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王沿東教授團隊發現“超臨界彈性”現象并成功制備無滯后巨彈性金屬

單位(作者):新材料國重 | 來源:本站原創 | 更新時間:2020-03-31 | 點擊數:

近日,北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室、北京材料基因工程高精尖創新中心王沿東教授團隊成功制備出寬溫域下具有零滯后超高彈性應變的NiCoFeGa單晶纖維,纖維直徑為30-500微米,長度可達1米以上。該合金纖維在室溫下具有高達15.2%零滯后彈性形變,最高超彈應力達1.5 GPa,在123-423K溫域內其超彈性能基本不隨溫度變化。除此之外,該材料兼具高應變(10%)下的優良循環穩定性和大的彈性存能(~80 MJm-3),在航空航天和智能制造的先進工業領域有著廣闊的應用前景。2020年3月16日國際著名學術期刊《自然·材料》以“Unprecedented non-hysteretic superelasticity of [001]-oriented NiCoFeGa single crystals”為題予以在線報道。

王沿東教授研究團隊與美國阿貢國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室任洋博士等海外學者長期合作,通過利用高能X射線衍射、中子散射和高分辨掃描透射電鏡等先進材料表征方法,揭示了這種寬溫域零滯后超高彈性行為的物理機制。研究發現,這種新奇的零滯后彈性形變的起源不同于傳統應力/應變誘發的馬氏體相變晶格突變機制(從奧氏體到馬氏體),其宏觀彈性形變來自于應力作用下的晶格連續畸變。其產生的物理機制源于一種新型的“原子尺度的有序無序糾纏結構態”(Atomic-level entanglement of ordered and disordered crystal structures)導致的一級馬氏體相變被抑制,從而演化為微觀連續相變(屬于二級或高級相變),因此,這種新型無滯后超高彈性是“超臨界彈性”(Supercritical Elasticity)。

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(NiCoFeGa單晶纖維的超臨界彈性:a)傳統超彈與超臨界彈性比較;b)傳統超彈與超臨界彈性在加載、卸載時奧氏體(004)衍射峰變化;c)寬溫域下的超臨界彈性;d)超臨界彈性在最高應變10%下的循環穩定性測試曲線;e)超臨界彈性合金高溫退火后在[110]帶軸高角環形暗場像,高溫退火后原子尺度糾纏態長大形成了清晰可見的L21與w結構)

“超臨界彈性”現象類似于人們所熟知的水汽超臨界轉變。當達到特定溫度和壓力,液體和氣體的界面消失,此時液態的水具有近似氣體的擴散系數,氣液兩相性質相近交融在一起難以分辨,呈現超臨界狀態。超臨界現現象已廣泛應用于化工與制藥領域。在凝固態物理領域,很多重要現象比如超導與超流,皆與超臨界轉變密切相關。合金中“超臨界彈性”的發現顛覆了制約金屬材料獲得無滯后超高彈性的經典馬氏體相變理論。

“超臨界彈性”現象的發現不僅拓寬了彈性應變工程研究領域,同時為超高彈性功能材料開辟了新的研究及應用方向。通過晶體材料中原子尺度有序與無序糾纏結構態的控制,可望獲得其它的奇異物理性能,并為固體物理中與超臨界現象和相變行相關領域的未解之迷,提供了一種創新的研究思路與方法。

該論文責任作者是北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室、北京材料基因工程高精尖創新中心王沿東教授,第一作者為博士研究生陳海洋,任洋博士為共同責任作者。參與本研究還有北京理工大學、中科院物理研究所及瑞典皇家理工學院等國內外單位的研究人員。該研究工作得到了國家自然科學基金委重點項目(51831003)與國家儀器重點研發裝置項目(51527801)的資助。

詳細內容請訪問https://www.nature.com/articles/s41563-020-0645-4

(圖片:材料國重)

(責編:杜嘉慶、邢華超)

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