4D打印，准确地说是用一种能够自动变形的材料制造零件，然后，只需将其放入一定的环境中，不需要连接任何机电设备，它就能按照产品设计的样子，自动伸缩变形成相应的形状。

  麻省理工大学和新加坡科技设计大学的工程师对复合材料4D打印与可塑形状记忆聚合物（SMP）进行了研究。SMP是一种热敏聚合物，它可以在弯曲或暴露于极端的压力的条件下，以不同的方式成形，而在受热环境刺激下可以恢复原来的形状。

  当汽车遇上形状记忆合金

  4D打印最关键的是形状记忆合金Shape Memory Alloys（SMA）。迄今为止，业界已发现了十几种形状记忆合金材料，其中在工业上有实用价值的有Ni-Ti合金、Cu 基合金、Fe 类合金等。由于它具有形状记忆、自动作功、超弹性、节能、热敏等特殊性能，引起了工业界广泛的重视。

  那么，当汽车遇上形状记忆合金，将会有什么故事发生呢？

  SMA所具有的记忆和温度特性，当然首先是可用于汽车上多种调节器的新型热敏元件。当然，这也同时推动了新型制动器的设计。

  汽车温控器是根据冷却水温度的高低自动调节进入散热器的水量，改变水的循环范围，以调节冷却系统的散热能力，保证发动机在合适的温度范围内工作。在现有的技术中，汽车温控器是利用石蜡的热膨冷缩来进行控制的，存在动作滞后、加工易熔化等问题。如果利用记忆合金弹簧来实现温控器的开启和闭合，所有问题都将迎刃而解，非常方便！

  在汽车制动器上安装储能装置，可以把浪费的能源进行回收， 用于下一次的加速。这样， 既能降低油耗， 又有益于环境保护， 减少废气排放和噪声。这种装置的储能元件可由SMA来做，它可以储存超弹性材料SMA的应变值所允许的机械能。

  丰田汽车采用钛镍系形状记忆合金制成散热器面罩活门。其工作原理是：当发动机室内温度低于设定温度时，形状记忆合金弹簧呈现压缩状态，活门关闭，当发动机室内温度高于设定温度时，弹簧呈伸长状态，活门打开，冷空气导入发动机室内。

  在水冷式发动机上，为避免风扇带来的负面问题，通常都需要配套风扇离合器。风扇离合器主要有硅油式、电磁式等几种形式。由于SMA具有感温、驱动两种功能， 同时又可以从工作环境吸收热能，所以可用其取代离合器中的自动系统，这样使整个系统的结构简化，成本大幅度降低。SMA还具有非常好的耐腐蚀性能，所以不需要设置保护装置。

  美国军用悍马用记忆金属做成的轮胎不知道你见识过没？在这种看起来像蜂窝的轮胎面前，什么防爆轮胎都已经弱爆了！军用悍马俨然已经不是车了，而是一辆坦克！

  延伸阅读

  形状记忆合金（Shape Memory Alloys, SMA），是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其变形前原始形状的合金材料。最早关于形状记忆效应的报道是由Chang及Read等人在1952年做出的。他们观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象，但当时并未引起人们的广泛注意。直到1962年，Buehler及其合作者在等原子比的Ti-Ni合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应，才引起了科学界与工业界的重视。这种新型功能材料目前已广泛用于电子仪器、汽车工业、医疗器械、空间技术和能源开发等领域。

  一、形状记忆合金的分类

  1、单程记忆效应：形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。

  2、双程记忆效应：某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。

  3、全程记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。

  二、形状记忆合金的特性

  1、形状记忆效应：合金在某一温度下受外力而变形，当外力去除后，仍保持其变形后的形状，但当温度上升到某一温度，材料会自动回复到变形前原有的形状，似乎对以前的形状保持记忆，这种效应称为形状记忆效应。

  2、超弹性：在高于Af点、低于Md点的温度下施加外应力时产生应力诱发马氏体相变，卸载就产生逆相变，应变完全消失，回到母相状态，表观上呈现非线性拟弹性应变，这种现象称为超弹性。

  3、高阻尼特性：形状记忆合金在低于Ms点的温度下进行热弹性马氏体相变，生成大量马氏体变体（结构相同、取向不同），变体间界面能和马氏体内部孪晶界面能都很低，易于迁移，能有效地衰减振动、冲击等外来的机械能，因此阻尼特性特别好。

  4、耐磨性：在形状记忆合金中，Ti-Ni合金在高温（CsCl型体心立方结构）状态下同时具有很好的耐腐蚀性和耐磨性。可用作在化工介质中接触滑动部位的机械密封材料，原子能反应堆中用做冷却水泵机械密封件。

  5、逆形状记忆特性：将Cu-Zn-Al记忆合金在Ms点上下的很小温度范围内进行大应变量变形，然后加热到高于Af点的温度时形状不完全恢复，但再加热到高于200?C时却逆向地恢复到变形后的形状，称为逆形状记忆特性。

  三、形状记忆合金在各领域的应用

  1、医疗方面

  Ni-Ti合金是医用生物材料的佼佼者，在临床医学和医疗器械等方面广泛应用。如介入疗法，将各类人体腔内支架、经过预压缩变形后，能够经过很小的腔隙安放到人体血管、消化道、呼吸道、以及尿道等各种狭窄部位，支架扩展后，在人体腔内支撑起狭小的腔道。具有疗效可靠、使用方便、可大大缩短治疗时间和减少费用等优点。传统的骨伤手术器械包括接骨钢板、螺钉、钢丝等，手术时医生要进行钻孔、楔入、捆扎等复杂操作，对患者的机体不可避免要造成人为损伤。用形状记忆合金骨科器械手术时，医生先用低温（0~5摄氏度）消毒盐水冷却记忆合金器械，然后根据需要改变其抱合部位的形状，安装于患者骨伤部位。待患者体温将其加热到设定的温度时，器械的变形部分便恢复到原来设计的形状，从而将伤骨紧紧抱合，起到固定与支撑的作用。不仅具有手术操作简便、缩短时间和愈合周期、生物相容性优良、降低人为性损伤等优点，而且其强度是不锈钢的4倍，不会发生弯曲与断裂。血栓滤器也是一种记忆合金新产品。被拉直的滤器植入静脉后，会逐渐恢复成网状，从而阻止95%的凝血块流向心脏和肺部。

  2、工业方面

  在机械零件的连接、管道的连接，飞机的空中加油的接口处，用形状记忆合金加工成内径比欲连接管的外径小4%的套管，然后在液氮温度下将套管扩径约8%，装配时将这种套管从液氮取出，把欲连接的管子从两端插入。当温度升高至常温时，利用电加热改变温度，接口处记忆合金变形，套管收缩即形成紧固密封，远胜于焊接，特别适合用于航空、航天、核工业及船舰和海底输油管道等。利用记忆合金的感温驱动双重功能，制作机器人、机械手，体型微小，结构紧凑。在建筑领域，利用形状记忆合金制成阻尼耗能装置、隔震装置、结构加固元件。

  3、日常生活

  利用形状记忆合金控制浴室水管的水温，在热水温度过高时通过记忆功能，调节或关闭供水管道。还可以放在暖气的阀门内，用以保持室内的温度，当温度过低或过高时，自动开启或关闭暖气的阀门。还可以制成超弹性眼镜架，如果不小心眼镜架被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热就可以恢复原状。

  4、航天领域的应用

  形状记忆合金已应用到航空和太空装置。如用在军用飞机的液压系统中的低温配合连接件，欧洲和美国正在研制用于直升飞机的智能水平旋翼中的形状记忆合金材料。在太空方面，俄罗斯制作的形状记忆合金装置已达到了实用水平，如用于空间计划的大型天线和MIR空间站天线杆的连接与装配。在美国，太空计划应用形状记忆合金的驱动插销释放发射后的有效载荷，也已证实是成功的。 四、形状记忆合金的发展前景  形状记忆效应的研究开发虽然已有50多年的历史，但人们对它的关心和研究势头并未衰减。形状记忆材料，从最初的合金已扩展到陶瓷和高分子材料；并且各种先进的生产工艺技术已被用到形状记忆材料的研究、开发和应用中，例如复合技术、快速冷凝技术、薄膜制作技术等的应用，已导致了复合形状记忆材料、薄带形状的记忆材料、薄膜形状记忆材料的出现和开发应用。形状记忆材料在智能材料系统中受到高度重视。作为一种与高科技密切相关的新型功能材料，将会在军事与民用诸多领域中有重要应用，在未来科技进步中必将有更大的发展。

  五、形状记忆合金尚存在的问题

  1、由于形状记忆合金的各种功能依赖于马氏体相变，需要不断对其加热、冷却及加载、卸载，且材料变化具有延迟性，因此形状记忆合金只适用于低频（10Hz以下）窄带震动中，这就大大限制了材料的应用。

  2、形状记忆合金自身存在损伤和裂纹等缺陷，如何克服这些缺陷，改善材料性能是当前迫切需要解决的问题。

  六、结语

  综上所述，形状记忆合金作为一种新型功能材料，具有其他材料很难取代的独特优点，应用前景十分广阔。今后，随着SMA基础理论研究的日趋成熟和应用开发力度的不断加大，必将不断开拓出新的应用领域。

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