纳米线/形状记忆合金复合材料制备及其结构功能特性

For conventional engineering materials, including metals, ceramics and polymers, it is of an intrinsic challenge to simultaneously integrate low elastic modulus, high yield strength, large elastic strain limit and high damping in one body. To overcome this challenge, in our preliminary study, we have developed an in-situ composite consisting of aligned Nb nanowires as the strengthening agent and NiTi shape memory alloy as the functional matrix, by eutectic solidification and severe deformation of Nb-NiTi alloys. As a result of the super large elastic strain of Nb nanowires and the coupling between the two components induced by a pre-deformation, the composite exhibits an integrated set of superior properties, including a very low elastic modulus of ～26 GPa, a high plastic yield strength of > 1.65 GPa, an linear elastic strain limit of > 6% and a high damping capacity of > 0.05. This project aims to develop this composite into structure-functionality integrated materials of superior properties. The specific goals include establishment of a theoretical understanding of nanomechanics of the composite, characterization and optimization of the superior properties of the composite, and establishment fabrication method for the composite. The fundamental study of the project will focus on the characteristics and mechanism of super large elastic strains of Nb nanowires, the characteristic and evolution of the interface and phase distribution of the two components and thermal stability of the Nb nanowires. The accomplishment of the project is expected to open a new field of engineering materials of innovative designs and superior properties.

针对现有金属、陶瓷及聚合物三类材料难以兼具低弹性模量、高强度、超大弹性应变及高阻尼性能的难题，本项目前期工作中，优选纳米线作为增强组元，形状记忆合金作为功能组元，以耦合作用为实现优势互补途径，采用Nb-NiTi体系共晶相变和单向大变形技术，制备了Nb纳米线/NiTi记忆合金原位复合材料。基于NiTi基体中Nb纳米线具备超大弹性应变极限及两组元在预处理过程中的耦合作用，复合材料兼具低弹性模量（26GPa）、高屈服强度（﹥1.65GPa）、超大线弹性应变（﹥6%）及高阻尼（﹥0.05）性能。本项目拟以获得结构功能一体化材料为目标，通过对Nb纳米线超大弹性变形特征与机制、两组元界面与相分布特征及演变规律、约束态Nb纳米线热稳定性等关键科学问题研究，揭示NiTi基体在耦合作用过程中相变规律与机制，发展约束状态下纳米材料力学理论，形成新型结构功能一体化金属材料制备与性能调控的理论与方法。

纳米线由于其内部位错匮乏而具有超常力学性能（超大弹性应变或超高强度），然而，大量研究表明，纳米线的超常力学性能未在复合材料中体现，使其增强的大块复合材料未呈现预期的超常力学性能，此现象曾被喻为“死亡之谷”。对此，Dzenis在Science期刊 （2008）给予专题评述：“材料科学家曾预见，由于纳米线具有超高强度，其增强复合材料应具有超常性能，然而，已有研究结果均令人失望；纳米线的本征超大弹性应变/超高强度在复合材料中不能被实现，且目前尚不清楚这种实现是否可能？”. 针对上述难题，我们首先猜测，上述“死亡之谷”的原因：以往报道的纳米线复合材料的基体变形机制为位错滑移，其在原子尺度的变形具有不均匀、离散（变形集中在位错附近）性，易导致纳米线提前失效而损失强度。从教科书可知，应力诱发马氏体相变的点阵切变变形为集体原子移动，且输出均匀应变（约7%），此应变与纳米线的超大弹性应变（4-7%）相匹配（简称“应变匹配”），若采用马氏体相变金属作为纳米线复合材料的基体，可望使纳米线不提前失效。我们采用Nb纳米线/NiTi记忆合金复合材料体系，证实了我们提出的“应变匹配”设计概念，使纳米线的超常力学性能在大块复合材料中再现，跨越了长期困扰材料科学家的“死亡之谷”（刊于Science，2013）。. 基于上述“应变匹配”的新设计概念，本项目不仅研发了高力学性能Nb/NiTi、Cu/NiTi、Ti3Sn/NiTi、Ti5Si3/NiTi等复合材料，还研发了优异物理与化学性能复合材料，如：提高超导温度的纳米线Nb/NiTi基体、提高磁性的纳米膜FePt/NiTi基底、提高电催化性能的纳米膜Pt/NiTi基底、提高光催化性能的纳米膜TiO2/NiTi基底等复合材料。这证明了我们提出的“应变匹配”设计概念不仅对金属基复合材料领域具有促进作用，对物理与化学领域也具有一定促进作用。. 本项目在Science、Adv.Mater.、Joural of The Ameri.Chem.Soci、Acta Mater.等国际重要学术期刊发表论文50篇，国际学术会议特邀报告18次，获中国发明专利授权10项。Science期刊对我们的研究成果予以专题评论，研究成果入选“2013年度中国十大科学进展”。