镍钛基三元复合薄膜窄滞后相变机制和功能特性

Shape memory alloy, as an important component of metallic smart materials, shows excellent comprehensive properties such as shape memory effect and pseudoelasticity, and is a promising candidate for applications in aerospace and biomedical fields. Recently, the applicant found the new phenomenon that the Ni-Ti-Nb shape memory thin films showed very narrow thermal hysteresis during the phase transformation. Therefore, the project aims at investigating the microstructures (including grain size, phase composition, modulation period and modulation ratio) and the coupling effect of phase boundaries of the Ni-Ti-Nb (NiTi/Nb) ternary shape memory thin films, and the effects on the microstructures, the phase transformation behavior, mechanical properties and functional properties to further clarify the mechanism influencing the thermal hysteresis in the phase transformation. Furthermore, to explore the microstructures, the phase transformations and functional properties of other ternary NiTi alloy films prepared by adding the alloying elements, Zr or Ta. The results will exhibit significant theoretic values on the deep understanding of the phase transformation behavior of NiTi-based shape memory composite thin films and significances on the development of novel shape memory thin films with high performance.

形状记忆合金是一种重要金属智能材料，具有形状记忆效应和超弹性等优良性能，在航空航天和生物医疗等方面应用前景广阔。申请人在近期研究中发现了Ni-Ti-Nb形状记忆合金薄膜窄滞后相变的新现象。在此基础上，本项目拟通过系统研究Ni-Ti-Nb（NiTi/Nb）形状记忆合金三元复合薄膜的微观结构（包括晶粒尺寸、相组成、调制周期和调制比）和相界面耦合作用，及其对相变特性、力学性能和功能特性的影响规律；揭示影响Ni-Ti-Nb（NiTi/Nb）记忆合金薄膜相变窄滞后的内在机制；探索NiTi与其它合金元素如Zr和Ta等构成的三元复合薄膜材料的微观结构、相变特征和功能特性。相关结果对深入理解NiTi基记忆合金复合薄膜相变规律，发展新型高性能形状记忆合金薄膜材料具有重要理论意义。

研究了TiNiNb形状记忆合金薄膜微观结构、力学性能、摩擦磨损性能和耐腐蚀性能。制备出了不同Nb含量合金薄膜，均由TiNi（B2相，TiNi（B19’）相和富Nb相组成。Nb含量不会对薄膜的形貌、表面粗糙度、表面成分和元素价态产生明显影响。随Nb含量增加，TiNi（B2）相的含量和晶粒尺度不断降低，而TiNi（B19’）含量不断增加。纳米压痕试验表明，薄膜硬度值（H）、模量值（E）和（H3/E2）值均随Nb含量增加呈单调上升趋势。这说明薄膜抵抗弹性变形和塑性变形能力增强。薄膜摩擦系数随Nb含量增加而增大，磨损机制从磨粒磨损向黏着磨损转变。随着Nb含量增加，极化电阻和自腐蚀电位降低，自腐蚀电流密度增加，说明耐蚀性降低。制备出了TiO2/ZrO2纳米管/纳米多孔异质结构，显著提升了TiO2纳米管阵列在紫外波长范围的光吸收强度，并将光响应范围拓展至可见光区域。制备了基于TiZr合金薄膜的复合氧化物纳米管，将光响应范围扩展至可见光区域。在Zr-30Ti合金表面制备出了自支撑Ti掺杂ZrO2纵向纳米管阵列薄膜。掺杂能够引入掺杂能级从而有效提高光吸收性能。Zr(Ti)O2纳米管薄膜呈现出超亲水性且表面积大，有利于水的输运和传热，在1kWm–2光照、20.5℃和40%相对湿度环境下，获得了1.64kg/(m2•h)的高水蒸发速率，作为新型高性能光热转换水蒸发材料具有潜在应用前景。在Ti-20Zr-10Nb-4Ta合金表面激光刻蚀出了平行排列微米沟槽结构，形成TiO2/ZrO2/Nb2O5致密表面层，耐蚀性提高。改性后合金表面亲水性呈各向异性，沿着沟槽方向的亲水性提高，垂直于沟槽方向的降低。沟槽结构诱导MC3T3-E1成骨细胞取向生长，提高了细胞在培养初期（12 h）的增殖速率。激光表面改性技术在提高医用钛合金表面性能方面具有重要应用前景。