【仪表网 研发快讯】超弹性材料是指能在应力作用下产生超大可恢复应变的特种功能材料，在登月工程和深海探测等高技术领域应用广泛。相关装备的轻量化、小型化和精密设计对超弹性材料的性能提出了高要求，不仅需要具有高的超弹应力σC和大的弹性可恢复应变εe，还须在宽温域保持稳定的弹性模量(即Elinvar效应)。然而，普通金属材料虽然可以达到较高的强度，但弹性变形极限通常小于1%，且弹性模量随温度降低而增大。基于应力诱发马氏体相变所设计的超弹合金难以同时兼具大的超弹应变和高的超弹应力，这是因为大的εe要求合金弹性模量低(晶格较软)，而低弹性模量不能带来高强度。此外，由于马氏体相变原理性局限，传统超弹合金仅在有限温域表现出超弹性，且不具备Elinvar效应。因此，研制宽温域高σC和Elinvar效应的超弹合金极具科学挑战性。
图1 Nb6-HEA的主要性能及与其他超弹合金的比较
最近，前沿院马天宇教授团队提出功能与结构基元协同构筑新思路，基于多种金属元素之间的交互效应，通过原位生成纳米尺度功能基元(低弹模可相变基元)和微纳多尺度结构基元(高弹模不相变强化基元)，设计出一种宽温域兼具高σC和Elinvar效应的(TiZrHf)44Ni25Cu15Co10Nb6(称为Nb6-HEA)新型超弹合金。该合金在-150至+100℃的宽温域内的保持1.2GPa以上的高超弹应力σC(优于商业超弹合金的1GPa)和2.5%以上的超弹应变，同时在600MPa高应力下保持几乎与温度无关的弹性模量，也优于商业钛镍超弹合金。研究表明，该合金的高σC超弹性源于功能基元与结构基元的相互作用，即低弹模功能基元在应力作用下的连续相变提供了大可恢复应变，高弹模结构基元阻碍了位错滑移，确保了高σC。功能基元在降温过程中的应变玻璃转变造成连续晶格软化效应，从而补偿了无相变结构基元的本征模量硬化作用，从而产生Elinvar效应。此外，该合金还具有高硬度和良好的耐腐蚀性能。因此，上述优异的组合性能使该合金可望用于航空航天大温差环境及先进工业领域，例如汽车的减振板簧和精密计时器等。
相关工作以《一种具有GPa级超弹应力和近乎温度不敏感模量的高熵合金》“A high-entropy alloy showing gigapascal superelastic stress and nearly temperature-independent modulus”为题于2025年1月31日在《自然通讯》(Nature Communications (2025) 16:1227)上发表。
前沿院助理教授苟峻铭为论文第一作者，苟峻铭博士和马天宇教授为论文通讯作者。合作者包括杭州电子科技大学张雪峰教授/刘孝莲博士、四川大学刘畅博士和日本国家材料研究所任晓兵教授等。西安交通大学前沿院和金属材料强度国家重点实验室为论文通讯单位。研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目和中央高校基本科研业务费专项资金项目的支持。
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