西安交大博士生提出超低模量、零滞后、线性超弹性材料的全新设计

形状记忆合金由于其独特的力学性能被广泛应用于生物医疗和工业领域,包括骨移植材料、医用导管、驱动器、传感器等。然而这些器件的性能远未达到预期水平。当前骨移植材料的模量远高于人体骨骼的杨氏模量(20-30 GPa),将会引起应力屏蔽效应。应力屏蔽效应一直是影响骨移植材料服役时间和病患康复时间的主要因素。此外,伴随形状记忆合金的应力滞后导致形状记忆合金驱动器的效率只有不到1%,远低于其他类型驱动器的效率。形状记忆合金的强非线性变形行为使得驱动器的精确控制非常困难,这对其在微创手术、机器人等领域的应用形成了极大的挑战。

近日,西安交大前沿院微观组织科学中心的博士生朱家明与合作者提出了一种全新的材料设计概念:综合利用成分波动调控效应和预加载荷效应来对形状记忆合金中的马氏体相变进行改性,进而优化其力学性能。通过相场模拟该课题组证明:在形状记忆合金中引入成分波动可以有效的调控马氏体相变的动力学过程,将其从强一级相变转变为宏观连续相变;通过预加载荷引入的马氏体核胚避免了马氏体相变过程中的重复形核,使得马氏体相变直接进入长大阶段。利用这一概念,该课题组设计出了一种全新的形状记忆合金,这种合金同时具备超低模量(12 GPa)、零滞后和线性超弹性(2.7%),能够有效的解决应力屏蔽效应,同时为开发高效率高精度驱动器提供了条件。

相关成果发表在国际材料领域权威期刊Materials Horizons(影响因子13.183)上,论文题目为“Making metals linear super-elastic with ultralow modulus and nearly zero hysteresis”。博士生朱家明为该论文的第一作者,西安交大前沿院为该论文第一作者单位。

该工作得到了国家自然科学基金的支持。

论文链接:http://dx.doi.org/10.1039/C8MH01141A