基於新原理的高性能金屬智慧型材料研究

《基於新原理的高性能金屬智慧型材料研究》是依託西安交通大學，由任曉兵擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：基於新原理的高性能金屬智慧型材料研究
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：任曉兵
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

以磁致伸縮材料和形狀記憶合金為代表的金屬智慧型材料具有感知溫度、應力、磁場等外界環境並產生驅動的智慧型特性，已廣泛套用於高技術和先進工業領域。近年來高技術領域的快速發展及競爭對金屬智慧型材料的高性能化(窄滯後、大彈性應變及高敏感度等)提出了迫切需求，但是基於傳統理論的研究方法難以實現性能和技術的突破。我們前期的研究工作表明，將“應變玻璃”和“廣義準同型相界”原理套用於智慧型材料的設計及製備，有望為高性能金屬智慧型材料的研發提供新思路。本項目擬在前期工作的基礎上，通過研究廣義缺陷與序參量的作用機制，建立基於新原理的物理模型並套用於新型金屬智慧型材料研究，揭示應變玻璃態合金獲得窄滯後和超彈性、具有準同型相界的磁滯伸縮合金實現高敏感度的物理機制，突破先進金屬智慧型材料設計和製備的技術瓶頸，為高性能金屬智慧型材料的研發及套用奠定技術基礎。

結題摘要

形狀記憶合金和磁致伸縮材料是先進工業領域的關鍵金屬智慧型材料，近年來高技術領域的快速發展對兩類智慧型材料的高性能化(窄滯後、大彈性應變及高敏感度等)提出了重要需求，但基於傳統理論的研究方法難以實現關鍵性能和製備技術的突破。本項目基於 “應變玻璃”和“廣義準同型相界”新原理，開展了高性能金屬智慧型材料設計及製備研究。通過深入研究廣義缺陷與序參量的作用原理及基於這些原理的奇異物理效應，揭示了應變玻璃態合金產生窄滯後和超彈性以及準同型相界磁致伸縮合金產生高敏感度的物理機制，取得如下重要進展：1、揭示了鐵彈性合金廣義缺陷與應變序參量局域作用下的應變玻璃形成機制，發現點缺陷（摻雜）、線缺陷（位錯）和析出相均可誘發應變玻璃轉變；短程有序的應變玻璃結晶可導致等溫馬氏體形成；寬溫域內納米疇的持續形成是窄滯後和寬溫域超彈性的物理根源。基於該原理設計製備了具有寬溫域超彈性、寬溫域零膨脹及恆彈性的Ti基和Fe基合金。2、闡明了廣義缺陷和磁矩序參量整體作用下的準同型相界形成機制，發現兩種低對稱性鐵磁相的自由能相互競爭可導致準同型相界區域整體自由能降低，從而形成兩相共存的納米疇結構，納米疇在低場下的翻轉導致高靈敏磁致伸縮效應。基於該原理設計製備了分別具有磁致伸縮增強或補償效應的稀土-過渡族金屬間化合物。3、發現了基於兩種原理的新功能特性，如鐵磁應變玻璃產生低場大磁致伸縮效應、廣義準同型相界產生高熱穩定磁性和磁致伸縮效應、準同型玻璃相界產生大電致伸縮效應等。利用機器學習結合相變原理建立了可指導高性能金屬智慧型材料設計與研發的新方法。項目研究結果為突破先進金屬智慧型材料的性能瓶頸提供了新途徑，為高性能金屬智慧型材料的研發及套用奠定了重要的理論和技術基礎。研究結果作為重要組成部分獲得2016年度國家自然科學獎二等獎。共發表論文119篇，其中包括PRL 3篇、Nature Comm. 2篇。