)證到成果轉(zhuǎn)化的全鏈條創(chuàng)新體系，為國(guó)家和廣東省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效。

華南理工大學(xué)　學(xué)生記者團(tuán)

信息來(lái)源：廣州日?qǐng)?bào)科技周刊

初審：鮑恩

二審：盧慶雷

終審：鄒浩

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