劉環(huán)環(huán) 郭飛余 王娟娟 李世榮 魏彥林 白云山，*

（1.陜西師范大學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 陜西 西安 710062；2.陜西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 陜西 西安 710119）

2010年5月5日，國務(wù)院常務(wù)會(huì)議審議并通過的《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》中，要求高校積極開展科學(xué)普及工作，提高公眾科學(xué)素質(zhì)。2016年5月，習(xí)近平總書記提出“科技創(chuàng)新、科學(xué)普及是實(shí)現(xiàn)發(fā)展的兩翼，要把科學(xué)普及放在與科技創(chuàng)新同等重要的位置。沒有全民科學(xué)素質(zhì)普遍提高，就難以建立起宏大的高素質(zhì)創(chuàng)新大軍，難以實(shí)現(xiàn)科技成果快速轉(zhuǎn)化”。由此可見，科學(xué)知識(shí)普及對于公民而言非常重要。

材料是我們?nèi)祟惿钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。從人類起源至今以來，材料自始至終在社會(huì)中起著至關(guān)重要的作用，每一種新材料的出現(xiàn)及其應(yīng)用，往往會(huì)引起人類社會(huì)的重大變革。當(dāng)今，智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計(jì)材料之后的第四代材料，是現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一。

記憶合金［1-9］材料就是重要的智能材料之一，是由兩種以上金屬元素所構(gòu)成并通過熱彈性與馬氏體相變及其逆變而具有形狀記憶效應(yīng)的材料。由于具有優(yōu)異的性能，記憶合金材料廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械電子、生物醫(yī)療、橋梁建筑、汽車工業(yè)及日常生活等多個(gè)領(lǐng)域。基于此，將記憶合金材料制作成科普儀器，可以讓公眾更好地了解記憶合金材料的功能、體驗(yàn)記憶合金材料在生活中的作用、感受以記憶合金材料為代表的智能材料的魅力。

在科普儀器研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，市場上現(xiàn)有的記憶合金科普儀器存在設(shè)計(jì)不完善、制作水平低、使用不便、展示效果差等問題。例如：記憶合金熱能發(fā)動(dòng)機(jī)需要持續(xù)不斷地?zé)崴?yīng)才能連續(xù)工作，記憶合金水車的葉片容易脫落。在陜西師范大學(xué)陸港小學(xué)開展科普宣教展演過程中，學(xué)生們對記憶合金科普儀器很感興趣，但由于受儀器自身?xiàng)l件限制，不能連續(xù)工作，造成后面參觀的小學(xué)生無法看到“記憶合金”科普儀器的工作，展示效果受到影響。再者，目前“記憶合金”科普儀器通常只是單一展示形狀變化，并未切合實(shí)際生活，不能使公眾感受記憶合金材料在生活中的重要作用。基于此，筆者對現(xiàn)有的記憶合金熱能發(fā)動(dòng)機(jī)、水車進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對相關(guān)組件進(jìn)行完善改進(jìn)，提高儀器性能，增強(qiáng)設(shè)備的使用便利性及展示效果；同時(shí)開發(fā)了一套貼近大眾生活的“記憶合金”報(bào)警器，使公眾充分了解記憶合金的性能及其在實(shí)際生活中的重要用途。

一、實(shí)驗(yàn)原理

形狀記憶合金是通過熱彈性與馬氏體相變及其逆變而具有形狀記憶效應(yīng)的由兩種以上金屬元素所構(gòu)成的材料。它是形狀記憶材料中形狀記憶性能最好的材料，可分為單程記憶效應(yīng)、雙程記憶效應(yīng)和全程記憶效應(yīng)，如圖1所示。單程記憶效應(yīng)指形狀記憶合金在較低的溫度下發(fā)生變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀；雙程記憶效應(yīng)指形狀記憶合金加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)又能恢復(fù)低溫相形狀；全程記憶效應(yīng)指形狀記憶合金加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤睢Ｐ螤钣洃浐辖疬€有一種形變——偽彈性，在外力作用下，形狀記憶合金具有比一般金屬大得多的變形恢復(fù)能力，即加載過程中產(chǎn)生的大應(yīng)變會(huì)隨著卸載而恢復(fù)。這種偽彈性變形記憶合金在醫(yī)學(xué)和建筑減震以及日常生活方面得到了普遍應(yīng)用。本文主要是針對非偽彈性的記憶合金科普儀器性能進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

圖1 不同種類的形狀記憶合金的形狀變化

記憶合金熱能發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是彎曲的記憶合金絲受熱伸直驅(qū)動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)。它在高溫時(shí)伸直，低溫不變，屬于單程記憶合金。記憶合金水車中的葉柄在熱水中彎曲，相當(dāng)于船槳在水中劃行，驅(qū)使記憶合金水車轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)葉柄轉(zhuǎn)到上方時(shí)，空氣冷卻，使其向相反的方向彎曲，記憶合金水車的重心偏移，迫使記憶合金水車轉(zhuǎn)動(dòng)。記憶合金水車的葉柄屬于全程記憶合金。感溫記憶合金報(bào)警器中的關(guān)鍵部件就是記憶合金彈簧。它受熱時(shí)，彈簧伸長，連通電路，報(bào)警器響起來，警燈亮起來；冷卻后，彈簧收縮，電路斷開，報(bào)警器停止工作。這里用的記憶合金彈簧屬于雙程記憶合金。

二、記憶合金熱能發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)

目前，市場上的記憶合金熱能發(fā)動(dòng)機(jī)是由培養(yǎng)皿、記憶合金絲、兩個(gè)輪子（一大一小）、支架及底座組成。培養(yǎng)皿用來盛熱水，彎曲的記憶合金絲受熱水加熱后伸直，在變形的過程中產(chǎn)生的力驅(qū)動(dòng)小輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)大輪子轉(zhuǎn)動(dòng)。但是培養(yǎng)皿中的熱水很快就涼了，尤其在冬天的時(shí)候熱水涼得更快，影響展示效果。同時(shí)，市售的記憶合金熱能發(fā)動(dòng)機(jī)沒有展現(xiàn)出記憶合金熱能發(fā)動(dòng)機(jī)的功能?；诖?，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先用智能控溫加熱器加熱水，確保了記憶合金熱能發(fā)動(dòng)機(jī)中的記憶合金絲能連續(xù)不斷地恒溫受熱變形，驅(qū)動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)。其次，將記憶合金熱能發(fā)動(dòng)機(jī)的大轉(zhuǎn)輪與微型發(fā)電機(jī)連接，再將微型發(fā)電機(jī)與LED 發(fā)光二極管連接。記憶合金絲受熱后變形，帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，輪子繼而帶動(dòng)微型發(fā)電機(jī)發(fā)電，從而使LED 發(fā)光二極管發(fā)光，如圖2 所示。這樣的展示，不僅使公眾體會(huì)到記憶合金絲的變形及在實(shí)際中的應(yīng)用，同時(shí)還能沉浸式地感受到先進(jìn)材料帶來的科技創(chuàng)新。

圖2 改進(jìn)的記憶合金熱能發(fā)電機(jī)

三、記憶合金水車的改進(jìn)

如圖3 所示，直接購買回來的記憶合金水車的熱源來自塑料水槽中的熱水，每次展示時(shí)，需要提前燒好大量的熱水（約6 L）。由于塑料水槽沒有加熱和保溫的功能，其里面的熱水很快就冷卻下來，使得記憶合金水車工作時(shí)間短（約5 min），展示效果不佳。為解決目前記憶合金水車的不足，對其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，如圖3所示。它由葉片、葉柄、支桿、轉(zhuǎn)盤、底座和數(shù)顯恒溫水浴鍋組成。底座上固定轉(zhuǎn)盤，通過支桿將葉柄固定在轉(zhuǎn)盤上，葉片與葉柄通過導(dǎo)熱膠相連接固定。將數(shù)顯恒溫水浴鍋?zhàn)鳛榧訜嵩创嫠芰纤?，提供連續(xù)不斷的熱水，使記憶合金水車能持續(xù)不斷地工作，大大提高了記憶合金水車的展示效果。同時(shí)，采用導(dǎo)熱膠固定記憶合金葉片，解決了螺絲固定葉片容易脫落的問題。數(shù)顯恒溫水浴鍋加熱其中的水達(dá)到70 ℃左右時(shí)，水輪車的葉柄受熱水加熱彎曲變形，相當(dāng)于船槳?jiǎng)澦?，葉柄離開熱水后，空氣冷卻，其又向相反的方向彎曲變形，水輪車就連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)起來。在科技活動(dòng)展示中，公眾都感嘆之神奇，并由此展開討論其在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。

圖3 改進(jìn)的記憶合金水車

四、感溫記憶合金報(bào)警器

利用雙程記憶合金彈簧、微型變壓器、警燈、警笛設(shè)計(jì)了一套溫控報(bào)警器，如圖4所示。微型變壓器和警燈分別用螺絲固定在有機(jī)玻璃上，它們其中的一條電路連通。警燈的另一條電路與固定在有機(jī)玻璃上的銅絲連接。變壓器的另一條電路與雙程記憶合金彈簧的一端連接，并通過螺絲固定在有機(jī)玻璃上。雙程記憶合金彈簧就是一個(gè)溫控開關(guān)。當(dāng)溫度升高時(shí)，記憶合金彈簧伸長，與銅絲相接觸，電路連通，報(bào)警器工作；當(dāng)不再受熱時(shí)，記憶合金彈簧縮短，與銅絲分開，電路斷開，報(bào)警器停止工作。該套裝置貼近生活，深受公眾喜歡，同時(shí)讓參觀者了解到材料的功能與器件的功能之間的關(guān)系。

圖4 感溫記憶合金報(bào)警器

五、結(jié)論

改進(jìn)的記憶合金水車和熱能發(fā)動(dòng)機(jī)操作方便，性能良好，增強(qiáng)了展示效果。設(shè)計(jì)、開發(fā)的溫控記憶合金報(bào)警器，提高了公眾對記憶合金智能材料在生活中的用途的直觀認(rèn)識(shí)，同時(shí)還提高了公眾對科技改變生活的深刻體會(huì)，激發(fā)了學(xué)生對科學(xué)的興趣。這些優(yōu)化設(shè)計(jì)的記憶合金科普儀器已經(jīng)在綠地浐灞小學(xué)、西安市錦園小學(xué)、雁塔二中等中小學(xué)及大學(xué)學(xué)校的科技活動(dòng)中展出，如圖5所示，得到公眾的認(rèn)可。

圖5 學(xué)生正在探索記憶合金科普儀器的奧秘