博科園：本文為材料科學類
形狀記憶合金以其卓越的特性而聞名——超彈性、形狀記憶和驅動能使它們被揉成一團，然後彈回“記憶”的原始形狀。但這種先進材料在商業應用中仍未得到充分利用，其用途可能包括改變飛機結構的形狀，以提高飛行效率，或在太空中部署通信天線和太陽能電池板。科羅拉多礦業學院的研究人員正在努力更好地瞭解它們複雜內部微觀結構在形狀記憶行為中是如何變化，他們的第一個此類實驗結果最近發表在三大材料科學和力學期刊上：《晶體學報》、《固體力學和物理學報》和《材料快報》。形狀記憶合金(SMAs)是在70多年前被發現，其前景已經在美國獲得了超過1萬項專利，在世界範圍內獲得了2萬項專利。
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博科園-科學科普：這三篇論文的第一作者，現在是明尼蘇達大學(University of Minnesota)的一名博士後研究員Ashley Bucsek博士說：然而這並沒有與其技術影響力相匹配——在這2萬項SMA專利中，只有有限數量的專利作為商業上可行的產品得以實現，其他許多先進材料的情況也類似，從開發到實施需要數十年的時間。開發和實現之間存在這種差距的一個原因是，研究人員實際上只是在用傳統的顯微鏡技術抓撓表面，而SMAs中的大多數微觀機制都是三維的、平面外的，並且對內部約束非常敏感。為了彌補這一差距，Bucsek和同事們將鎳鈦（最廣泛使用和可用的sma）置於當今最強大的3d顯微鏡下，這些顯微鏡位於紐約州北部康奈爾大學的康奈爾高能同步加速器源(CHESS)。
- 對鎳鈦試樣進行了力學測試，測量了試樣內部微觀結構的演變，顏色對應於晶體的方向，這些方向聚集成顆粒或晶體。圖片：Colorado School of Mines
具體來說，使用了近場和遠場高能衍射顯微鏡(HEDM)，這是在三維x射線衍射技術的保護傘下，使她能夠在材料內部微觀結構三維可視化的同時，它的反應是實時的。儘管HEDM在國際和其他同步加速器領域已經發展了十多年，但應用HEDM來研究具有低對稱性相混合物和大晶體尺寸差異等特徵的高級材料過程基本上是不存在的。因此，這三個實驗都需要開發新的實驗、數據分析和數據可視化技術來提取所需的信息。許多結果令人驚訝，揭示了幾十年來SMA微觀力學爭論的領域。在SMAs中，通常是高對稱性的“奧氏體”相在較高的溫度下是穩定的，但如果施加足夠的應力或溫度降低，它將相變為低對稱性的“馬氏體”相。
第一篇論文“利用遠場高能衍射顯微鏡測量應力誘導的馬氏體微觀結構”，發表在《晶體學報A輯:基礎與進展》上，旨在預測馬氏體的具體變化。使用這種方法，發現SMAs內部的馬氏體微觀結構嚴重違反了最大變形工作標準的預測，這表明，對於SMAs可能具有工程級微觀結構特徵和缺陷的情況，需要修改被廣泛接受的最大變形工作標準的應用。第二個實驗研究的是載荷誘導的孿晶重排，或稱馬氏體重定向，這是一種可逆的變形機制，通過這種機制，材料可以承受較大的載荷和變形，而不會受到晶體孿晶重排的損傷。在宏觀變形帶中，當它們通過微觀結構傳播時，會發生一系列特定的孿晶重排微觀機制。
研究表明，在這些帶內的應變定位導致晶格彎曲高達15度，這對彈性應變、解析剪切應力和最大限度地實現孿晶重排具有重要意義。這些發現將指導未來的研究人員在新的多鐵技術中使用孿晶重排。固態驅動是SMAs最重要的應用之一，在許多納米機電和微機電系統、生物醫學、主動阻尼和航空航天驅動系統中都有應用。最終實驗的目標是SMAs作用下奧氏體晶粒內部出現特殊的大角度晶界現象。在驅動過程中，在恆定負載下，通過加熱、冷卻、再加熱SMA，誘導SMA由奧氏體向馬氏體再向奧氏體的相變。用電子顯微鏡觀察到，奧氏體在試樣再加熱時會發生大的旋轉，這對輸出功和疲勞都是不利的。
但是，由於電子顯微鏡所需要的樣本尺寸較小，這些旋轉被觀察到非常不一致，出現在相同的負載條件下，但隨後不出現，或出現在幾個週期後，但在幾千個週期後不出現，研究結果顯示，在中等條件下，這些穀物的旋轉只需要一個週期就可以發生。但是由於旋轉的低體積和非均勻分散，需要一個體積來觀察它們。巴克塞克的研究經費來自美國國家科學基金會(NSF)研究生研究獎學金，以及她的博士導師和合著者、礦山機械工程羅林森副教授亞倫·斯泰布納(Aaron Stebner) 2015年的NSF職業獎。使用高性能計算機分析數據所需的額外資金來自NSF XSEDE項目。巴克塞克博士在這些文章中記錄的論文工作表明，使用3d技術研究材料的3d結構非常重要。
她能夠觀察和理解50多年來一直被假設和爭論的機制，這是第一次。和大多數技術一樣，採用新材料的最大障礙是對未知的恐懼。這種瞭解無疑將導致這些神奇材料得到更廣泛的接受和應用，因為它提高了我們對發展證明和合格材料信心。美國國家科學基金會還提供了用於x射線顯微鏡測量的康奈爾高能同步加速器源的操作。科學家達倫·帕甘(Darren Pagan)說：在她的論文工作中，巴克塞克博士開發了新的、創造性的方法，將HEDM方法應用於形狀記憶合金系統的研究，克服數據處理和解釋相關挑戰的能力，使人們對形狀記憶合金變形的微觀力學有了新見解！
博科園-科學科普｜研究/來自: 科羅拉多礦業學院
參考期刊文獻:《材料快報》,《固體力學和物理學報》,《晶體學報》
DOI: 10.1016/j.scriptamat.2018.11.043
DOI: 10.1016/j.jmps.2018.12.003
DOI: 10.1107/S205327331800880X
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