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西安交大科研人员发现一种基于新原理的弯曲超弹性行为

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    形状记忆合金在高温奥氏体态进行一定的塑性变形后,可利用直接释放应力的方式使其恢复到变形前的原始形状,这一现象称之为超弹性,其内在机制是体积自由能差驱动的应力诱发马氏体相变。这一特性也使得形状记忆合金在机械、能源等智能控制系统中有着广泛应用,并具有广阔的应用前景。但是随着微机电系统所用材料尺度减小到微纳尺度,作为超弹性基础的马氏体相变消失,从而严重制约了形状记忆合金在微纳器件中的应用。西安交大材料学院丁向东教授等在过去的研究中已经发现体心立方金属纳米线可以表现出一种表面能差驱动、基于可逆孪晶变形的超弹性行为,但是这种超弹性行为仅在几个纳米的尺度下有效。
    近日,材料学院博士生杨洋和李苏植博士在导师丁向东及孙军教授的指导下,与剑桥大学E.Salje教授合作,发现体心立方铁单晶纳米线在弯曲变形时会表现出一种基于界面能驱动的超弹性行为,这是一种不同于上述两种已知机制的新机制。该成果近日发表在材料领域顶级期刊《先进功能材料》上(Advanced Functional Materials, 影响因子=11.805), 西安交通大学是第一作者与唯一通讯单位。
    他们通过分子动力学模拟手段,对体心立方铁单晶纳米线的弯曲变形行为进行了研究。发现铁纳米线在变形过程中会发生孪晶变形,但是其界面不同于常规的<111>/{112}孪晶面,而是由多层<111>/{112} 孪晶界堆砌而成的{110}界面。这一特殊界面由于具有较高的能量,从而可以为卸载条件下的可逆变形提供主要的驱动力。进一步的研究还发现,这一基于新型界面能驱动的弯曲超弹性并不受试样表面粗糙度的影响,而且还可以通过在材料中预设一些经典的<111>/{112}孪晶界的方式,使得材料在较大的尺度范围内(几个纳米--亚微米)均可以表现出这种奇异的弯曲超弹性行为。这一工作不仅发现了一种基于新原理的超弹性行为,而且为基于体心立方铁单晶纳米线的功能器件提供了可以发生可逆弯曲变形的条件。
    这一工作得到了国家自然科学基金以及111计划的资助。
2016-01-04
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