在航空航天和太空探索等先進應(yīng)用中，材料必須在輕量化、功能性和極端熱波動抗性之間取得平衡。形狀記憶合金因其強度、韌性和應(yīng)變恢復(fù)潛力而備受期待，但是如何在低溫環(huán)境下輕質(zhì)有效運行卻頗具挑戰(zhàn)。東北大學(xué)Ryosuke Kainuma研究團隊通過成分設(shè)計與晶格動力學(xué)調(diào)控，突破了傳統(tǒng)形狀記憶合金的溫域限制和力學(xué)性能瓶頸，為開發(fā)輕質(zhì)、寬溫域、高可靠性的多功能材料提供了新范式，尤其推動航空航天、能源存儲和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)進步。該成果以“A lightweight shape-memory alloy with superior temperature-fluctuation resistance”為題于2025年2月27日發(fā)表于Nature。

同一天，香港科技大學(xué)機械與航空工程系姚舒懷、孫慶平、周國安團隊使用壓縮型薄壁管狀鎳鈦構(gòu)建了一個千瓦級的彈性熱冷卻裝置，該裝置采用“形狀記憶合金（SMAs）串聯(lián)-石墨烯納米流體并聯(lián)”架構(gòu)也發(fā)表在Nature，詳情請參考：今日Nature：香港科大形狀記憶合金妙用！

1、新型輕質(zhì)高強合金成分設(shè)計

通過將輕質(zhì)元素鋁（Al）和鉻（Cr）引入鈦（Ti）基體中，開發(fā)出成分為 Ti–20Al–4.75Cr（原子百分比） 的合金。該合金密度低（4.36 × 10³ kg/m³），比強度高達 185 × 10³ Pa·m³/kg，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)Ti-Nb基合金和商用Ni-Ti合金，同時保持了鈦合金的輕質(zhì)特性。

2、超寬溫域超彈性性能
合金在 4.2 K（接近絕對零度）至400 K（約127°C） 的極端溫度范圍內(nèi)均表現(xiàn)出完全可恢復(fù)的超彈性，其操作溫域跨度達 396 K，是商用Ni-Ti合金（通常為273–353 K）的5倍以上。這一特性解決了傳統(tǒng)形狀記憶合金在低溫或高溫下超彈性失效的問題。

3、反常溫度依賴的相變應(yīng)力機制
首次在非磁性Ti基合金中發(fā)現(xiàn)相變臨界應(yīng)力的 反常溫度依賴性：低溫（<200 K）下，臨界應(yīng)力隨溫度降低而升高。這一現(xiàn)象通過晶格動力學(xué)分析揭示，歸因于母相（B2結(jié)構(gòu)）的剪切模量（C'）在低溫下顯著增加，增強了晶格抵抗剪切變形的能力，從而拓寬了超彈性溫域。

4、高可恢復(fù)應(yīng)變與抗疲勞性
合金在室溫下的可恢復(fù)應(yīng)變達 7.3%，接近商用Ni-Ti合金（~8%），是傳統(tǒng)Ti-Nb基合金（<3%）的兩倍以上。此外，經(jīng)過 200次加載-卸載循環(huán) 后仍保持穩(wěn)定的超彈性，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗功能疲勞性能。

5、有序B2結(jié)構(gòu)與納米域強化
通過快速淬火和熱循環(huán)處理，合金母相形成 有序B2結(jié)構(gòu) 的納米域（平均尺寸15 nm），并通過反相疇界（APB）分隔。這種有序納米結(jié)構(gòu)有效抑制位錯滑移，提升抗塑性變形能力，同時維持高彈性應(yīng)變。

圖1：近<110>單晶Ti-Al-Cr合金的超彈性性能。

圖2：Ti-Al-Cr單晶的顯微分析和原位中子衍射表征。

圖3：Ti-鋁-鉻合金在寬溫區(qū)內(nèi)表現(xiàn)出超彈性行為。

圖4：各種塊狀形狀記憶合金的超彈性溫度范圍和輕質(zhì)性能比較。

論文地址：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08583-7