微納金屬單晶基於新原理的形狀記憶與超彈性行為

《微納金屬單晶基於新原理的形狀記憶與超彈性行為》是依託西安交通大學，由丁向東擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：微納金屬單晶基於新原理的形狀記憶與超彈性行為
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：丁向東
• 依託單位：西安交通大學

項目摘要

作為形狀記憶和超彈性行為基礎的熱彈性馬氏體相變，會隨著材料外觀尺度的減小而變得困難，甚至被完全抑制，並直接導致微納尺度下形狀記憶和超彈性行為的退化，甚至完全消失；即形狀記憶合金在微納尺度下的套用面臨著嚴峻的挑戰。與此同時，材料的微納尺度化也為探索材料在微納尺度下表現出的異於其塊體時的多種新特性提供了機遇，如申請人等近期在鎢金屬納米線中發現的以表面能為媒介、基於新原理的形狀記憶和超彈性行為以及納米彈簧效應（Nano Lett. 2010）。本申請項目擬在微納金屬單晶中，通過分子動力學模擬和部分實驗驗證，尋求材料在微納尺度下獨有的、不依賴於馬氏體相變的，基於可逆孿晶變形、逆馬氏體相變等新原理的形狀記憶和超彈性行為；進而探索利用上述新原理設計新型微納功能材料或者功能器件的可能性。本項目的研究可望拓寬形狀記憶和超彈性行為的理論基礎，同時為微納尺度下功能材料和器件的設計提供更為廣闊的空間。

結題摘要

作為形狀記憶和超彈性行為基礎的熱彈性馬氏體相變，會隨著材料外觀尺度的減小而變得困難，甚至被完全抑制，並直接導致微納尺度下形狀記憶和超彈性行為的退化，甚至完全消失；即形狀記憶合金在微納尺度下的套用面臨著嚴峻的挑戰。本項目擬尋求材料在微納尺度下獨有的、基於新原理的形狀記憶和超彈性行為；進而探索利用上述新原理設計新型微納功能材料或者功能器件的可能性。本項目圍繞上述目標開展了相關工作，已在國際期刊上發表SCI論文42篇，其中影響因子大於3的文章30篇，包括國際專業一流期刊 Adv Mater 2 篇，Nano Lett 1篇，Adv Func Mater 1篇，Phys Rev Lett 3篇，Nanoscale 1 篇， Sci Rep 1篇，Phys Rev B rapid Communications 2 篇，Acta Mater 9篇， Phys Rev B 5篇，Appl Phy Lett 4 篇，J Physl Chem C 1篇以及邀請綜述論文4篇；並撰寫書籍3章，作國際/國內會議邀請報告14次。 主要研究成果如下：首先從相變形核的角度分析了形狀記憶合金超彈性能量耗散的原因。指出通過降低材料相變能壘進而改善超彈性特性的兩個可行方案：（1）弱化自發晶格畸變數；（2）引入空間不均勻性。並通過分子動力學模擬發現納米尺度的形狀記憶合金由於其奇異的核-殼結構而同時滿足以上兩個解決方案，從而使得塊體材料中強烈的一級馬氏體相變轉變為納米尺度下的連續相變，導致材料出現奇異的零滯後的超彈性行為，這一理論也得到了近期實驗的支持。在此基礎上，本項目進而在不相變的金屬納米線中發現了一種界面能驅動的彎曲超彈性，並利用預設孿晶的方式，可以將這種超彈性擴展至一個較大的尺度範圍，從而為微納尺度下的超彈性提供了一個新的原理。此外，本項目還研究了形狀記憶合金形狀記憶效應的尺度效應。發現隨著尺度減小致亞微米，彎曲區域會由塊體時的孿晶變形而轉換成層錯，從而導致形狀記憶效應的消失，這也意味著基於形狀記憶合金的功能器件需要將其最小臨界尺寸設計在亞微米。本項目的研究可望拓寬形狀記憶和超彈性行為的理論基礎，並為設計新型的形狀記憶和超彈性合金提供了新思路與新方法。