【引言】

    形狀記憶合金具有形狀記憶效應(yīng)和超彈性，可用于微電子機(jī)械系統(tǒng)，因此在可穿戴醫(yī)療領(lǐng)域和柔性電子技術(shù)中具有誘人的發(fā)展前景。微米及納米級形狀記憶合金具有更高的做功密度，從而引起了研究人員廣泛的關(guān)注。然而，在納米尺度，對于形狀記憶合金的基礎(chǔ)研究仍然存在一些問題。比如，在超彈性效應(yīng)中，應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變的臨界應(yīng)力是否類似于晶體塑性變形的屈服強(qiáng)度，具有尺寸效應(yīng)。

    【成果簡介】

    近日，西班牙巴斯克大學(xué)Jose M. San Juan（通訊作者）在Nat. Nanotech.上發(fā)表了題為“Size effect and scaling power-law for superelasticity in shape-memory alloys at the nanoscale”的文章。該研究團(tuán)隊對Cu-14Al-4Ni （wt%）合金進(jìn)行研究，該成分合金在室溫下具有超彈性行為。通過聚焦離子束（FIB）技術(shù)制備了一系列不同尺寸的 [001]微米和納米微柱，采用納米壓痕儀對微柱進(jìn)行超彈性納米壓縮試驗，提出了納米尺度下應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變的定量評估方法，展示了超彈性效應(yīng)中臨界應(yīng)力的尺寸依賴性，并建立了原子尺度的彈性模型定量解釋了這種現(xiàn)象。

    【圖文解讀】

    圖一 微米柱的超彈性行為

    （a-c） 不同尺寸微米柱的SEM圖像：（a） φ=1.35μm; （b） φ=1.1μm; （c） φ=0.9μm;

    （d-f） 不同尺寸微米柱納米壓縮載荷-深度曲線：（d） φ=1.35μm; （e） φ=1.1μm; （f） φ=0.9μm;

    （g-i） 不同尺寸微米柱超彈性循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線：（g） φ=1.35 μm; σc= 184MPa; （h） φ=1.1 μm; σc= 182MPa; （i） φ=0.9μm; σc=187MPa.

    圖二 微米尺寸微柱的超彈性臨界應(yīng)力及納米壓縮實(shí)驗的可重復(fù)性

    （a） 直徑大于0.8μm的微柱超彈性臨界應(yīng)力曲線。藍(lán)色菱形點(diǎn)表示應(yīng)力曲線第一次轉(zhuǎn)折時的應(yīng)力值；品紅色點(diǎn)表示馬氏體相變平臺應(yīng)力值；綠色點(diǎn)表示φ=1.7μm , φ=1.6μm, φ=1.55μm 時的應(yīng)力值（前期工作）；青色環(huán)繞的洋紅色點(diǎn)表示圖b中微柱陣列所示的應(yīng)力平均值；

    （b） 用于測試納米壓縮實(shí)驗可重復(fù)性的微柱陣列的SEM圖像；

    （c） 微柱陣列中每個微柱的臨界應(yīng)力。

    圖三 納米微柱超彈性行為

    （a-c） 不同尺寸納米微柱的SEM圖像：（a） φ=435nm ; （b） φ=335nm ; （c） φ=262nm;

    （d-f） 第一次超彈性試驗的納米壓縮載荷-深度曲線，（f）中的時間尺度表明平臺期中馬氏體相變的快速響應(yīng)；

    （g-i） 應(yīng)力-應(yīng)變超彈性循環(huán)曲線，分別對應(yīng)于（d-f）中的載荷-深度曲線。每張圖片中展示了超彈性的臨界應(yīng)力 σc，（i）中給出了楊氏模量E[001]=23.5GPa.

    圖四 超彈性臨界應(yīng)力的尺寸效應(yīng)

    （a） 微米和納米微柱馬氏體相變的臨界應(yīng)力和微柱尺寸的關(guān)系，紅點(diǎn)表示應(yīng)力平臺值；藍(lán)色菱形表示曲線第一次轉(zhuǎn)折時的應(yīng)力值；紅色方塊表示原位試驗應(yīng)力值；青色三角形表示5kV聚焦離子束制備的納米柱所對應(yīng)的應(yīng)力值；連續(xù)紫線表示模型的預(yù)測；

    （b） 超彈性循環(huán)臨界應(yīng)力和微柱尺寸的關(guān)系，藍(lán)線表示納米壓縮試驗在第100次循環(huán)中達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，將漸近非依賴尺寸效應(yīng)的應(yīng)力（165 MPa）視為與尺寸無關(guān)的臨界應(yīng)力σ0；灰線表示大塊單晶臨界應(yīng)力σB.

    圖五 納米尺度超彈性的標(biāo)度冪律

    臨界分切應(yīng)變的尺寸依賴性：紅點(diǎn)對應(yīng)圖四（a）所表示的第一個循環(huán)；藍(lán)點(diǎn)對應(yīng)圖4b所表示的第100個循環(huán)。

    圖六 原子尺度下超彈性效應(yīng)的彈性模型

    （a） 原子堆垛順序：奧氏體β（L21）//（101）；

    （b） 在[101]方向施加應(yīng)力σap產(chǎn)生彈性位UM移β相的晶格狀態(tài)，灰色箭頭表示馬氏體轉(zhuǎn)變時，晶格切變過程中原子的弛豫運(yùn)動；

    （c） 平行于[10-1]的原子鍵弛豫后γ馬氏體的晶格狀態(tài)；（d） 徑向應(yīng)變的尺寸依賴性。

    【小結(jié)】

    該項研究成果表明在形狀記憶合金超彈性效應(yīng)中，應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變的臨界應(yīng)力存在顯著的尺寸效應(yīng)，納米級Cu-Al-Ni合金在進(jìn)行數(shù)千次循環(huán)時依然具有良好的超彈性。該項研究結(jié)果挑戰(zhàn)了應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變標(biāo)度冪律的普適性，并提出了馬氏體均勻形核模型，很好地解釋了這種尺寸效應(yīng)。在該項研究的啟發(fā)下，可設(shè)計開發(fā)新型的形狀記憶合金，有希望用于發(fā)展未來新一代的微電子和納米機(jī)械系統(tǒng)，以及可穿戴醫(yī)療領(lǐng)域和柔性電子技術(shù)中的智能設(shè)備。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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