纳米浓度梯度工程缔造线性超弹性金属

来源：X一MOL资讯

材料某一力学性质的提高常常伴随着另一性质的下降。例如金属材料往往具有较高的强度，甚至高达1,000 MPa量级，但其弹性应变极限一般小于0.2%。与此相反，橡胶材料通常具有极强的弹性变形能力，但其强度往往低于100 MPa。此外，橡胶材料的工作温度区间和恶劣环境耐受性均逊于金属材料。因此，开发兼具高强度和超弹性的金属材料将大大促进先进技术在众多领域的应用。然而金属材料只在纳米尺度才表现出4-7%的超弹性，随着材料尺度的增加超弹性迅速消失。尽管材料科学家对提高金属的塑性良策颇多，但对增强材料的弹性却鲜有良方。值得注意的是，形状记忆合金可以同时表现出高强度（高达1,000 MPa）和可与橡胶材料媲美的超弹性。它的可恢复性形变由两部分组成：原子间作用力主导的本征弹性和马氏体相变主导的伪弹性。与本征弹性不同，伪弹性具有强非线性，往往使材料产生应变突变（即机械失稳）和大量的能量损耗。这起源于马氏体相变的雪崩式相变特性。所以，如果能够精确控制马氏体相变过程中伪弹性应变的释放，就可以获得线性超弹性金属，开启形状记忆合金结构性和功能性应用的新时代。

近日，研究人员提出了纳米浓度梯度工程，以NiTi形状记忆合金为模型材料设计了具有一维浓度梯度的多层膜结构，称为CG-NiTi。基于相场模型的计算机模拟表明，这种结构可以有效的控制马氏体相变动力学过程，从而实现伪弹性应变的精确可控释放。在不降低材料强度的情况下，使金属材料表现出高达4.6%的线性超弹性（如图1所示）。此外，CG-NiTi具有远低于人体骨骼的超低表观模量（仅为8.7 GPa，如图2所示），可以很好的解决关节置换器件和其他骨骼紧固件的应力屏蔽效应。有趣的是，这一研究倡导的浓度梯度工程可以方便有效的调节材料的力学性质以满足不同应用的需求，包括表观模量和应力应变曲线的形状（如图3所示）。

图1. （a）CG-NiTi的多层膜结构及马氏体相变临界应力的成分依赖性；（b）CG-NiTi的应力应变曲线。

图2. 不同材料的弹性应变极限和模量。

图3. （a）具有不同初始浓度（X at.%）的成分分布及其（b）对应的应力应变曲线；（c）台阶状成分分布及其（d）对应的应力应变曲线。

该工作在材料领域顶级期刊Materials Today 发表。第一作者为香港科技大学朱家明博士，通讯作者为上海大学张统一院士、美国俄亥俄州立大学王云志教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Linear-superelastic metals by controlled strain release via nanoscale concentration-gradient engineering

Jiaming Zhu, Dong Wang, Yipeng Gao, Tong-Yi Zhang, Yunzhi Wang

Mater. Today, 2019, DOI: 10.1016/j.mattod.2019.10.003

上述工作为该研究团队关于纳米尺度成分波动工程的部分研究成果，该团队对纳米尺度成分波动工程进行了一系列原创性的研究，揭开了开发下一代高性能铁弹材料的序幕，相关研究成果获选期刊封面和期刊重点介绍，并受到《科技日报》专题报道和国家自然科学基金委转载。相关论文包括：Mater. Horiz., 2019, 6, 515-523; Acta Mater., 2017, 130, 196-207; Acta Mater., 2019, 181, 99-109。