一塊筆直的金屬板材被手掰彎

放到熱水中立馬恢復原狀

一條金屬彈簧

在熱水中處在舒張狀態

一放到冰水中立刻縮成一團

再放回熱水中

立馬又恢復舒張狀態

這種材料名叫鎳鈦形狀記憶合金

它最大的本領就是能“記住”原本的模樣

即使外力讓它形變上百萬次

依然能在一定溫度中恢復原狀

近日，華南理工大學國家金屬材料近凈成形工程技術研究中心副主任、機械與汽車工程學院副院長楊超團隊與廣東華藝衛浴實業有限公司共同研發的“具有功能基元序構的超高超彈性鈦鎳形狀記憶合金及其4D打印制備方法與應用”榮獲中國專利獎。使用該專利生產的記憶合金已應用于衛浴、醫療器械、航空航天等多個領域。

7月9日，《廣州日報》（科技周刊）整版報道這一科研成果。下面，一起來了解這一神奇的材料。

什么是記憶合金？

1962年，偶然發現金屬界“變形金剛”

人類發現記憶合金的歷史至今尚不足100年。楊超團隊的馬宏偉博士介紹，1962年，美國海軍軍械實驗室的科學家偶然發現了鎳鈦合金的形狀記憶效應——這種金屬在被彎曲變形后，只要稍微加熱，就能“啪”一下恢復形狀。就算不加熱，在常溫下，如果將其拉長或彎曲變形一定程度后，它也能自行慢慢恢復形狀。相比之下，一般金屬只要拉伸超過1%，就會發生永久變形。

單程記憶，拉長彈簧，進熱水就縮，只復原一次。

“單程記憶”：只復原一次“雙程記憶”：可多次循環

鎳鈦合金可表現出單程形狀記憶效應，也可表現出雙程形狀記憶效應。單程形狀記憶是指“有來無回”，如由鎳鈦合金制成的彈簧，被手動拉伸后，放入熱水中，就會回到原始收縮狀態，但無法再自動回到拉伸的狀態。相比之下，雙程形狀記憶則是“有來有回”，彈簧在熱水中自動舒張，在冷水中自動收縮，回到熱水中又自動舒張……

雙程記憶，熱水中舒張，冷水中收縮，反復循環。

記憶合金的“脾氣”：鎳元素說了算

科學家們進一步發現，一般來說，只有鎳元素在合金中所占原子比例在48%~52%之間，合金才能展示出形狀記憶和超彈性。鎳元素含量的些許變化，會直接導致合金的形變臨界溫度驟然升高或降低。

什么是記憶合金4D打?。?/strong>

形狀記憶合金應用廣泛，但加工成本很高，十分容易開裂。為解決這一痛點，2017年起，楊超團隊開始研發記憶合金4D打印技術——4D打印是指在3D打印過程中，復雜構件的形狀、性能和功能隨時間維度發生自適應變化的過程?！安牧显?D打印成型之后，仍能受溫度、力、電場等外界刺激影響，自主發生形狀變化或性能調整?！睏畛f。

《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》明確提出“發展增材制造”，4D打印作為前沿的增材制造技術頗受關注。為支持形狀記憶合金4D打印技術發展，楊超的項目組先后獲得廣東省重點領域研發計劃、國家自然科學基金面上項目、國家自然科學基金聯合基金重點項目等項目資金的支持。經過多年科研攻關，4D打印鎳鈦合金自適應構件技術日趨成熟。

解碼4D打印鎳鈦合金自適應構件技術

01

研發高品質鎳鈦合金粉末

用于4D打印的鎳鈦合金粉末需滿足粉末粒度分布在15~53微米之間、球形度好、流動性高、氧含量低、鎳揮發低等要求，為此，團隊創新研發了鎳鈦粉末制備和改性技術，攻克了高品質鎳鈦合金粉末制備的難題。

02

研發專用成型設備（4D打印機）

楊超介紹，該設備由華南理工大學機械與汽車工程學院宋長輝團隊研發，是一套適合于4D打印鎳鈦合金構件的增材制造裝備，解決了形狀記憶合金4D打印易開裂的成型難題。這套鎳鈦合金4D打印機的發明，同樣榮獲此次中國專利獎。

03

研發優化4D打印成型工藝

楊超團隊經過研發確立了鎳鈦合金4D打印的成型工藝路徑，建立了4D打印缺陷抑制和質量穩定策略，實現了目標化的4D打印鎳鈦合金微觀組織、功能特性及穩定性調控。

04

結構設計和應用評估

在熟練掌握4D打印記憶合金的生產技術和工藝后，如何設計出符合市場需求的產品，保證技術能落地，則需要按照市場需求進行結構設計和應用驗證，這也是科技成果轉化的重要一步，也是團隊十分看重的。

應用廣泛

楊超介紹，經過多年攻關，團隊解決了4D打印鎳鈦合金自適應構件技術應用全鏈條涉及的核心科學和技術問題，先后獲授國家發明專利24件，獲授美日發明專利3件，形成全鏈條自主知識產權的成套技術，并瞄準衛浴、航空、醫療器械等領域對復雜幾何構件和自適應性功能的需求開啟創新應用，填補了相關領域的空白，實現了相關產品的升級換代。

衛?。洪y門可反復使用500萬次

目前，楊超團隊4D打印的形狀記憶合金已應用在智能衛浴領域。團隊與江門華藝衛浴公司合作共同開發了4D打印記憶合金技術，并共享了相關專利成果。

華藝衛浴質量技術總工程師丁言飛告訴記者，主流的熱水器控溫主要依靠石蠟裝置，但這種裝置測溫的誤差較大，一般能達到5℃~10℃。石蠟裝置上還容易附著水垢，影響控溫。此外，我們在生活中也經常會遇到這樣的場景，當洗澡時，外面有人忽然擰開冷水龍頭，冷水突然泄壓，洗澡的水溫就會突然上升，容易將人燙傷。

使用形狀記憶合金制成的閥門可以完美解決這些問題，閥門不會附著水垢，控溫也十分精準，一旦感受到溫度的劇烈變化就會及時開關閥門。“測試中，我們反復高頻次使用了500萬次后，記憶合金閥門仍然沒有出現任何損壞?！倍⊙燥w表示，該公司的記憶合金閥門在北美和歐洲市場大受歡迎。

醫療器械：可造骨科修復材料

在實驗室，楊超向記者展示了用記憶合金生產的骨科植入醫療器械。目前，骨科使用固定的鋼板以鈦合金為主，但鈦合金不具備自適應和超彈性，與骨骼的貼合也不理想。而使用4D打印的鎳鈦形狀記憶合金，憑借其自適應能力，可以比較完美地貼合骨骼，同時起到支撐和修復作用。

記者看到，這些記憶合金骨科修復材料并不是“鐵板一塊”，表面布有密密麻麻的孔洞，有助于營養物質的交換，促進骨骼生長和修復。楊超介紹，學校與北京力達康科技有限公司和中山大學腫瘤防治中心合作，研制了多種4D打印鎳鈦自適應構件，并已為骨腫瘤患者志愿者進行了多例臨床植入手術，取得不錯的臨床效果。

航空航天：開發柔性機翼替代擾流板

楊超介紹，目前團隊還利用4D打印形狀記憶合金技術與國內多家科研院所合作，開發適用于航空航天領域的新型零部件。例如，用4D打印的超彈性記憶合金的柔性機翼，可以替代擾流板的功能，目前已研制出縮比機翼驗證件。

此外，楊超團隊試驗在鎳鈦合金中加入鉑、鉿等金屬元素，研制出高溫自適應飛機發動機換熱構件，使其形變的臨界溫度大大提高，達到提高能效的目的。

手術：助力機器人切除肺結節

楊超介紹，目前，手術機器人可以通過支氣管深入肺部，并依靠前端由鎳鈦記憶合金制成的柔性“機械手”，對肺結節進行切除，該技術相較傳統開胸手術更安全、創傷小。手術機器人來到指定位置后，只需要人為調整記憶合金的溫度，就會驅動機械手在體內變形、靈活伸展，將肺結節穩穩“包裹”，再配合切除裝置完成操作。

大院大所談創新：科研育人協同創新

華南理工大學機械與汽車工程學院不僅在4D打印智能材料領域實現重要突破，也在軟磁材料及其電感磁粉芯方向持續深耕。以點帶面，學院在多個賽道上同步發力，構建起“科研育人協同創新”的新格局。

其中，2022級機械類創新班本科生楊洋，在楊超團隊的精心培育與指導下，組建本科生團隊進行智變塑形仿生鎳鈦合金構件4D打印技術研究，兩年內共申請17項專利，并在2024年中國國際大學生創新大賽中榮獲銀獎。

同時，團隊也在軟磁材料領域持續攻堅，聚焦5G通信和新一代半導體對電感磁粉芯性能提出的新要求。針對傳統非晶磁粉芯存在孔隙率高、內應力大、性能難兼顧等問題，楊超團隊提出基于超聲流變局部自適應絕緣結構的一體化成型工藝，顯著提升了磁導率和直流偏置性能，將磁損耗降至傳統工藝的1/20。該成果發表于《自然·通訊》（NatureCommunications），獲授國家發明專利4件。

近五年來，學院與大灣區超過1000家企業展開產學研合作，合作經費近10億元。與多家龍頭企業共建聯合創新研究實驗室60多個，在阻容感器件材料及制造方向與廣東風華高科共建“先進制造聯合研究中心”，已研制出多型號產品。

目前，學院依托“五系兩所一中心”的架構，跨學院跨專業成立了高分子智能制造、精密裝備與智能機器人、智能電動汽車、工業人工智能、激光與增材制造、工業軟件等九個創新研究中心，搭建起從基礎研究到裝備開發、從產品驗證到成果轉化的全鏈條創新體系，為國家和廣東省戰略性新興產業和支柱產業提質增效。

華南理工大學　學生記者團

信息來源：廣州日報科技周刊

初審：鮑恩

二審：盧慶雷

終審：鄒浩

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若需轉載，敬請聯絡

郵箱：hgxcb@scut.edu.cn

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