金屬並不一定“高冷”,只是暖的不是你_風聞
中科院之声-中国科学院官方账号-2019-05-14 14:00
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金屬,給人的感覺都是“一首涼涼送給你”。豈不知,有一種叫做“形狀記憶合金”的金屬材料,在受到外力作用時,還可以發生晶體結構的改變,稱為“馬氏體相變”。相變過程中,不但結構、外形發生變化,連温度都可以升高!當外力去除時,又變回了原來的狀態,温度也隨之降了下來。
圖1 彈熱效應原理示意圖
温升温降的原因是馬氏體相變過程具有很大的“相變潛熱”,表現出吸放熱的物理現象。用力去壓形狀記憶合金,原本冰涼的“酷哥”馬上就會給你一種温暖的感覺,科學家把這種神奇的現象稱作“彈熱效應”。
有的材料如鎳鈦合金,温度升高可達30℃,但是需要很大的外力,通常要4-5個成年人重量壓在3毫米見方面積上的力量,才能驅使這個有些慵懶的傢伙發生相變和温變。巨大的外力載荷無疑是將材料做成可用器件的攔路虎。
圖2 “摺扇狀”的孿晶組織(圖片來源於網絡)
中科院寧波材料所劉劍研究員帶領的“磁性相變材料”團隊,最近在一種磁性形狀記憶合金-鎳鐵鎵中,觀察到只要用鎳鈦合金的十分之一外力就可以把相變喚醒。
這其中的奧秘是,鎳鐵鎵材料的馬氏體結構十分獨特。它內部有細小的微孿晶組織,就像一把摺扇一樣,輕輕一搓就容易打開;再反向一捏就可以合上。對比來説,鎳鈦這種馬氏體組織比較“強硬”,硬拉硬扯才會啓動相變,弄不好還容易被拉撤斷,耐疲勞性能也不好。
圖3 孿晶馬氏體(圖片來源於網絡)
有了低外力誘導温變材料的發現,這種可以變温暖的金屬就更容易貼近生活了。一些科學家已經依據彈熱效應,製造出彈熱製冷原型機,無論是環保、節能,還是降噪,都比現在普遍採用的氣體壓縮製冷要更勝一籌。可以預見,使用鎳鐵鎵磁性形狀記憶合金以後,彈熱冰箱的體積和造價都會減小很多。
更為有趣的是,彈熱效應是純機械製冷制熱,理想情況下,可以不用電驅動,對於户外運動愛好者是個大好消息。未來的登山愛好者,不用揹負重重的蓄電池,只要帶上一個彈熱水杯,上好發條,即可坐等一杯温水出來,暖胃又貼心。
圖4 未來彈熱水杯,上好發條,即可坐等一杯温水出來
圖5 壓力下變熱的彈熱材料
當然,真正讓彈熱材料走進生活的道路還很漫長,材料加工、性能評估和熱系統設計等許多基礎研究工作都需要完善。但人們對未來生活的美好向往是打開科學之門的金鑰匙,也是科研人員的使命所在,相信不久的將來,彈熱金屬會讓更多人感受到它的温暖!
來源:中國科學院寧波材料技術與工程研究所