【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】超彈性材料是指能在應(yīng)力作用下產(chǎn)生超大可恢復(fù)應(yīng)變的特種功能材料，在登月工程和深海探測(cè)等高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。相關(guān)裝備的輕量化、小型化和精密設(shè)計(jì)對(duì)超彈性材料的性能提出了高要求，不僅需要具有高的超彈應(yīng)力σC和大的彈性可恢復(fù)應(yīng)變εe，還須在寬溫域保持穩(wěn)定的彈性模量(即Elinvar效應(yīng))。然而，普通金屬材料雖然可以達(dá)到較高的強(qiáng)度，但彈性變形極限通常小于1%，且彈性模量隨溫度降低而增大。基于應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變所設(shè)計(jì)的超彈合金難以同時(shí)兼具大的超彈應(yīng)變和高的超彈應(yīng)力，這是因?yàn)榇蟮?epsilon;e要求合金彈性模量低(晶格較軟)，而低彈性模量不能帶來高強(qiáng)度。此外，由于馬氏體相變?cè)硇跃窒蓿瑐鹘y(tǒng)超彈合金僅在有限溫域表現(xiàn)出超彈性，且不具備Elinvar效應(yīng)。因此，研制寬溫域高σC和Elinvar效應(yīng)的超彈合金極具科學(xué)挑戰(zhàn)性。
圖1 Nb6-HEA的主要性能及與其他超彈合金的比較
最近，前沿院馬天宇教授團(tuán)隊(duì)提出功能與結(jié)構(gòu)基元協(xié)同構(gòu)筑新思路，基于多種金屬元素之間的交互效應(yīng)，通過原位生成納米尺度功能基元(低彈模可相變基元)和微納多尺度結(jié)構(gòu)基元(高彈模不相變強(qiáng)化基元)，設(shè)計(jì)出一種寬溫域兼具高σC和Elinvar效應(yīng)的(TiZrHf)44Ni25Cu15Co10Nb6(稱為Nb6-HEA)新型超彈合金。該合金在-150至+100℃的寬溫域內(nèi)的保持1.2GPa以上的高超彈應(yīng)力σC(優(yōu)于商業(yè)超彈合金的1GPa)和2.5%以上的超彈應(yīng)變，同時(shí)在600MPa高應(yīng)力下保持幾乎與溫度無關(guān)的彈性模量，也優(yōu)于商業(yè)鈦鎳超彈合金。研究表明，該合金的高σC超彈性源于功能基元與結(jié)構(gòu)基元的相互作用，即低彈模功能基元在應(yīng)力作用下的連續(xù)相變提供了大可恢復(fù)應(yīng)變，高彈模結(jié)構(gòu)基元阻礙了位錯(cuò)滑移，確保了高σC。功能基元在降溫過程中的應(yīng)變玻璃轉(zhuǎn)變?cè)斐蛇B續(xù)晶格軟化效應(yīng)，從而補(bǔ)償了無相變結(jié)構(gòu)基元的本征模量硬化作用，從而產(chǎn)生Elinvar效應(yīng)。此外，該合金還具有高硬度和良好的耐腐蝕性能。因此，上述優(yōu)異的組合性能使該合金可望用于航空航天大溫差環(huán)境及先進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域，例如汽車的減振板簧和精密計(jì)時(shí)器等。
相關(guān)工作以《一種具有GPa級(jí)超彈應(yīng)力和近乎溫度不敏感模量的高熵合金》“A high-entropy alloy showing gigapascal superelastic stress and nearly temperature-independent modulus”為題于2025年1月31日在《自然通訊》(Nature Communications (2025) 16:1227)上發(fā)表。
前沿院助理教授茍峻銘為論文第一作者，茍峻銘博士和馬天宇教授為論文通訊作者。合作者包括杭州電子科技大學(xué)張雪峰教授/劉孝蓮博士、四川大學(xué)劉暢博士和日本國家材料研究所任曉兵教授等。西安交通大學(xué)前沿院和金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為論文通訊單位。研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目的支持。
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