西安交大材料学院微纳中心:调控亚微米尺度形状记忆合金超弹性新途径

【成果简介】

西安交通大学材料学院微纳中心研究人员借助先进的原位纳米力学技术，系统地研究了一种镍铁稼形状记忆合金超弹性的尺寸效应。通过氦离子注入形成纳米氦泡的办法来活化亚微米尺度的形状记忆合金，从而激发其超弹性行为。研究成果已申请国家发明专利并以Helium Nanobubbles Enhance Superelasticity and Retard Shear Localization in Small-Volume Shape Memory Alloy为题于近日在线发表在材料领域知名期刊Nano letters上（Nano letters,IF:13.779, DOI:10.1021/acs.nanolett.7b01015）。

【图文导读】

图1 未加氦泡与加入氦泡的[001] Ni−Fe−Ga单晶柱抗压性能的对比

（a-c）直径为500 nm的[001] Ni−Fe−Ga单晶柱抗压性能。

（d-f）直径为500 nm的加入氦泡的[001] Ni−Fe−Ga单晶柱抗压性能。高密度的氦泡使Ni−Fe−Ga晶柱产生更稳定的应力应变，逆相变低临界应力，卸载后2%可恢复应变。

图2 [001] Ni−Fe−Ga单晶柱中位错和马氏体分别与氦泡相互作用的示意图

（a）局部位错很容易被氦泡阻塞，因为相对于氦泡尺寸，其宽度较窄。

（b）应力诱发马氏体能够绕过纳米级的氦泡，因为它们的成核尺寸大于氦泡。

【研究内容】

形状记忆合金作为一类智能材料在微电子器件领域有着广泛的应用前景。形状记忆合金的超弹性和形状记忆效应是由其高温的奥氏体相和低温的马氏体相之间在温度和应力的驱动下发生可逆相转变来实现的。然而，近期研究表明，形状记忆合金的超弹性行为具有强烈的尺寸效应。随着形状记忆合金样品尺寸的减小，其发生马氏体相变的应力逐渐提高，直至发生不可逆的塑性变形，导致超弹性性能的消失。因此，形状记忆合金在微米和亚微米尺度下超弹性的失效极大地限制了其在微电子器件领域的应用。

近日，西安交通大学材料学院微纳中心研究人员借助先进的原位纳米力学技术，系统地研究了一种镍铁稼形状记忆合金超弹性的尺寸效应。研究表明，镍铁稼形状记忆合金的超弹性具有强烈的尺寸效应: 当其样品尺寸小于1.2微米时，其超弹性性能消失，取而代之的是以奥氏体相的剪切局部化为主的塑性变形。研究者曾猜测，形状记忆合金的超弹性消失主要是由于形成了稳定的马氏体相。但微观结构观察发现，超弹性行为的消失主要是由奥氏体相的剪切局部化导致。随着样品尺寸的减小，奥氏体相发生相变的应力逐渐超过了其发现滑移或剪切局部化的应力。因此，亚微米形状记忆合金中奥氏体相的优先塑性变形和马氏体相的形核和扩展困难是导致其超弹性消失的根本原因。基于这一新型微观机制认识，研究人员提出通过氦离子注入形成纳米氦泡的办法来活化亚微米尺度的形状记忆合金，从而激发其超弹性行为。纳米氦泡的引入有两重作用：一、纳米氦泡能阻碍剪切局部化，从而抑制塑性失稳；二、纳米氦泡能促进马氏体在亚微米样品中的形核，同时纳米氦泡的空腔结构能降低马氏体扩展需克服的表面能。随后的实验证实，在500纳米的镍铁稼形状记忆合金样品中，通过“种植”大量的纳米尺度氦泡，确实能激发其超弹性行为。在小应变下，亚微米含氦泡镍铁稼样品能实现完全的超弹性；在大应变下，其展现出了稳定的应力-应变响应，在卸载过程中形成了至少2%的弹性回复。以上研究表明，通过合理“种植”纳米氦泡的办法能极大地改善和调控亚微米尺度形状记忆合金的超弹性性能，该发现可能对形状记忆合金在微纳器件领域的应用产生重要影响。

本工作由韩卫忠教授、单智伟教授和李巨教授等合作共同完成。该工作得到了国家自然科学基金、青年千人计划、国家重点研发计划、西安交通大学青年拔尖人才支持计划等项目的共同资助。

原文链接：http://news.xjtu.edu.cn/info/1004/75650.htm.

文献链接：Helium Nanobubbles Enhance Superelasticity and Retard Shear Localization in Small-Volume Shape Memory Alloy.

本文由材料人编辑部刘万春编辑，点我加入材料人编辑部。

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