Nat. Nanotech.：形状记忆合金的超弹性在纳米尺度的尺寸效应

【引言】

形状记忆合金具有形状记忆效应和超弹性，可用于微电子机械系统，因此在可穿戴医疗领域和柔性电子技术中具有诱人的发展前景。微米及纳米级形状记忆合金具有更高的做功密度，从而引起了研究人员广泛的关注。然而，在纳米尺度，对于形状记忆合金的基础研究仍然存在一些问题。比如，在超弹性效应中，应力诱导马氏体相变的临界应力是否类似于晶体塑性变形的屈服强度，具有尺寸效应。

【成果简介】

近日，西班牙巴斯克大学Jose M. San Juan（通讯作者）在Nat. Nanotech.上发表了题为“Size effect and scaling power-law for superelasticity in shape-memory alloys at the nanoscale”的文章。该研究团队对Cu-14Al-4Ni (wt%)合金进行研究，该成分合金在室温下具有超弹性行为。通过聚焦离子束（FIB）技术制备了一系列不同尺寸的 [001]微米和纳米微柱，采用纳米压痕仪对微柱进行超弹性纳米压缩试验，提出了纳米尺度下应力诱导马氏体相变的定量评估方法，展示了超弹性效应中临界应力的尺寸依赖性，并建立了原子尺度的弹性模型定量解释了这种现象。

【图文解读】

图一 微米柱的超弹性行为

(a-c) 不同尺寸微米柱的SEM图像：(a) φ=1.35μm; (b) φ=1.1μm; (c) φ=0.9μm;

(d-f) 不同尺寸微米柱纳米压缩载荷-深度曲线：(d) φ=1.35μm; (e) φ=1.1μm; (f) φ=0.9μm;

(g-i) 不同尺寸微米柱超弹性循环应力-应变曲线：(g) φ=1.35 μm; σ_c= 184MPa; (h) φ=1.1 μm; σ_c= 182MPa; (i) φ=0.9μm; σ_c=187MPa.

图二 微米尺寸微柱的超弹性临界应力及纳米压缩实验的可重复性

(a) 直径大于0.8μm的微柱超弹性临界应力曲线。蓝色菱形点表示应力曲线第一次转折时的应力值；品红色点表示马氏体相变平台应力值；绿色点表示φ=1.7μm , φ=1.6μm, φ=1.55μm 时的应力值（前期工作）；青色环绕的洋红色点表示图b中微柱阵列所示的应力平均值；

(b) 用于测试纳米压缩实验可重复性的微柱阵列的SEM图像；

(c) 微柱阵列中每个微柱的临界应力。

图三 纳米微柱超弹性行为

(a-c) 不同尺寸纳米微柱的SEM图像：(a) φ=435nm ; (b) φ=335nm ; (c) φ=262nm;

(d-f) 第一次超弹性试验的纳米压缩载荷-深度曲线，(f)中的时间尺度表明平台期中马氏体相变的快速响应；

(g-i) 应力-应变超弹性循环曲线，分别对应于(d-f)中的载荷-深度曲线。每张图片中展示了超弹性的临界应力 σ_c，(i)中给出了杨氏模量E_[001]=23.5GPa.

图四 超弹性临界应力的尺寸效应

(a) 微米和纳米微柱马氏体相变的临界应力和微柱尺寸的关系，红点表示应力平台值；蓝色菱形表示曲线第一次转折时的应力值；红色方块表示原位试验应力值；青色三角形表示5kV聚焦离子束制备的纳米柱所对应的应力值；连续紫线表示模型的预测；

(b) 超弹性循环临界应力和微柱尺寸的关系，蓝线表示纳米压缩试验在第100次循环中达到稳定的状态，将渐近非依赖尺寸效应的应力（165 MPa）视为与尺寸无关的临界应力σ₀；灰线表示大块单晶临界应力σ_B.

图五 纳米尺度超弹性的标度幂律

临界分切应变的尺寸依赖性：红点对应图四(a)所表示的第一个循环；蓝点对应图4b所表示的第100个循环。

图六 原子尺度下超弹性效应的弹性模型

(a) 原子堆垛顺序：奥氏体β(L2₁)//(101)；

(b) 在[101]方向施加应力σ_ap产生弹性位U_M移β相的晶格状态，灰色箭头表示马氏体转变时，晶格切变过程中原子的弛豫运动；

(c) 平行于[10-1]的原子键弛豫后γ马氏体的晶格状态；

(d) 径向应变的尺寸依赖性。

【小结】

该项研究成果表明在形状记忆合金超弹性效应中，应力诱导马氏体相变的临界应力存在显着的尺寸效应，纳米级Cu-Al-Ni合金在进行数千次循环时依然具有良好的超弹性。该项研究结果挑战了应力诱导马氏体相变标度幂律的普适性，并提出了马氏体均匀形核模型，很好地解释了这种尺寸效应。在该项研究的启发下，可设计开发新型的形状记忆合金，有希望用于发展未来新一代的微电子和纳米机械系统，以及可穿戴医疗领域和柔性电子技术中的智能设备。

文献链接：Size effect and scaling power-law for superelasticity in shape-memory alloys at the nanoscale (Nat. Nanotech., May 29, 2017, DOI: 10.1038/NNANO.2017.91)

本文由材料人编辑部新人组陈炳旭编译，万鑫浩审核，点我加入材料人编辑部。

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