投稿類別：工程技術類
篇名：
記憶了沒？—形狀記憶金屬淺談
作者：
呂宛庭。私立明德女中。普二甲
指導老師：
林昱岑老師
壹●前言
在某次翻閱科學的《神秘科學現象》書籍時，不經意發現了形狀記憶金屬，
從字面上翻譯，會讓我覺得是否金屬也和生物體一樣擁有記憶的能力，或是擁有 什麼特殊的構造，而能表現出如此的特性，讓我產生莫大的興趣，想更進一步了 解形狀記憶金屬，更進一步發現形狀記憶金屬的神奇奧妙之處，也燃起我想研究 的熱忱。
形狀記憶金屬隨著科技的日新月異，也被運用成許多的相關產品，到底形狀 記憶金屬是如何被發現的？而它有幾種類型？又與其他的金屬又有什麼不同？
它的特性又有什麼樣的神奇之處？它可帶來什麼樣的益處？希望能藉由本篇論 文能對形狀記憶金屬有更進一步的認識接觸。
貳●正文
一、形狀記憶金屬發現的歷史介紹
西元 1963 年，由於實驗的需要，有一群在美國海軍某研究機構中的研究員 奉命研究新式武器，並領回一批鎳鈦合金絲，由於這些合金絲彎彎曲曲，不便使 用，得先拉直它們才能研究，當研究人員一根一根的拉直後進行實驗，驚奇地發 現當實驗溫度升到特定的數值時，費了不少力拉直的合金絲卻全部變回當初彎彎 曲曲的形狀，後來研究人員反覆的做這個實驗，得到的結果都完全相同，證明這 些合金絲確實具有記憶的性質。
美國海軍某研究機構的這一發現，引起科學界的熱烈討論，也開啟許多科學 家對此進行深入的研究，發現銅鋅合金、銅鋁鎳合金、銅金鋅合金等具有這奇特 的本領，是因為隨著環境的變化，這些合金內部原子的排列會出現變化。如果溫 度回到原來的數值，合金內部原子的排列也會恢復到原來的排列方式，因此，其 晶體結構也會出現相應的變化。人們把具有記憶形狀效應的合金稱為「形狀記憶 金屬」，簡稱「記憶金屬」。（陳湄玲，2007）記憶金屬的「記憶能力」相當驚人，
除了能恢復原來狀態外，還能重複恢復原來狀態達上百萬次，也不會產生疲勞或 斷裂的狀態。
二、形狀記憶金屬的種類
（一）形狀記憶金屬的結構
我們知道金屬是由相同原子緊密堆積而成的，合金則是由不同的金屬原子堆 積形成的。由於金屬原子的大小和結構各有不同，所以形成合金的條件也相異，
因而擁有不同的晶體結構，可分為「沃斯田體結構」和「麻田散體結構」。「一 般認為「記憶合金」具有麻田散體相變，加熱到相變溫度時，就從「麻田散體結 構」轉變成「沃斯田體結構」，恢復原來的形狀。」（蘇明德，2009）舉例來說，
當在低溫時，合金處於「麻田散鐵相」，這時合金內的晶體結構是比較柔軟的長 斜方晶系形態，原子間的距離在受力時可作任意改變，所以我們可以任意扭曲合 金的外型。當我們將合金加熱到高於一個臨界溫度時，合金則處於「沃斯田鐵 相」，這時合金內的晶體排列將為堅固的體心立方結構，原子間的距離會回復到 受力前的樣子，合金便會變回原來的狀態。也就是說，具有「麻田散體相變」的 合金，在處於相變溫度時具有記憶能力，這種相變溫度就稱作「記憶合金」的「記 憶溫度」。
圖（一）鎳鈦兩種不同的相。
資料來源：有趣問題─金屬也有記憶?
http://www.phy,cuhk.edu.hk.phyworld/iq/memort_ally/memory.htmnl
（二）形狀記憶金屬的類型
目前已知具有形狀記憶能力的合金主要有3類：「鐵基合金，如鎳–鈦合金；
銅基合金，如銅–鋅–鋁、銅–鋁—鎳」（蘇明德，2009）等。而它們的優缺點 各不同，以下以表格作為比較。
表格一 形狀記憶合金的相關比較
價格 優缺點
鐵基合金 最便宜 剛性好，強度也大，又易加工
銅基合金 較便宜(鎳–鈦合金的10％) 可靠性差
鎳—鈦合金 價格貴 性能好，可靠性強
鎳–鈦合金的應用比較廣泛，因為它的「記憶溫度」可以藉由調節成分的比 例來做控制。舉例來說，「50％鎳和50％鈦的合金記憶溫度是攝氏40度，但55％
鎳和45％鈦的合金在室溫下就具有記憶能力了。」（蘇明德，2009）當鈦的含量 高時，合金的記憶溫度可達攝氏120度以上，相反的當鎳含量高時，合金的記憶 溫度就會降低，因此可得知鎳鈦的比例將取決於記憶溫度的高低。
（三）形狀記憶金屬的記憶效應
形狀記憶金屬的記憶效應可分為三種：
1. 單程記憶效應
形狀記憶金屬在較低的溫度下變形，加熱後可恢復變形前的形狀，
此種在加熱過程中產生的形狀記憶現象稱為單程記憶效應。
2. 雙程記憶效應
某些記憶金屬加熱時恢復高溫相的形狀，冷卻時又能恢復到低溫相 的形狀，此種稱為雙程記憶金屬。
3. 全程記憶效應
某些記憶金屬加熱時恢復高溫相的形狀，冷卻時變為形狀相同而去 向相反而低溫相的形狀，此種稱為全程記憶效應。
三、形狀記憶金屬的應用發展
由於形狀記憶金屬具有特殊的記憶功能，才可以廣泛的應用在航空、衛星、
醫療、生物工程、能源、自動化等方面，以下舉出幾個相關應用。
（一） 航空應用
鎳鈦合金在1960年代就成功地用於製作軍用飛機液壓系統的接頭。原 先，飛機液壓系統中的接頭經過熱漲冷縮後，很難保證其密封性，若採用鎳 鈦「記憶合金」的接頭，就可確保萬無一失。
（二） 衛星應用
阿波羅登越艇曾在月亮上設置過月面天線，太空人的形象和聲音就是 通過無線電波從38萬公里外的月球傳送到地球上的。人們就是依靠鎳鈦「記 憶合金」製成的天線，把月球上蒐集到的大量珍貴資料，發送到地面。月面 天線的直徑長數公尺，研究人員先將鎳鈦「記憶合金」製成半球形天線，然 後降低溫度降低壓成小團裝入登月艇，等天線隨著登越艇到達月球表面時，
由於太陽光的照射溫度上升，天線便會恢復到本來的形狀。
（三） 醫療、生物工程應用
1.目前，骨科用的鋁合金假腿也常採用「記憶合金」做為套管接頭。
先把「記憶合金」鉚釘製成鉚接時所需的形狀，在使用時先讓它冷卻到
「記憶溫度」以下，並把它的兩隻腳拉直後插進被緊緊固定的孔中。然 後使溫度恢復到「記憶溫度」以上，這時鉚釘恢復原來的形狀，兩隻被 拉直的腳也恢復原形，在不需捶擊的情況下就能達到緊緊鉚住固定件的 目的。
圖（二）以形狀記憶合金套管連接的鋁合金假腿 資料來源：蘇明德（2009）。形狀記憶合金。科學發展，443，66
2.根據葉錫誼（2002）的論文指出，較不易腐蝕的材料在人體中較 不易引起生理的免疫反應，鎳鈦合金因表面以鈦的氧化物為主活性較 低，而有非常好的耐腐蝕性質，因此具有極佳的生物相容性，目前正逐 漸被廣泛應用在生醫材料的領域內。
3.黄世明（2006）的論文指出1975年學者發表含Nickel（鎳） 60% 的 Nitinol合金，認為這一項新發現的合金材料在牙科的應用上應有好表 現，學者於1988年，他們首先研究將鎳鈦合金金屬用於根管治療，研究 目的為與傳統不銹鋼金屬器械作比較，尤其是使用在彎曲的根管中，其 研究指出鎳鈦合金其彈性在尚未達到其彈性限度之前為不銹鋼金屬的2 到3倍。因此，許多學者利用鎳鈦金屬作了一些相關的研究發現鎳鈦器 械的高度彈性將使的根管製備的過程中產生的副作用的情形大為降低。
鎳鈦合金所製造的根管器械具有形態記憶金屬，特性及高度的彈性，並 且比起傳統不銹鋼器械具有更強的抗疲勞性，不僅能減少根管治療中偏 移的機會，更能有效地在彎曲的根管中使用並且盡量地維持原始的根管
途徑，雖然鎳鈦旋轉器械表現出超彈性的性質，並且在其彈性限度內仍 能維持一定的狀態，但這狀態若發生在不銹鋼金屬時卻會造成永久的塑 性變形。
4.牙科使用鎳鈦合金製成的矯齒絲,利用人口腔的溫度，來幫患者做 牙齒矯正手術，醫生使用口腔矯齒絲之前，先會準備矯正的牙齒模型，
然後根據模型把口腔腳齒絲彎成牙齒的形狀，再將它固定在牙齒上，每 過一段時間就得更換一次，每更換一次就會更加趨近於原來的形狀，牙 牙齒就是在這變形的過程中慢慢達到矯正的功用。
（四） 工業應用
在眼鏡行業中，形狀「記憶合金」常用來製成眼鏡片固定絲。一般認 為眼鏡片固定絲裝入鏡片凹槽時並不緊，其實任憑使用者用勁擦拭或氣溫如 何變化，鏡片都不會從鏡框上脫落，因為這種用「記憶合金」做的眼鏡片固 定絲能利用自身的超彈性逐漸繃緊，達到固定的作用。
（五） 自動化應用
形狀「記憶合金」可以製成各種自控裝置。例如，報警器它的電源觸 頭在室溫下是彎的。一旦起火了，室內溫度上升，具有雙向記憶功能的合金 片便會自動伸直，接通警報電源，發出火警信號。因此，以「記憶合金」製 作火警報警器和自動滅火器，應是相當安全的選擇。
圖（三）用記憶合金製成的伸縮自如的眼鏡
資料來源：陳湄玲（主編）（2007）。神秘科學現象。台北縣：人類智庫股份有限公司。
四、形狀記憶金屬使用上的考量
根據葉錫誼（2002）使用上可從三個方向來做考量
（一） 是著重於鎳鈦合金的形狀記憶效應，論文中提到，要植入生物體中 的材料，往往都已經設計成所要的特殊形狀，是它可以在生物體中發揮 它所預期功能，但卻因特殊的形狀，使得增加其植入手術的困難度。若 使用鎳鈦合金製成的材料在手術時，則可以利用降低溫的方法，使材料 變形為較易進行手術的形狀，植入生物體後，再因體溫而回復到至預期 的形狀，而增加手術上的便利性。
（二） 則是著重在鎳鈦合金的超彈性，舉例來說，傳統上在進行骨折固定 或牙科的矯正時，常會使用不銹鋼材料對特定位置施加應力來固定形 狀，但隨著植入時間的增加，材料的應力也會逐漸變小，而失去效果。
但若是應用鎳鈦 合金的超彈性來固定時，因超彈性牽涉到兩晶相間的 變化，與熱力學的平衡有關，故回復力不會因為時間而改變，因此能夠 提供持續相同的應力。
（三） 是鎳鈦合金具有相對較低的彈性係數，因此具有較佳的彈性，適合 作為人工導管的材料，例如可編織成人體導管的支架等。然而，鎳鈦合 金在生醫材料上的應用，卻有一個明顯的缺點，雖然因耐腐蝕性佳而具 有良好的相容性，但也因此也造成對血液的相容性較差，在使用時受到 限制。
五、形狀記憶金屬帶來的利益
根據經濟日報的相關報導，所謂的智能材料就是材料的作用和功能，可隨外 界條件的變化並且擁有意識的調節、修飾和修復，它是一種能感知外部刺激、判 斷並適當的處理，未來，它將是人類邁向智慧化生活不可或缺的材料，扮演著相 當重要的角色。「智能材料特別之處，就是它擁有像生物一樣能感應附近的環境，
並做出適當的反應的特性」（【PIDC】，2010），如果運用的得宜，用智能材 料所做的零件可以取代一個複雜系統的幾個環節，可減低系統的大小及複雜性，
所以智能材料與智能結構有著巨大的潛在應用前景，其發展將推動和帶動許多方 面的技術進步。
根據工商時報的相關報導，將籌設醫療器材快速模型製造中心，並與工研院 生醫中心及金屬中心結盟，提供產品快速模型製造的服務，讓業者或設計者的產 品構想，可快速進入商品化階段。
「短慧型高分子塑膠材料，可開發具有記憶性材質的醫療器材」（【PIDC】，
2010），這些都是醫療器材快速模型製造中心未來可以承接與拓展的相關業務。
醫療器材因牽涉到系統的機電整合與材料運用等相關領域，也為大眾帶來更好的 生活品質。
参●結論
金屬與形狀記憶金屬的差異是在於性質、結構的不同，金屬是由相同的原子 堆積而成的，至於形狀記憶金屬則是由不同的金屬原子堆積形成的。而形狀記憶 金屬其本身性質具有耐腐蝕性及當溫度升到特定溫度時，改變後的形狀皆會恢復 成原來未改變前的形狀，我們知道是結構體由「麻田散體結構」變為「沃斯田體 結構」的改變所造成的。
而相關應用則是利用體溫，使其恢復原本預期的形狀，此項性質為手術帶來 許多的便利性。還有牙科、航空、衛星、醫療、生物工程、能源、自動化等相關 方面的例子，再者，其性質具有不易腐蝕，在人體中較不易引起生理的免疫反應，
在植入生物體中的手術，將鎳鈦合金製成的材料植入生物體，利用降低溫度的方 法，使材料成為較易使手術進行的形狀，從這些方面可得知鎳鈦合金為我們人類 所帶來的福祉是相當大的，未來我們應努力的方向應該是如何使其成本降低，提 高產量以及增加記憶合金的種類，讓它們為人們帶來更大的經濟效益。
肆●引註資料
一、書籍
（一） 陳湄玲（主編）（2007）。神秘科學現象。台北縣：人類智庫股份 有限公司。
二、博(碩)士論文
（一） 黄世明（2006）。鎳鈦旋轉器械應用於根管切削之力學行為分析。
中原大學醫學工程學系。
（二） 葉錫誼（2002）。NiTi 記憶金屬表面之血栓調節素固定化，及其 生物活性與血液相容性之研究。國立成功大學化學工程學系。
三、網路資料
（一） 有趣問題─金屬也有記憶? 。2011 年 01 月 25 日。取自
http://www.phy,cuhk.edu.hk.phyworld/iq/memort_ally/memory.htmnl 四、期刊論文
（一） 蘇明德（2009）。形狀記憶合金。科學發展，443，66 五、電子資料庫
（一） 【PIDC】財團法人塑膠工業技術發展中心 （2010）。人類邁向智
慧化要件智能材料引領世紀生活。經濟日報。12 月 09 日。
（二） 【PIDC】財團法人塑膠工業技術發展中心 （2010）。塑膠中心、
工研院生醫中心、金屬中心結盟聯手打造醫材快速模型製造中心 。工商時報。08 月 25 日。
六、圖片資料來源
（一） 圖（一）有趣問題─金屬也有記憶? 。2011 年 01 月 25 日。取自
http://www.phy,cuhk.edu.hk.phyworld/iq/memort_ally/memory.htmnl
（二） 圖（二）蘇明德（2009）。形狀記憶合金。科學發展，443，66
（三） 圖（三）陳湄玲（主編）（2007）。神秘科學現象。台北縣：人類
智庫股份有限公司。
