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王沿东教授团队发现“超临界弹性”现象并成功制备无滞后巨弹性金属

ag真人单位(作者):新材料国重 | 来源: | 更新时间:2020-03-31 | 点击数:

近日,北京科技大学新金属材料国家重点实验室、北京材料基因工程高精尖创新中心王沿东教授团队成功制备出宽温域下具有零滞后超高弹性应变的NiCoFeGa单晶纤维,纤维直径为30-500微米,长度可达1米以上。该合金纤维在室温下具有高达15.2%零滞后弹性形变,最高超弹应力达1.5 GPa,在123-423K温域内其超弹性能基本不随温度变化。除此之外,该材料兼具高应变(10%)下的优良循环稳定性和大的弹性存能(~80 MJm-3),在航空航天和智能制造的先进工业领域有着广阔的应用前景。2020年3月16日国际著名学术期刊《自然·材料》以“Unprecedented non-hysteretic superelasticity of [001]-oriented NiCoFeGa single crystals”为题予以在线报道。

王沿东教授研究团队与美国阿贡国家实验室和橡树岭国家实验室任洋博士等海外学者长期合作,通过利用高能X射线衍射、中子散射和高分辨扫描透射电镜等先进材料表征方法,揭示了这种宽温域零滞后超高弹性行为的物理机制。研究发现,这种新奇的零滞后弹性形变的起源不同于传统应力/应变诱发的马氏体相变晶格突变机制(从奥氏体到马氏体),其宏观弹性形变来自于应力作用下的晶格连续畸变。其产生的物理机制源于一种新型的“原子尺度的有序无序纠缠结构态”(Atomic-level entanglement of ordered and disordered crystal structures)导致的一级马氏体相变被抑制,从而演化为微观连续相变(属于二级或高级相变),因此,这种新型无滞后超高弹性是“超临界弹性”(Supercritical Elasticity)。

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(NiCoFeGa单晶纤维的超临界弹性:a)传统超弹与超临界弹性比较;b)传统超弹与超临界弹性在加载、卸载时奥氏体(004)衍射峰变化;c)宽温域下的超临界弹性;d)超临界弹性在最高应变10%下的循环稳定性测试曲线;e)超临界弹性合金高温退火后在[110]带轴高角环形暗场像,高温退火后原子尺度纠缠态长大形成了清晰可见的L21与w结构)

“超临界弹性”现象类似于人们所熟知的水汽超临界转变。当达到特定温度和压力,液体和气体的界面消失,此时液态的水具有近似气体的扩散系数,气液两相性质相近交融在一起难以分辨,呈现超临界状态。超临界现现象已广泛应用于化工与制药领域。在凝固态物理领域,很多重要现象比如超导与超流,皆与超临界转变密切相关。合金中“超临界弹性”的发现颠覆了制约金属材料获得无滞后超高弹性的经典马氏体相变理论。

“超临界弹性”现象的发现不仅拓宽了弹性应变工程研究领域,同时为超高弹性功能材料开辟了新的研究及应用方向。通过晶体材料中原子尺度有序与无序纠缠结构态的控制,可望获得其它的奇异物理性能,并为固体物理中与超临界现象和相变行相关领域的未解之迷,提供了一种创新的研究思路与方法。

该论文责任作者是北京科技大学新金属材料国家重点实验室、北京材料基因工程高精尖创新中心王沿东教授,第一作者为博士研究生陈海洋,任洋博士为共同责任作者。参与本研究还有北京理工大学、中科院物理研究所及瑞典皇家理工学院等国内外单位的研究人员。该研究工作得到了国家自然科学基金委重点项目(51831003)与国家仪器重点研发装置项目(51527801)的资助。

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(图片:材料国重)

(责编:杜嘉庆、邢华超)