【成果簡介】

    西安交通大學材料學院微納中心研究人員借助先進的原位納米力學技術，系統地研究了一種鎳鐵稼形狀記憶合金超彈性的尺寸效應。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，從而激發其超彈性行為。研究成果已申請國家發明專利并以Helium Nanobubbles Enhance Superelasticity and Retard Shear Localization in Small-Volume Shape Memory Alloy為題于近日在線發表在材料領域知名期刊Nano letters上（Nano letters,IF:13.779, DOI:10.1021/acs.nanolett.7b01015）。

    【圖文導讀】

    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晶柱產生更穩定的應力應變，逆相變低臨界應力，卸載后2%可恢復應變。

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

    （a）局部位錯很容易被氦泡阻塞，因為相對于氦泡尺寸，其寬度較窄。

    （b）應力誘發馬氏體能夠繞過納米級的氦泡，因為它們的成核尺寸大于氦泡。

    【研究內容】

    形狀記憶合金作為一類智能材料在微電子器件領域有著廣泛的應用前景。形狀記憶合金的超彈性和形狀記憶效應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力的驅動下發生可逆相轉變來實現的。然而，近期研究表明，形狀記憶合金的超彈性行為具有強烈的尺寸效應。隨著形狀記憶合金樣品尺寸的減小，其發生馬氏體相變的應力逐漸提高，直至發生不可逆的塑性變形，導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域的應用。

    近日，西安交通大學材料學院微納中心研究人員借助先進的原位納米力學技術，系統地研究了一種鎳鐵稼形狀記憶合金超彈性的尺寸效應。研究表明，鎳鐵稼形狀記憶合金的超彈性具有強烈的尺寸效應： 當其樣品尺寸小于1.2微米時，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定的馬氏體相。但微觀結構觀察發現，超彈性行為的消失主要是由奧氏體相的剪切局部化導致。隨著樣品尺寸的減小，奧氏體相發生相變的應力逐漸超過了其發現滑移或剪切局部化的應力。因此，亞微米形狀記憶合金中奧氏體相的優先塑性變形和馬氏體相的形核和擴展困難是導致其超彈性消失的根本原因。基于這一新型微觀機制認識，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；二、納米氦泡能促進馬氏體在亞微米樣品中的形核，同時納米氦泡的空腔結構能降低馬氏體擴展需克服的表面能。隨后的實驗證實，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，確實能激發其超彈性行為。在小應變下，亞微米含氦泡鎳鐵稼樣品能實現完全的超彈性；在大應變下，其展現出了穩定的應力-應變響應，在卸載過程中形成了至少2%的彈性回復。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控亞微米尺度形狀記憶合金的超彈性性能，該發現可能對形狀記憶合金在微納器件領域的應用產生重要影響。

    本工作由韓衛忠教授、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基金、青年千人計劃、國家重點研發計劃、西安交通大學青年拔尖人才支持計劃等項目的共同資助。

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責任編輯：殷鵬飛

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