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北科大團隊發(fā)現(xiàn)“超臨界彈性”現(xiàn)象并制備無滯后巨彈性金屬

文章來源：科技日報更新時間：2020-04-07 14:50:02

北京科技大學(xué)新金屬材料國家重點實驗室、北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心王沿東教授團隊成功制備出寬溫域下具有零滯后超高彈性應(yīng)變的NiCoFeGa單晶纖維，纖維直徑為30-500微米，長度可達1米以上。該合金纖維在室溫下具有高達15.2%零滯后彈性形變，最高超彈應(yīng)力達1.5 GPa，在123-423K溫域內(nèi)其超彈性能基本不隨溫度變化。除此之外，該材料兼具高應(yīng)變（10%）下的優(yōu)良循環(huán)穩(wěn)定性和大的彈性存能，在航空航天和智能制造的先進工業(yè)領(lǐng)域有著廣闊應(yīng)用前景。

據(jù)介紹，王沿東團隊與美國阿貢國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室任洋博士等海外學(xué)者長期合作，利用高能X射線衍射、中子散射和高分辨掃描透射電鏡等先進材料表征方法，揭示了這種寬溫域零滯后超高彈性行為的物理機制。研究發(fā)現(xiàn)，這種新奇的零滯后彈性形變的起源不同于傳統(tǒng)應(yīng)力/應(yīng)變誘發(fā)的馬氏體相變晶格突變機制（從奧氏體到馬氏體），其宏觀彈性形變來自應(yīng)力作用下的晶格連續(xù)畸變。其產(chǎn)生的物理機制源于一種新型的“原子尺度的有序無序糾纏結(jié)構(gòu)態(tài)”導(dǎo)致的一級馬氏體相變被抑制，從而演化為微觀連續(xù)相變，因此，這種新型無滯后超高彈性是“超臨界彈性”。

據(jù)介紹， “超臨界彈性”現(xiàn)象類似于人們所熟知的水汽超臨界轉(zhuǎn)變。當(dāng)達到特定溫度和壓力，液體和氣體的界面消失，此時液態(tài)的水具有近似氣體的擴散系數(shù)，氣液兩相性質(zhì)相近交融在一起難以分辨，呈現(xiàn)超臨界狀態(tài)。超臨界現(xiàn)現(xiàn)象已廣泛應(yīng)用于化工與制藥領(lǐng)域。在凝固態(tài)物理領(lǐng)域，很多重要現(xiàn)象比如超導(dǎo)與超流，皆與超臨界轉(zhuǎn)變密切相關(guān)。合金中“超臨界彈性”的發(fā)現(xiàn)顛覆了制約金屬材料獲得無滯后超高彈性的經(jīng)典馬氏體相變理論。

“超臨界彈性”現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)不僅拓寬了彈性應(yīng)變工程研究領(lǐng)域，同時為超高彈性功能材料開辟了新的研究及應(yīng)用方向。通過晶體材料中原子尺度有序與無序糾纏結(jié)構(gòu)態(tài)的控制，可望獲得其它的奇異物理性能，并為固體物理中與超臨界現(xiàn)象和相變行相關(guān)領(lǐng)域的未解之迷，提供了一種創(chuàng)新的研究思路與方法。

該論文責(zé)任作者為王沿東，第一作者為博士研究生陳海洋，任洋博士為共同責(zé)任作者。參與本研究還有北京理工大學(xué)、中科院物理研究所及瑞典皇家理工學(xué)院等國內(nèi)外單位的研究人員。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委重點項目（51831003）與國家儀器重點研發(fā)裝置項目（51527801）的資助。研究結(jié)果已在線發(fā)表于《自然·材料》。

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