Nano Lett. | 晶界處雙晶微納米相變超彈性的雙層相容性理論

2021-02-15 ACS美國化學會

英文原題：Two-tier Compatibility of Superelastic Bicrystal Micropillar at Grain Boundary

通訊作者：陳弦, 香港科技大學

作者：Mostafa Karami, Zeyuan Zhu, Zhuohui Zeng, Nobumichi Tamura, Yong Yang, Xian Chen

形狀記憶合金和馬氏體相變材料在包括生物醫療(例如人造心臟瓣膜和支架)在內的多種工程領域起到功能支點的重要作用。在對該類材料的性能和疲勞壽命的研究中，晶體相容性和晶界形態是公認的兩大成熟的理論體系。他們各自從特定的角度對馬氏體相變的疲勞現象給出深刻的詮釋。然而迄今為止對於兩種機理耦合作用下的材料行為的理解仍顯匱乏。為求在此知識縫隙中取得突破，本文作者們從理論和實驗兩個角度對銅基形狀記憶合金多晶材料進行微納米力學研究。結果發現，儘管材料的晶格常量遠不滿足任何晶體相容性條件，但在某些高角度晶界處，雙晶CuAl24Mn9微柱在高驅動應力(約600 MPa)的作用下，在過萬次應力誘導相變循環後仍保持3.5%的超彈性能，沒有出現明顯的功能疲勞。這一發現在表面上與傳統認知相違背：晶體相容性理論認為，材料的晶格常量必須滿足一定的相容性條件才能極大地延緩相變循環導致的功能疲勞；而晶界形態理論則普遍認為儘管晶界鎖死效應可以延長相變材料的疲勞壽命，但是要以顯著的超彈性弱化(一般1-2%應變)為代價。為解釋這一「反常」現象，本文作者們提出專門針對相變與晶界耦合作用的雙層相容性理論。這一理論在以傳統晶體相容性理論解釋單一晶粒中孿晶微結構演化的基礎上，提出晶界為了限制鄰近晶粒中的不同位錯在晶界處導致相對滑移，會反作用於鄰近晶粒中的孿晶形核，造成「相容性互鎖」，同時孿晶的形成還修復了晶界的缺陷，如圖1。因而促成在晶界處既有高水平的超彈性能，又能保持長久的疲勞壽命的「反常」現象。這一成果為微納米尺度形狀記憶合金的理性設計開闢新的思路。基於這一新的設計思路，通過現代納米技術，可以有針對性地設計和製造性能優異的雙晶，三晶以及其他複雜的微納米形狀記憶結構。是智能材料和微機械研究領域的一次重大進步。

圖 1. 雙晶微柱在境界處的孿晶理論計算：(a)-(b)僅滿足晶體學相容性的孿晶結構；(c)滿足雙層相容性的孿晶結構。

 

該論文近期發表於Nano Letters上，香港科技大學機械與航空工程系博士生Mostafa Karami為第一作者，其導師陳弦教授為通訊作者。香港城市大學楊勇教授和美國勞倫斯伯克利國家實驗室的Nobumichi Tamura博士參與合作。

Nano Lett. 2020, ASAP

Publication Date: October 20, 2020

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03486

Copyright © 2020 American Chemical Society

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