本文來自微信公眾號：X-MOLNews
材料某一力學性質的提高常常伴隨著另一性質的下降。例如金屬材料往往具有較高的強度，甚至高達1,000 MPa量級，但其彈性應變極限一般小於0.2%。與此相反，橡膠材料通常具有極強的彈性變形能力，但其強度往往低於100 MPa。此外，橡膠材料的工作溫度區間和惡劣環境耐受性均遜於金屬材料。因此，開發兼具高強度和超彈性的金屬材料將大大促進先進技術在眾多領域的應用。然而金屬材料只在納米尺度才表現出4-7%的超彈性，隨著材料尺度的增加超彈性迅速消失。儘管材料科學家對提高金屬的塑性良策頗多，但對增強材料的彈性卻鮮有良方。值得注意的是，形狀記憶合金可以同時表現出高強度（高達1,000 MPa）和可與橡膠材料媲美的超彈性。它的可恢復性形變由兩部分組成：原子間作用力主導的本徵彈性和馬氏體相變主導的偽彈性。與本徵彈性不同，偽彈性具有強非線性，往往使材料產生應變突變（即機械失穩）和大量的能量損耗。這起源於馬氏體相變的雪崩式相變特性。所以，如果能夠精確控制馬氏體相變過程中偽彈性應變的釋放，就可以獲得線性超彈性金屬，開啟形狀記憶合金結構性和功能性應用的新時代。
近日，研究人員提出了納米濃度梯度工程，以NiTi形狀記憶合金為模型材料設計了具有一維濃度梯度的多層膜結構，稱為CG-NiTi。基於相場模型的計算機模擬表明，這種結構可以有效的控制馬氏體相變動力學過程，從而實現偽彈性應變的精確可控釋放。在不降低材料強度的情況下，使金屬材料表現出高達4.6%的線性超彈性（如圖1所示）。此外，CG-NiTi具有遠低於人體骨骼的超低表觀模量（僅為8.7 GPa，如圖2所示），可以很好的解決關節置換器件和其他骨骼緊固件的應力屏蔽效應。有趣的是，這一研究倡導的濃度梯度工程可以方便有效的調節材料的力學性質以滿足不同應用的需求，包括表觀模量和應力應變曲線的形狀（如圖3所示）。
圖1. （a）CG-NiTi的多層膜結構及馬氏體相變臨界應力的成分依賴性；（b）CG-NiTi的應力應變曲線。
圖2. 不同材料的彈性應變極限和模量。
圖3. （a）具有不同初始濃度（X at.%）的成分分布及其（b）對應的應力應變曲線；（c）台階狀成分分布及其（d）對應的應力應變曲線。
該工作在材料領域頂級期刊Materials Today 發表。第一作者為香港科技大學朱家明博士，通訊作者為上海大學張統一院士、美國俄亥俄州立大學王雲志教授。
Linear-superelastic metals by controlled strain release via nanoscale concentration-gradient engineering
Jiaming Zhu, Dong Wang, Yipeng Gao, Tong-Yi Zhang, Yunzhi Wang
Mater. Today, 2019, DOI: 10.1016/j.mattod.2019.10.003
上述工作為該研究團隊關於納米尺度成分波動工程的部分研究成果，該團隊對納米尺度成分波動工程進行了一系列原創性的研究，揭開了開發下一代高性能鐵彈材料的序幕，相關研究成果獲選期刊封面和期刊重點介紹，並受到《科技日報》專題報導和國家自然科學基金委轉載。相關論文包括：Mater. Horiz., 2019, 6, 515-523; Acta Mater., 2017, 130, 196-207; Acta Mater., 2019, 181, 99-109。