【成果簡介】

    西安交通大學(xué)材料學(xué)院微納中心研究人員借助先進(jìn)的原位納米力學(xué)技術(shù)，系統(tǒng)地研究了一種鎳鐵稼形狀記憶合金超彈性的尺寸效應(yīng)。通過氦離子注入形成納米氦泡的辦法來活化亞微米尺度的形狀記憶合金，從而激發(fā)其超彈性行為。研究成果已申請國家發(fā)明專利并以Helium Nanobubbles Enhance Superelasticity and Retard Shear Localization in Small-Volume Shape Memory Alloy為題于近日在線發(fā)表在材料領(lǐng)域知名期刊Nano letters上（Nano letters,IF:13.779, DOI:10.1021/acs.nanolett.7b01015）。

    【圖文導(dǎo)讀】

    圖1 未加氦泡與加入氦泡的[001] Ni-Fe-Ga單晶柱抗壓性能的對比

    （a-c）直徑為500 nm的[001] Ni-Fe-Ga單晶柱抗壓性能。

    （d-f）直徑為500 nm的加入氦泡的[001] Ni-Fe-Ga單晶柱抗壓性能。高密度的氦泡使Ni-Fe-Ga晶柱產(chǎn)生更穩(wěn)定的應(yīng)力應(yīng)變，逆相變低臨界應(yīng)力，卸載后2%可恢復(fù)應(yīng)變。

    圖2 [001] Ni-Fe-Ga單晶柱中位錯(cuò)和馬氏體分別與氦泡相互作用的示意圖

    （a）局部位錯(cuò)很容易被氦泡阻塞，因?yàn)橄鄬τ诤づ莩叽纾鋵挾容^窄。

    （b）應(yīng)力誘發(fā)馬氏體能夠繞過納米級的氦泡，因?yàn)樗鼈兊某珊顺叽绱笥诤づ荨?/span>

    【研究內(nèi)容】

    形狀記憶合金作為一類智能材料在微電子器件領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。形狀記憶合金的超彈性和形狀記憶效應(yīng)是由其高溫的奧氏體相和低溫的馬氏體相之間在溫度和應(yīng)力的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生可逆相轉(zhuǎn)變來實(shí)現(xiàn)的。然而，近期研究表明，形狀記憶合金的超彈性行為具有強(qiáng)烈的尺寸效應(yīng)。隨著形狀記憶合金樣品尺寸的減小，其發(fā)生馬氏體相變的應(yīng)力逐漸提高，直至發(fā)生不可逆的塑性變形，導(dǎo)致超彈性性能的消失。因此，形狀記憶合金在微米和亞微米尺度下超彈性的失效極大地限制了其在微電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用。

    近日，西安交通大學(xué)材料學(xué)院微納中心研究人員借助先進(jìn)的原位納米力學(xué)技術(shù)，系統(tǒng)地研究了一種鎳鐵稼形狀記憶合金超彈性的尺寸效應(yīng)。研究表明，鎳鐵稼形狀記憶合金的超彈性具有強(qiáng)烈的尺寸效應(yīng)： 當(dāng)其樣品尺寸小于1.2微米時(shí)，其超彈性性能消失，取而代之的是以奧氏體相的剪切局部化為主的塑性變形。研究者曾猜測，形狀記憶合金的超彈性消失主要是由于形成了穩(wěn)定的馬氏體相。但微觀結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)，超彈性行為的消失主要是由奧氏體相的剪切局部化導(dǎo)致。隨著樣品尺寸的減小，奧氏體相發(fā)生相變的應(yīng)力逐漸超過了其發(fā)現(xiàn)滑移或剪切局部化的應(yīng)力。因此，亞微米形狀記憶合金中奧氏體相的優(yōu)先塑性變形和馬氏體相的形核和擴(kuò)展困難是導(dǎo)致其超彈性消失的根本原因。基于這一新型微觀機(jī)制認(rèn)識，研究人員提出通過氦離子注入形成納米氦泡的辦法來活化亞微米尺度的形狀記憶合金，從而激發(fā)其超彈性行為。納米氦泡的引入有兩重作用：一、納米氦泡能阻礙剪切局部化，從而抑制塑性失穩(wěn)；二、納米氦泡能促進(jìn)馬氏體在亞微米樣品中的形核，同時(shí)納米氦泡的空腔結(jié)構(gòu)能降低馬氏體擴(kuò)展需克服的表面能。隨后的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在500納米的鎳鐵稼形狀記憶合金樣品中，通過“種植”大量的納米尺度氦泡，確實(shí)能激發(fā)其超彈性行為。在小應(yīng)變下，亞微米含氦泡鎳鐵稼樣品能實(shí)現(xiàn)完全的超彈性；在大應(yīng)變下，其展現(xiàn)出了穩(wěn)定的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)，在卸載過程中形成了至少2%的彈性回復(fù)。以上研究表明，通過合理“種植”納米氦泡的辦法能極大地改善和調(diào)控亞微米尺度形狀記憶合金的超彈性性能，該發(fā)現(xiàn)可能對形狀記憶合金在微納器件領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生重要影響。

    本工作由韓衛(wèi)忠教授、單智偉教授和李巨教授等合作共同完成。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、青年千人計(jì)劃、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、西安交通大學(xué)青年拔尖人才支持計(jì)劃等項(xiàng)目的共同資助。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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