智能材料——喷气引擎的“消音器”

▲真空电弧熔化器中二次加工的镍-钛-铪高温形状记忆合金。这种智能材料具有广泛的应用前景。

sciencedaily.com网站9月4日报道，《材料快报》（Scripta Materialia）杂志近日刊发论文称，美国德州农工大学（简称TAMU）等开发了一种新型智能材料。它们或可显著提高喷气式发动机的效率，降低飞行成本，以及减少飞机降落时的噪音。除飞行器外，该材料还有望用于其他诸多行业。

TAMU材料科学与工程学院教授、论文作者易卜拉欣•卡拉曼（音译，下同）说：“这非常令人振奋。虽然我们的研究仅仅是触及了一些新发现的表面，但它有可能打开一个全新的科学研究领域。”论文合著者还包括TAMU的德米尔坎•加那丁克、威廉•特雷亨和马吉，以及联合技术研究中心（UTRC）的孙范平和扎菲尔•乔杜里等。

卡拉曼等的研究结合了形状记忆合金和高熵合金两种技术。他们开发的新材料可通过特定温度作“触发器”，改变自身形状。形状记忆合金的许多潜在应用都涉及到高温环境，如喷气发动机。然而，目前多数经济型高温形状记忆合金（HTSMAs）只能在约400摄氏度的温度下工作。虽然添加金或铂等金属可以显著提高合金的耐受温度，但成本过于昂贵，且还伴生有其他限制。

卡拉曼等的研究始于美国国家航空航天局（NASA）的项目。该项目旨在解决航空器存在的一个特定问题：如何控制涡轮叶片和喷气发动机涡轮机匣之间的间隙。当间隙最小时，发动机的燃料效率最高。但在发动机的实际工作条件下，在间隙和燃料效率之间必须取得一个平衡。将HTSMAs整合到涡轮机匣中，可以在所有飞行状态下保持最小间隙，从而提高推力燃料消耗率比。

HTSMAs的另一个潜在应用是减少飞机着陆过程中的噪音。飞机的排气喷嘴越大，噪音越小，但飞机在空中飞行效率越低。HTSMAs可以根据飞机的状态（飞行或着落），自动改变核心排气喷嘴的尺寸。由于这一系列工作模式均与温度有关。因此，可通过温度触发材料形变，使飞机既可以在空气中高效飞行，也可以在着陆时更为安静。

为进一步增强HTSMAs对高温的耐受能力，卡拉曼等还在HTSMAs中使用了高熵合金技术（4种或4种以上金属元素等量融合而成的合金，常用元素包括镍、钛、铪、锆和钯等）。卡拉曼说：“使用高熵合金技术增强后，HTSMAs的工作温度超过了500摄氏度，其中一种样品甚至达到了700摄氏度。并且，我们没有使用铂、金等贵金属。” 

新材料的工作原理是什么呢？卡拉曼认为目前还没有可靠的理论支撑。为此，他们未来的工作包括采用计算机模拟来理解材料在原子尺度上的行为，以及寻找进一步改善材料性能的方法。

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编译：雷鑫宇 

审稿：阿淼 

责编：张梦 

期刊来源：《材料快报》

期刊编号：1359-6462

原文链接：

https://www.sciencedaily.com/releases/2018/09/180904140611.htm

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