• 2020.08.27
    星期四

溫度+壓力 改變合金結構
記憶物料任扭「神還原」

[2020.08.27] 發表
防水透氣膜Diaplex製成的衣物,冬天穿能保暖,夏天穿能排汗透氣。原理是物料在低溫環境下, 聚合物分子鏈排列固定及緊密,從而減少汗水及熱力流失。溫度高時,分子鏈排列鬆動,形成空隙,有助排汗及排熱。(網上圖片)

每個人都有記憶,但如果說金屬也有「記憶」,或許讓人感到不可思議。市售的記憶金屬眼鏡,採用「形狀記憶合金」物料製成,儘管將其折彎扭曲,也可恢復原來形狀,無損眼鏡結構。金屬以外,一些聚合物亦有「記憶」功能,製造衣物可防皺防縮水,或兼具保暖及排汗功能,記憶物料為何如此神奇?

一種材料擁有「記憶」,意思是它會「記荂v自己的形狀,無論被扭曲成什麼樣子,只要在特定溫度或者壓力釋放等條件下,均可以恢復原狀。

香港城市大學材料科學及工程學系副教授鍾志源,研究記憶材料多年。他表示,記憶材料有3大類,包括「形狀記憶合金」(Shape Memory Alloy,SMA)、「形狀記憶聚合物」(Shape Memory Polymer,SMP)和「形狀記憶混合物」(Shape Memory Hybrid,SMH),當中以形狀記憶合金的記憶特性最早被人類發現。

鎳鈦合金 靈活耐用多用途

合金是指由2種或以上金屬所組成,但並非所有合金都具備記憶功能,已發現擁有記憶功能的合金,包括金鎘合金、銅鋅合金、鎳鈦合金等,但論穩定、耐用及靈活度,鎳鈦(Ni-Ti)合金較佳,鍾志源說:「鎳鈦合金能承受很大的拉力和壓力,並可藉蚑晢梒鴗挏g比例來調節回復原狀的溫度,而且抗腐蝕功能比不鏽鋼更好,因此被廣泛應用,製作成不同類型產品,如控溫水龍頭、眼鏡框、牙齒矯形絲及血管擴張器等。」

金屬具「記憶」能力,原因與合金晶體結構改變有關,它在特定溫度以上或以下,呈現了兩種晶體結構。例如長條狀的形狀記憶合金,在低於相變溫度時,合金內的晶體呈柔軟傾斜狀(馬氏體晶體結構,Martensite),因此可以把它扭曲變形。但只要將其加熱,例如用熱水浸或火燒,合金內的晶體變回對稱及堅固的立方狀(奧氏體晶體結構,Austenite),合金會如魔術般回復原先的直條狀,以上現象稱為形狀記憶效應(shape memory effect)。

超彈性 輕微拉長無損結構

除了「記憶效應」,形狀記憶合金還有一個被稱為「超彈性」(superelastic)的特質,就是在略高於相變溫度下對它施力扭曲,甚至輕微拉長1%至8%亦不會破壞物料結構,只要把壓力(或拉力)放開,便瞬間回彈成原始形狀,背後原理同樣與馬氏及奧氏晶體結構轉換有關。

聚合物製記憶衣物 冬暖夏涼

除了鎳和鈦兩種金屬,形狀記憶聚合物也可製成紡織材料,變形和恢復原理跟合金大同小異,就是當受到一定條件,如溫度、壓力、光線等刺激下,分子排列從一個形態轉為另一個形態。城市大學生物醫學工程學系教授胡金蓮早年在理工大學做記憶衣物研究,在布料中加入形狀記憶聚氨酯,在指定溫度環境中,物料能恢復原始狀態,使衣物具防皺、防縮水、防變形等功能。例如衣物即使被壓得皺紋滿佈,甚至變形,只需放入60℃熱水一會,衣物便可回復平滑及原狀。

防皺不縮水 感應溫度變化

世界各地正研發具記憶功能的紡織品,香港理工大學紡織及服裝學系副教授葉曉雲表示:「有日本公司發明了一種具形狀記憶功能的聚氨酯類聚合物Diaplex薄膜製作運動衣物,透過感應人體或環境溫度變化,令薄膜內的分子鏈排列不同,從而做到冬天保暖,夏天透氣排汗功能。例如天氣寒冷時,聚合物分子鏈排列固定緊密,抑制水分子(汗)散失,保持體溫。炎熱時則相反,分子排列不再整齊,形成空隙利於汗水蒸發及排熱,從而達到降溫效能。」

文:李佩雯

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