高冷金属也有温暖一面

金属，给人的感觉都是“一首凉凉送给你”。岂不知，有一种叫做“形状记忆合金”的金属材料，在受到外力作用时，还可以发生晶体结构的改变，称为“马氏体相变”。相变过程中，不但结构、外形发生变化，连温度都可以升高！当外力去除时，又变回了原来的状态，温度也随之降了下来。

 

图1 弹热效应原理示意图

温升温降的原因是马氏体相变过程具有很大的“相变潜热”，表现出吸放热的物理现象。用力去压形状记忆合金，原本冰凉的“酷哥”马上就会给你一种温暖的感觉，科学家把这种神奇的现象称作“弹热效应”。

有的材料如镍钛合金，温度升高可达30℃，但是需要很大的外力，通常要4-5个成年人重量压在3毫米见方面积上的力量，才能驱使这个有些慵懒的家伙发生相变和温变。巨大的外力载荷无疑是将材料做成可用器件的拦路虎。

 

图2 “折扇状”的孪晶组织（图片来源于网络）

中科院宁波材料所刘剑研究员带领的“磁性相变材料”团队，最近在一种磁性形状记忆合金-镍铁镓中，观察到只要用镍钛合金的十分之一外力就可以把相变唤醒。

这其中的奥秘是，镍铁镓材料的马氏体结构十分独特。它内部有细小的微孪晶组织，就像一把折扇一样，轻轻一搓就容易打开；再反向一捏就可以合上。对比来说，镍钛这种马氏体组织比较“强硬”，硬拉硬扯才会启动相变，弄不好还容易被拉撤断，耐疲劳性能也不好。

 

图3 孪晶马氏体（图片来源于网络）

有了低外力诱导温变材料的发现，这种可以变温暖的金属就更容易贴近生活了。一些科学家已经依据弹热效应，制造出弹热制冷原型机，无论是环保、节能，还是降噪，都比现在普遍采用的气体压缩制冷要更胜一筹。可以预见，使用镍铁镓磁性形状记忆合金以后，弹热冰箱的体积和造价都会减小很多。

更为有趣的是，弹热效应是纯机械制冷制热，理想情况下，可以不用电驱动，对于户外运动爱好者是个大好消息。未来的登山爱好者，不用背负重重的蓄电池，只要带上一个弹热水杯，上好发条，即可坐等一杯温水出来，暖胃又贴心。

 

图4 未来弹热水杯，上好发条，即可坐等一杯温水出来

 

图5 压力下变热的弹热材料

当然，真正让弹热材料走进生活的道路还很漫长，材料加工、性能评估和热系统设计等许多基础研究工作都需要完善。但人们对未来生活的美好向往是打开科学之门的金钥匙，也是科研人员的使命所在，相信不久的将来，弹热金属会让更多人感受到它的温暖！

来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所

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