纳米线NbTi与TiNi记忆合金耦合作用研究

人们已认知利用纳米线可大幅度提高结构型复合材料的强度，而对纳米线改性功能材料了解甚少。本研究基于NbTi-TiNi共晶相变，经成分设计及实验验证，采用常规熔炼、锻造及拔丝，成功制备出复合均匀的纳米线NbTi/TiNi记忆合金复合材料。我们发现不同形状、屈服强度NbTi纳米线与TiNi的超弹性、形状记忆效应耦合呈现了新的功能特性，如：NbTi纳米线弹性变形与TiNi超弹变形耦合呈现高强度窄滞后特性，NbTi纳米线弹塑性变形与TiNi超弹变形耦合呈现应变软模、线性超弹及双应力超弹平台特性，NbTi纳米线与TiNi记忆效应耦合呈现异常热膨胀特性。本项目拟研究NbTi纳米线与TiNi记忆合金耦合作用，探索耦合过程中NbTi纳米线的变形行为及TiNi的相变行为，揭示复合材料高强度窄滞后、应变软模、线性超弹等功能特性的物理机制及影响因素。研究结果对认知纳米线改性功能材料特性具有重要学术意义。

人们已认知利用纳米线可大幅度提高结构型复合材料的强度，而对纳米线改性功能材料了解甚少。本研究基于NbTi-TiNi共晶相变，经成分设计及实验验证，采用常规熔炼、锻造及拔丝，成功制备出复合均匀的纳米线NbTi/TiNi记忆合金复合材料。我们发现NbTi纳米线弹性变形与TiNi超弹变形耦合呈现高强度窄滞后特性，NbTi纳米线弹塑性变形与TiNi超弹变形耦合呈现应变软模、线性超弹及双应力超弹平台特性，NbTi纳米线与TiNi记忆效应耦合呈现异常热膨胀特性。利用同步辐射测试手段揭示了纳米线NbTi/TiNi记忆合金复合材料高强度窄滞后、应变软模、线性超弹、双应力超弹平台及异常热膨胀的物理机制。研究结果表明，TiNi基体的马氏体相变使纳米线展现出其本征的高强度，经过加卸载循环后，纳米线与TiNi基体发生了强烈应力耦合作用，基于该耦合作用，NiTi基体在随后加载过程中，加载伊始即发生应力诱发相变，并使Nb纳米线弹性应变范围增加，使复合材料表现出应变软模与线性超弹。高强度纳米线分担了加载过程中的载荷以及纳米晶TiNi的相变使复合材料表现出高强度窄滞后。非晶/纳米晶TiNi基体在加热初始发生逆相变导致纳米线受压使整个复合材料产生热收缩，而后随温度升高发生晶化释放纳米线的内应力而产生急剧热膨胀。纳米晶TiNi的约束态相变研究表明，继承变形马氏体转变速率很小，约为0.2Vol.%/℃，而预变形马氏体的转变速率随着温度的升高先逐渐增大而后减小，最大转变速率约为0.65Vol.%/℃。. 此外，探索了两种复合材料体系：1）共晶型Ti5Si3/TiNi形状记忆合金复合材料：复合材料共晶组织中TiNi片厚度约130nm，Ti5Si3片厚度约50nm，具有明显的可逆马氏体相变，复合材料最大断裂强度可达2.5GPa，压缩应变达35%，压缩应力应变曲线表现出两段加工硬化现象。2）Nb纳米线/TiNiCu形状记忆合金复合材料：Nb加入TiNiCu形状记忆合金中会形成富Nb相，有助于提高塑性。复合材料具有可逆马氏体相变行为，并且因为Nb元素的加入导致复合材料的相变温度较低。Nb纳米线/TiNiCu记忆合金复合材料具有6.5%的线性超弹行为。