“弹”然自若的智能新金属

从-272℃到127℃的极冷温度，这是月球表面的温度范围，在这个范围内使用的许多材料将会失效，或者它们的性能将会大大降低。具有窄滞后(高灵敏度)和超高弹性的智能金属材料是在月球表面站稳脚跟不可或缺的。

最近，北京科技大学新金属材料国家重点实验室的王延东教授制备了一种在较宽温度范围内具有零滞后和超高弹性应变的镍铁合金单晶光纤，有望满足航空航天和医疗领域的这一迫切需求。

新开发的超临界弹性材料的使用温度范围可以在-273℃到150℃之间，性能对温度变化不敏感，满足月球探测和其他外层空间探测对弹性元件的严格要求。

NiCoFeGa单晶纤维的研发为智能金属材料领域提供了一种性能优越的超临界弹性材料，为该领域开辟了一个新的研究方向王延东告诉《中国科学新闻》，这项研究的进展发表在3月16日的《自然材料》上。

开辟新的道路

人工智能的发展也对金属材料提出了智能化的要求。智能金属材料已经成为国际材料领域的研究热点。

然而，由于合金中的金属键效应和线缺陷的流动性，传统金属材料的弹性极限一般不超过1%。

此外，尽管传统的NiTi基、铁基和铜基形状记忆合金可以通过热弹性马氏体相变机制(一种“固-固”可逆相变)产生近10%的超(假)弹性，但是很难突破克劳修斯-克拉伯龙方程(描述当单组分系统处于相平衡时压力随温度变化的速率的方程)，因此不能表现出在宽温度范围内对温度变化不敏感的窄滞后超弹性特征。

新开发的NiCoFeGa单晶纤维直径为30-500微米，长度超过1米，室温下零滞后弹性变形高达15.2%，最大超弹性应力为1.5兆帕。新开发的NiCoFeGa单晶纤维的超弹性能在-150℃至150℃的温度范围内基本不随温度变化，表现出优于传统超弹性合金的超临界弹性。此外，NiCoFeGa单晶纤维在高应变(10%)下也具有优异的循环稳定性和弹性储能。

研究发现，这种奇异的零滞后弹性变形不同于传统的应力诱发马氏体相变晶格突变机制，其宏观弹性变形来自应力作用下的连续晶格畸变。其产生的物理机制源于一种新型的“原子级有序无序纠缠结构态”引起的微观连续相变，这种新型的无滞后超高弹性是一种“超临界弹性”。

王延东解释说，许多金属材料也有固-固转变，两相有明显的界面。本研究中发现的“超临界弹性”来自于由固-固可逆相变引起的宏观弹性应变。通过引入交错有序/无序结构，两相转变的不连续性被抑制，因此两相之间没有明显的界面。

他进一步介绍说，传统的相变会产生能量损失，而NiCoFeGa单晶光纤的“无滞后”意味着超临界弹性相变没有能量损失，特别是如果*落体球能反弹到原来的位置。

“合金中‘超临界弹性’的发现不仅拓宽了弹性应变工程的研究领域，也为超高弹性功能材料开辟了新的研究和应用方向。通过对晶体材料中原子尺度有序和无序纠缠结构态的控制，有望获得其他奇异的物理性质，并为固体物理学中与超临界现象和相变行为相关的未解之谜提供一种创新的研究思路和方法。”王延东说。

十年深耕期待变革

为了实现这一结果，王延东的研究团队早在2009年就开始探索从镍铁合金中制备单晶纤维。

选择纤维作为制备对象的原因是纤维丝的尺寸小，可以应用于一些微机械系统和传感领域，也可以通过编译等过程应用于生物医学等领域。然而，NiCoFeGa合金具有优异的超弹性、宽的温度范围和很强的单晶形成能力，因此成为制备单晶纤维的理想材料。

“目前，国际上对形状记忆合金纤维的研究主要集中在一阶马氏体相变超弹性或弱一阶相变超弹性，它们具有很大的滞后和温度依赖性。”王延东说:“NiCoFeGa单晶光纤在超临界弹性变形过程中的一阶相变受到抑制，表现出零滞后、宽温度范围、大应变、高强度和温度不敏感等奇异特性。”

研发过程并非一帆风顺。原位结构演化表征和透射电镜微观结构表征曾是研究过程中的难点。最终，王延东的研究团队通过近20年在表征方法方面的积累，与中国科学院物理研究所高级材料和结构分析实验室以及美国阿贡国家实验室纳米材料研究中心充分合作，解决了这个问题。此外，该研究团队得到了北京理工大学和瑞典皇家理工学院研究人员的支持，最终取得了这一突破性成果。

王延东介绍说，NiCoFeGa单晶纤维具有高强度、优异的抗疲劳性、更好的柔韧性和对温度变化的不敏感性。它可以直接作为深空探测机器人或着陆器的重要柔性部件，在航空航天和医疗设备领域发挥着重要作用。更重要的是，可以根据这一原则设计和开发新的结构和功能材料。

接下来，王延东的研究团队将与智能制造领域(如航空航天和医疗设备)合作，尽快在工程中充分利用NiCoFeGa单晶光纤。他还指出，与发达国家相比，中国在智能金属材料的发展方面还有很长的路要走，应继续加大对智能金属材料基础研究的支持力度。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41563-020-0645-4