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    形狀記憶風車

 

金屬也可以具有記憶嗎?如果眼鏡架被撞彎了,有可能在瞬間變的完好如初嗎?汽車被別人撞凹了,凹痕可能自動變不見嗎?記憶金屬讓這些看似不可能的任務成真了。我們把記憶金屬任意的彎曲,一旦浸到熱水中,它又在一瞬間變回原本的形狀,就像是剛剛完全沒有變形過一樣。你知道為什麼記憶金屬會有這樣神奇的效應嗎?

 

實驗演示



演示影片一(實驗演示影片)

 

演示影片二(實驗演示影片)

 

實驗原理


形狀記憶合金(Shape Memory Alloys)是一種在加熱升溫後能完全消除其在較低的溫度下發生的變形,恢復其變形前原始形狀的合金材料,這種特殊的現象稱為形狀記憶效應(Shape Memory Effect)。記憶合金是將鎳鈦各半的合金做好形狀,在攝氏四百度高溫下鍛燒十分鐘即成記憶合金。在加熱過程中,金屬原子填滿空隙,此時原子排列最緊密。我們若施力使金屬產生形變,則原子排列產生空隙。再加熱可使原子填滿空隙,金屬恢復原狀,如下圖1所示。

將一條直線型的記憶金屬彎成橢圓形,纏繞在玩具風車的轉輪上,利用記憶金屬遇熱恢復原狀的特性可以使風車自行轉動。一開始金屬線浸入熱水的部分試圖恢復直線原狀,如下圖2所示。因此產生拉力使下方轉輪轉動,下方轉輪經由金屬線帶動上方轉輪轉動。金屬線浸入熱水的部分離開熱水後受上方轉輪拉力又彎曲成橢圓形,如此記憶金屬線便可持續帶動轉輪轉動,如圖3所示。 

圖1:金屬原子排列示意圖;左邊為未加熱鍛燒的合金,而經過鍛燒處理後就呈現右邊緊密排列的情形。 

圖2:左圖為直線形狀之記憶金屬受外力後呈現彎曲狀,在受熱後便回復原本的直線形狀。 

圖3:風車轉輪之示意圖;左圖為一開始的狀態,兩個輪子由橢圓形狀的記憶金屬線連結。右圖我們將下方轉輪浸入熱水中,並按著初始轉動方向施力,會發現先接觸到熱水的一端會回復成原來的直線形狀,進而產生張力T拉緊右半側的金屬線。出熱水的另一端則會受張力拉扯,而回復成橢圓狀,如此形成一循環便可使風車自行旋轉。 

 

 

問題討論


1.你知道記憶金屬目前有哪些應用嗎?

2. 在有地熱的地方,我們可以用地熱來驅動發電機,引擎和記憶金屬都是可以將熱轉換成力學能的裝置,請問你可以估計一下何者的轉換效率較高嗎?
    Hint:引擎(把地熱當作熱庫,室溫當做冷庫,理想氣體為工作介質 ) ,記憶金屬 (設浸入熱庫的記憶金屬,長度會變為原長的2/3)。
 

相關連結


維基百科-形狀記憶合金

YouTube-形狀記憶體