Acta Mater.：小体积氧化锆高温形状记忆和马氏体相变的原位研究

【引言】

形状记忆材料具有优异的变形和恢复能力，在军事、医疗、航空航天和机器人应用等领域具有广阔的发展前景。近年来，研究人员发现微尺寸单晶氧化锆具有优良的形状记忆效应，而且这类陶瓷具有比金属更高的强度和工作温度。该微尺度的单晶结构，具有很大的比表面积且不存在晶界，有助于协调相变应力从而消除裂纹。因此，体积小的优势能够使氧化锆在四方和单斜相之间发生应力诱导马氏体相变。同样，温度也可以诱发马氏体相变。因此，特征马氏体相变温度决定了形状记忆陶瓷的工作温度窗口。值得一提的是，研究人员早期的工作表明，小体积氧化锆在应力诱发相变过程中更倾向于选择单斜变体；而在热诱导马氏体相变中，只倾向于形成一种马氏体变体。到底什么因素决定了马氏体变体的选择呢？这篇文章会给你答案！

【成果简介】

近日，新加坡南洋理工大学 Chee Lip Gan教授（通讯作者）研究团队于2017年6月6日在期刊Acta Materialia上发表了题为“In-situ studies on martensitic transformation and high-temperature shape memory in small volume zirconia”的文章。研究人员使用配有加热台的同步辐射XRD装置对微米尺寸氧化锆（掺杂氧化钇和二氧化钛）的相变晶体学进行了原位研究。该研究成果对特征马氏体相变温度和相变过程中单斜马氏体变体的优先选择提供了更深层的理解。

【图文导读】

图1 块体氧化钇-二氧化钛共掺氧化锆（YTDZ）微柱的制备

(a) 块体氧化钇-二氧化钛共掺氧化锆（YTDZ）的晶体结构；

(b) 沉积Pt的硅基片上的微米尺寸晶粒；

(c) 在块体YTDZ晶粒上研磨出的凹坑；

(d) YTDZ微柱形貌（视角52°）；

(e) 在沉积Pt的硅基片上压缩微柱3；

图2 同步辐射XRD装置原位纳米压痕实验

(a) 同步辐射XRD装置示意图；

(b) 微柱原位微应力试验的SEM图片；

图3 晶粒典型的Laue衍射图谱及相应的晶面指数

(a) 300℃下Laue衍射图及相应的四方相的hkl指数；

(b) 550℃下Laue衍射图及相应的单斜相的hkl指数；

图4 加热/冷却循环过程中微米尺寸四方相和单斜相的晶体取向图

(a) 25℃→550℃→133℃循环，晶粒1中四方相和单斜相的晶体取向图；

(b) 25℃→550℃→133℃循环，晶粒2中四方相和单斜相的晶体取向图；

图5 加热/冷却循环过程中微米尺寸四方相和单斜相体积分数的变化

在25℃→550℃→133℃的加热/冷却循环期间，根据晶粒1和晶粒2中相体积分数的变化，可以确定马氏体相变的M_s，M_f，A_s，A_f点。

图6 在25℃→700℃的加热循环中，微柱3的四方相和单斜相的晶体取向图

不同颜色代表的具体晶体学取向如图8(a)所示。

图7  不同温度下四方相和单斜相的晶体取向和对应的极图

(a) 不同温度下，晶粒1和晶粒2中四方相和单斜相的晶体取向；

(b) 对应于[100]，[010]，[001]和[110]轴的极图，极图使用相同的颜色来表示每个晶体；

图8 不同温度下单斜相和四方相的晶体学参数

(a-d) 微柱4在不同温度下的Laue衍射图谱及其标定；

(e) 25℃→700℃加热过程中单斜相和四方相（a / b，b / c，a / c和β）的晶格参数；

(f) [100]，[010]，[001]和[110]的投影轴下，单斜相（红色）和四方相（黄色）晶体在极图中的位置；

图9 不同温度下微柱4原位微应力试验结果

(a-g) 不同温度下，微柱4在原位微应力试验(倾斜角度为12°)前后的SEM图像；

(f) 微柱在400℃下的载荷-位移（应力-应变）曲线；

【小结】

原位微应力试验表明，YTDZ陶瓷在室温和400℃高温变形后均表现出形状记忆效应。这种宽的工作温度窗口和相变温度的成分可控性，以及高的强度和抗大气侵蚀的性能，使得氧化锆陶瓷作为形状记忆材料在极端条件下具有广阔的应用潜力。

文献链接：In-situ studies on martensitic transformation and high-temperature shape memory in small volume zirconia (Acta Mater., 2017, DOI: 10.1016/j.actamat.2017.06.006)

本文由材料人编辑部新人组李志伟编译，万鑫浩审核，点我加入材料人编辑部。

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