Nat.Nanotech.：形狀記憶合金的超彈性在納米尺度的尺寸效應

【引言】

形狀記憶合金具有形狀記憶效應和超彈性，可用於微電子機械系統，因此在可穿戴醫療領域和柔性電子技術中具有誘人的發展前景。微米及納米級形狀記憶合金具有更高的做功密度，從而引起了研究人員廣泛的關注。然而，在納米尺度，對於形狀記憶合金的基礎研究仍然存在一些問題。比如，在超彈性效應中，應力誘導馬氏體相變的臨界應力是否類似於晶體塑性變形的屈服強度，具有尺寸效應。

【成果簡介】

近日，西班牙巴斯克大學Jose M. San Juan（通訊作者）在Nat. Nanotech.上發表了題為「Size effect and scaling power-law for superelasticity in shape-memory alloys at the nanoscale」的文章。該研究團隊對Cu-14Al-4Ni (wt%)合金進行研究，該成分合金在室溫下具有超彈性行為。通過聚焦離子束（FIB）技術製備了一系列不同尺寸的 [001]微米和納米微柱，採用納米壓痕儀對微柱進行超彈性納米壓縮試驗，提出了納米尺度下應力誘導馬氏體相變的定量評估方法，展示了超彈性效應中臨界應力的尺寸依賴性，並建立了原子尺度的彈性模型定量解釋了這種現象。

【圖文解讀】

圖一 微米柱的超彈性行為

(a-c) 不同尺寸微米柱的SEM圖像：(a) φ=1.35μm; (b) φ=1.1μm; (c) φ=0.9μm;

(d-f) 不同尺寸微米柱納米壓縮載荷-深度曲線：(d) φ=1.35μm; (e) φ=1.1μm; (f) φ=0.9μm;

(g-i) 不同尺寸微米柱超彈性循環應力-應變曲線：(g) φ=1.35 μm; σc= 184MPa; (h) φ=1.1 μm; σc= 182MPa; (i) φ=0.9μm; σc=187MPa.

圖二 微米尺寸微柱的超彈性臨界應力及納米壓縮實驗的可重複性

(a) 直徑大於0.8μm的微柱超彈性臨界應力曲線。藍色菱形點表示應力曲線第一次轉折時的應力值；品紅色點表示馬氏體相變平台應力值；綠色點表示φ=1.7μm , φ=1.6μm, φ=1.55μm 時的應力值（前期工作）；青色環繞的洋紅色點表示圖b中微柱陣列所示的應力平均值；

(b) 用於測試納米壓縮實驗可重複性的微柱陣列的SEM圖像；

(c) 微柱陣列中每個微柱的臨界應力。

圖三 納米微柱超彈性行為

(a-c) 不同尺寸納米微柱的SEM圖像：(a) φ=435nm ; (b) φ=335nm ; (c) φ=262nm;

(d-f) 第一次超彈性試驗的納米壓縮載荷-深度曲線，(f)中的時間尺度表明平台期中馬氏體相變的快速響應；

(g-i) 應力-應變超彈性循環曲線，分別對應於(d-f)中的載荷-深度曲線。每張圖片中展示了超彈性的臨界應力 σc，(i)中給出了楊氏模量E[001]=23.5GPa.

圖四 超彈性臨界應力的尺寸效應

(a) 微米和納米微柱馬氏體相變的臨界應力和微柱尺寸的關係，紅點表示應力平台值；藍色菱形表示曲線第一次轉折時的應力值；紅色方塊表示原位試驗應力值；青色三角形表示5kV聚焦離子束製備的納米柱所對應的應力值；連續紫線表示模型的預測；

(b) 超彈性循環臨界應力和微柱尺寸的關係，藍線表示納米壓縮試驗在第100次循環中達到穩定的狀態，將漸近非依賴尺寸效應的應力（165 MPa）視為與尺寸無關的臨界應力σ0；灰線表示大塊單晶臨界應力σB.

圖五 納米尺度超彈性的標度冪律

臨界分切應變的尺寸依賴性：紅點對應圖四(a)所表示的第一個循環；藍點對應圖4b所表示的第100個循環。

圖六 原子尺度下超彈性效應的彈性模型

(a) 原子堆垛順序：奧氏體β(L21)//(101)；

(b) 在[101]方向施加應力σap產生彈性位UM移β相的晶格狀態，灰色箭頭表示馬氏體轉變時，晶格切變過程中原子的弛豫運動；

(c) 平行於[10-1]的原子鍵弛豫後γ馬氏體的晶格狀態；

(d) 徑嚮應變的尺寸依賴性。

【小結】

該項研究成果表明在形狀記憶合金超彈性效應中，應力誘導馬氏體相變的臨界應力存在顯著的尺寸效應，納米級Cu-Al-Ni合金在進行數千次循環時依然具有良好的超彈性。該項研究結果挑戰了應力誘導馬氏體相變標度冪律的普適性，並提出了馬氏體均勻形核模型，很好地解釋了這種尺寸效應。在該項研究的啟發下，可設計開發新型的形狀記憶合金，有希望用於發展未來新一代的微電子和納米機械系統，以及可穿戴醫療領域和柔性電子技術中的智能設備。

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