博科园 - 赞不赞?三维实验为形状记忆合金的研究提供了新线索!

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  形状记忆合金以其卓越的特性而闻名——超弹性、形状记忆和驱动能使它们被揉成一团,然后弹回“记忆”的原始形状。但这种先进材料在商业应用中仍未得到充分利用,其用途可能包括改变飞机结构的形状,以提高飞行效率,或在太空中部署通信天线和太阳能电池板。科罗拉多矿业学院的研究人员正在努力更好地了解它们复杂内部微观结构在形状记忆行为中是如何变化,他们的第一个此类实验结果最近发表在三大材料科学和力学期刊上:《晶体学报》、《固体力学和物理学报》和《材料快报》。形状记忆合金(SMAs)是在70多年前被发现,其前景已经在美国获得了超过1万项专利,在世界范围内获得了2万项专利。

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  博科园-科学科普:这三篇论文的第一作者,现在是明尼苏达大学(University of Minnesota)的一名博士后研究员Ashley Bucsek博士说:然而这并没有与其技术影响力相匹配——在这2万项SMA专利中,只有有限数量的专利作为商业上可行的产品得以实现,其他许多先进材料的情况也类似,从开发到实施需要数十年的时间。开发和实现之间存在这种差距的一个原因是,研究人员实际上只是在用传统的显微镜技术抓挠表面,而SMAs中的大多数微观机制都是三维的、平面外的,并且对内部约束非常敏感。为了弥补这一差距,Bucsek和同事们将镍钛(最广泛使用和可用的sma)置于当今最强大的3d显微镜下,这些显微镜位于纽约州北部康奈尔大学的康奈尔高能同步加速器源(CHESS)。

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  对镍钛试样进行了力学测试,测量了试样内部微观结构的演变,颜色对应于晶体的方向,这些方向聚集成颗粒或晶体。图片:Colorado School of Mines

  具体来说,使用了近场和远场高能衍射显微镜(HEDM),这是在三维x射线衍射技术的保护伞下,使她能够在材料内部微观结构三维可视化的同时,它的反应是实时的。尽管HEDM在国际和其他同步加速器领域已经发展了十多年,但应用HEDM来研究具有低对称性相混合物和大晶体尺寸差异等特征的高级材料过程基本上是不存在的。因此,这三个实验都需要开发新的实验、数据分析和数据可视化技术来提取所需的信息。许多结果令人惊讶,揭示了几十年来SMA微观力学争论的领域。在SMAs中,通常是高对称性的“奥氏体”相在较高的温度下是稳定的,但如果施加足够的应力或温度降低,它将相变为低对称性的“马氏体”相。

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  第一篇论文“利用远场高能衍射显微镜测量应力诱导的马氏体微观结构”,发表在《晶体学报A辑:基础与进展》上,旨在预测马氏体的具体变化。使用这种方法,发现SMAs内部的马氏体微观结构严重违反了最大变形工作标准的预测,这表明,对于SMAs可能具有工程级微观结构特征和缺陷的情况,需要修改被广泛接受的最大变形工作标准的应用。第二个实验研究的是载荷诱导的孪晶重排,或称马氏体重定向,这是一种可逆的变形机制,通过这种机制,材料可以承受较大的载荷和变形,而不会受到晶体孪晶重排的损伤。在宏观变形带中,当它们通过微观结构传播时,会发生一系列特定的孪晶重排微观机制。

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  研究表明,在这些带内的应变定位导致晶格弯曲高达15度,这对弹性应变、解析剪切应力和最大限度地实现孪晶重排具有重要意义。这些发现将指导未来的研究人员在新的多铁技术中使用孪晶重排。固态驱动是SMAs最重要的应用之一,在许多纳米机电和微机电系统、生物医学、主动阻尼和航空航天驱动系统中都有应用。最终实验的目标是SMAs作用下奥氏体晶粒内部出现特殊的大角度晶界现象。在驱动过程中,在恒定负载下,通过加热、冷却、再加热SMA,诱导SMA由奥氏体向马氏体再向奥氏体的相变。用电子显微镜观察到,奥氏体在试样再加热时会发生大的旋转,这对输出功和疲劳都是不利的。

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  但是,由于电子显微镜所需要的样本尺寸较小,这些旋转被观察到非常不一致,出现在相同的负载条件下,但随后不出现,或出现在几个周期后,但在几千个周期后不出现,研究结果显示,在中等条件下,这些谷物的旋转只需要一个周期就可以发生。但是由于旋转的低体积和非均匀分散,需要一个体积来观察它们。巴克塞克的研究经费来自美国国家科学基金会(NSF)研究生研究奖学金,以及她的博士导师和合著者、矿山机械工程罗林森副教授亚伦·斯泰布纳(Aaron Stebner) 2015年的NSF职业奖。使用高性能计算机分析数据所需的额外资金来自NSF XSEDE项目。巴克塞克博士在这些文章中记录的论文工作表明,使用3d技术研究材料的3d结构非常重要。

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  她能够观察和理解50多年来一直被假设和争论的机制,这是第一次。和大多数技术一样,采用新材料的最大障碍是对未知的恐惧。这种了解无疑将导致这些神奇材料得到更广泛的接受和应用,因为它提高了我们对发展证明和合格材料信心。美国国家科学基金会还提供了用于x射线显微镜测量的康奈尔高能同步加速器源的操作。科学家达伦·帕甘(Darren Pagan)说:在她的论文工作中,巴克塞克博士开发了新的、创造性的方法,将HEDM方法应用于形状记忆合金系统的研究,克服数据处理和解释相关挑战的能力,使人们对形状记忆合金变形的微观力学有了新见解!

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  博科园-科学科普|研究/来自:科罗拉多矿业学院

  参考期刊文献:《材料快报》,《固体力学和物理学报》,《晶体学报》

  DOI: 10.1016/j.scriptamat.2018.11.043

  DOI: 10.1016/j.jmps.2018.12.003

  DOI: 10.1107/S205327331800880X

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