微纳金属单晶基于新原理的形状记忆与超弹性行为

作为形状记忆和超弹性行为基础的热弹性马氏体相变，会随着材料外观尺度的减小而变得困难，甚至被完全抑制，并直接导致微纳尺度下形状记忆和超弹性行为的退化，甚至完全消失；即形状记忆合金在微纳尺度下的应用面临着严峻的挑战。与此同时，材料的微纳尺度化也为探索材料在微纳尺度下表现出的异于其块体时的多种新特性提供了机遇，如申请人等近期在钨金属纳米线中发现的以表面能为媒介、基于新原理的形状记忆和超弹性行为以及"纳米弹簧"效应（Nano Lett. 2010）。本申请项目拟在微纳金属单晶中，通过分子动力学模拟和部分实验验证，寻求材料在微纳尺度下独有的、不依赖于马氏体相变的，基于可逆孪晶变形、逆马氏体相变等新原理的形状记忆和超弹性行为；进而探索利用上述新原理设计新型微纳功能材料或者功能器件的可能性。本项目的研究可望拓宽形状记忆和超弹性行为的理论基础，同时为微纳尺度下功能材料和器件的设计提供更为广阔的空间。

作为形状记忆和超弹性行为基础的热弹性马氏体相变，会随着材料外观尺度的减小而变得困难，甚至被完全抑制，并直接导致微纳尺度下形状记忆和超弹性行为的退化，甚至完全消失；即形状记忆合金在微纳尺度下的应用面临着严峻的挑战。本项目拟寻求材料在微纳尺度下独有的、基于新原理的形状记忆和超弹性行为；进而探索利用上述新原理设计新型微纳功能材料或者功能器件的可能性。本项目围绕上述目标开展了相关工作，已在国际期刊上发表SCI论文42篇，其中影响因子大于3的文章30篇，包括国际专业一流期刊 Adv Mater 2 篇，Nano Lett 1篇，Adv Func Mater 1篇，Phys Rev Lett 3篇，Nanoscale 1 篇， Sci Rep 1篇，Phys Rev B rapid Communications 2 篇，Acta Mater 9篇， Phys Rev B 5篇，Appl Phy Lett 4 篇，J Physl Chem C 1篇以及邀请综述论文4篇；并撰写书籍3章，作国际/国内会议邀请报告14次。.主要研究成果如下：首先从相变形核的角度分析了形状记忆合金超弹性能量耗散的原因。指出通过降低材料相变能垒进而改善超弹性特性的两个可行方案：1）弱化自发晶格畸变量；2）引入空间不均匀性。并通过分子动力学模拟发现纳米尺度的形状记忆合金由于其奇异的核-壳结构而同时满足以上两个解决方案，从而使得块体材料中强烈的一级马氏体相变转变为纳米尺度下的连续相变，导致材料出现奇异的零滞后的超弹性行为，这一理论也得到了近期实验的支持。在此基础上，本项目进而在不相变的金属纳米线中发现了一种界面能驱动的弯曲超弹性，并利用预设孪晶的方式，可以将这种超弹性扩展至一个较大的尺度范围，从而为微纳尺度下的超弹性提供了一个新的原理。此外，本项目还研究了形状记忆合金形状记忆效应的尺度效应。发现随着尺度减小致亚微米，弯曲区域会由块体时的孪晶变形而转换成层错，从而导致形状记忆效应的消失，这也意味着基于形状记忆合金的功能器件需要将其最小临界尺寸设计在亚微米。本项目的研究可望拓宽形状记忆和超弹性行为的理论基础，并为设计新型的形状记忆和超弹性合金提供了新思路与新方法。