Nano Lett. ：氦纳米气泡在增强小体积记忆合金超弹性和减缓剪切局部化中的作用

【引言】

尺寸为微米级的小体积智能材料在MEMS、NEMS中有广泛应用。形状记忆合金（SMA）是常用于微致动器的一类智能材料，其通过在高温奥氏体和低温马氏体之间的可逆转达到形状记忆和超弹性效应。研究表明，形状记忆合金（SMA）支柱的超弹性响应具有很强的尺寸依赖性，SMA单晶柱的直径一旦小于1μm，超弹性便开始减小。

氦离子辐照是在材料中引入额外尺度控制参数的有效方式。氦气是惰性气体，不会与固体元素发生化学反应或混合，因此当注入合金时，内部会形成气泡，通常在几百纳米至数量级的数量级上。

【成果简介】

形状记忆合金超弹性的现象依赖于应力诱发马氏体转变（SIMT），其可通过在多个尺度上协同调节来控制。因此，关于形状记忆合金在某个尺度层次被破坏时的表现，有很好的研究价值。西安交通大学的单智伟教授、韩卫忠教授、麻省理工学院的李巨教授（）在Nano Lett. 上发表了篇名为“Helium Nanobubbles Enhance Superelasticity and Retard Shear Localization in Small-Volume Shape Memory Alloy”的文章， 他们将Ni-Fe-Ga记忆合金制备为微米尺度的圆柱，并应用了氦纳米气泡注入的方式，使记忆合金中产生纳米级尺寸的孔隙率。以研究形状记忆合金中的超弹性现象。

他们采用具有[001]取向的Ni _53.5 Fe _19.5 Ga ₂₇单晶，通过聚焦离子束（FIB）微加工，制造出具有[001]取向的微米尺寸和亚微米尺寸的圆柱。并在200℃下使用400keV的氦离子，以 2 × 10¹⁷ ions/cm²的通量将氦注入[001] Ni-Fe-Ga单晶中，制备含有高密度氦气泡的Ni-Fe-Ga圆柱。之后将制备的圆柱上进行原位压缩试验。

【图文导读】

图1. 直径为2.35μm的[001] Ni-Fe-Ga单晶柱的压缩应力-应变曲线。

应力卸去后压缩应变完全恢复，这是由奥氏体--马氏体相变引起的超弹性。插图显示了载荷前后的[001] Ni-Fe-Ga柱的形状演变。

图2. 直径为890nm的[001] Ni-Fe-Ga单晶柱的压缩应力-应变曲线。

在机械载荷下发生应变突发现象（strain burst），表明Ni-Fe-Ga单晶柱塑性变形。SEM图像显示[001] Ni-Fe-Ga柱在压缩期间形成的剪切变形特征。

图3. 不同直径的[001] Ni-Fe-Ga单晶柱的SIMT和ODP（ordinary dislocation slip plasticity，普通位错滑移）的临界应力。

从超弹性到可塑性的转变发生在1.2μm的直径处。空心符号表示超弹性，实心符号表示可塑性。

图4. 氦注入后，镍原子中每原子位移（DPA）的辐照损伤分布和氦浓度的分布。

（a）氦注入 [001] Ni-Fe-Ga单晶后的辐照损伤和氦浓度的分布，氦浓度峰值出现在离表面约1μm距离的区域

（b）氦注入[001] Ni-Fe-Ga单晶后形成的氦气泡的典型TEM图像。选区电子衍射图表明，注入氦气泡后，大部分Ni-Fe-Ga仍然保持为长程有序 L2₁ 晶体结构的奥氏体相。

图5. 亚微米级Ni-Fe-Ga单晶柱的压缩行为。

（a-c）直径为500nm的[001] Ni-Fe-Ga单晶柱的压缩行为。

（d-f）直径为500nm的氦气泡[001] Ni-Fe-Ga单晶柱的压缩行为。高密度的氦气泡导致Ni-Fe-Ga圆柱具有稳定的应力应变响应，可逆相变的临界应力较低，卸载后可恢复应变的2％。

图6. [001] Ni-Fe-Ga单晶柱中位错/马氏体与氦气泡相互作用示意图。

（a）与气泡尺寸相比，局部位错滑动容易被氦气泡阻挡。（b）应力诱发马氏体能够绕过纳米尺度的氦气泡，因为它们的成核尺寸大于He气泡。

【小结】

他们的实验表明，Ni-Fe-Ga形状记忆合金圆柱的超弹性和位错塑性表现出很强的尺寸依赖性。一旦柱直径小于1.2μm，马氏体相变将被抑制，通过不可逆剪切局部化发生变形。氦注入Ni-Fe-Ga圆柱后形成许多内部纳米气泡，可以提高亚微米尺寸的Ni-Fe-Ga圆柱的超弹性。氦气泡柱具有较高的马氏体转变应力和更稳定的应力-应变响应，大大提高了小体积材料的“机械可控性指数”。

文献连接：Helium Nanobubbles Enhance Superelasticity and Retard Shear Localization in Small-Volume Shape Memory Alloy ( Nano Lett. , 2017, DOI: 10.1021/ acs.nanolett.7b01015)

本文由编辑部纳米材料组mengya整理编译，点我加入材料人编辑部。

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