形状记忆合金时效效应的微观机理及调控方法

As new functional materials, shape memory alloys (SMAs) have received considerable attention so far. However, only a few of SMAs can be used in commercial applications. This is because the majority of SMAs suffer from the aging effects which can cause the instability of physical properties of SMAs devices. As common physical behaviors in SMAs, the aging effects have puzzled materials scientists and their origin has remained controversial during the past decades. In 1997, a postulation named symmetry-conforming short-range order (SC-SRO) model was proposed to provide a unified microscopic explanation for aging effects in SMAs (Nature,1997). Using atomistic simulations, our previous works have demonstrated the validity of SC-SRO model (PRB, 2010a, b; APL,2010). However, the origin of SC-SRO, i.e., the underlying reason why point defects follow the SC-SRO model is still unclear. In the present project, the origin of SC-SRO model and the microscopic mechanism of aging effects in SMAs will be systematically investigated using atomistic simulations. Given the fundamental understanding of microscopic mechanism, the approaches to controlling (even avoiding) aging effects will be proposed. Employing frist-principles calculations, the SMAs with tunable aging effects will be designed through composition variation or point defect engineering. Such promising SMAs are expected to be examined by experiments. We believe our project will not only offer the deep understanding of aging effects in SMAs but also enable the development of new highly reliable shape memory alloys.

形状记忆合金（SMAs）作为一种新型功能材料受到人们广泛关注，但是其普遍存在的时效效应严重限制了基于SMAs的物理器件的实际应用。SMAs时效效应的物理起源长期以来存在争议，直到点缺陷短程对称一致性（SC-SRO）模型的提出（Nature，1997），才为时效效应提供了统一的微观解释。申请人前期工作也从原子尺度验证了SC-SRO模型的合理性及其对时效效应的影响（PRB 2010a，b；APL，2010）。然而，SC-SRO模型本身的物理起源，即点缺陷为何遵循SC-SRO模型，尚存疑未解。本项目拟利用原子模拟方法对该模型的物理起源进行研究，揭示SMAs时效效应的微观机理，并提出调控时效效应的理论方法；进而利用第一性原理计算，通过调制成分或缺陷掺杂对SMAs时效效应进行调控；最后进行实验验证。本项目不仅对理解SMAs时效现象的物理起源具有重要理论意义，也可以为开发高可靠性SMAs提供理论指导。

晶体中的点缺陷及其分布在形状记忆合金时效效应中，及许多晶体材料新奇物理性能中都起着重要作用。本项研究中，针对形状记忆合金中的时效效应，我们利用多尺度的原子模拟研究了晶体中点缺陷及其分布的物理规律，阐明了点缺陷之间的相互作用是晶体中点缺陷有序分布的起因。进而，我们发现在时效过程中，形状记忆合金中点缺陷的短程有序对称性分布的改变，是马氏体相畴反转应力升高等时效行为的物理起源。同时，我们通过点缺陷浓度和短程有序分布的调控，可以获得具有准同型相界（Morphotropic phase boundary或MPB）的形状记忆合金，在MPB成分处能够获得具有窄滞后、低模量等优异性能的形状记忆合金。.. 利用点缺陷有序分布调控，我们还在低维纳米材料中诱发出形状记忆效应和超弹性，解决了形状记忆合金在亚微米尺度下形状记忆效应和超弹性消失的原理性制约。此外，基于项目研究结果，我们利用晶体中点缺陷调控，还获得了NiAl高温合金中的第二相析出物的形核长大的原子图像，揭示了第二相同基体相的相界面宽度的演化规律；并针对钙钛矿型铁电体超晶格材料，利用点缺陷有序排布，对其铁电性等物理性能进行了优化。.. 研究结果不但从原子尺度揭示了形状记忆合金中点缺陷短程有序分布的物理图像，为形状记忆合金中时效效应提供了微观理解，也对形状记忆合金的物理性能调控提出了解决思路。同时，晶体材料中点缺陷有序分布的普适性为调控材料物理性能提供了方法，有望在形状记忆合金、高温合金、铁电晶体材料、二维晶体材料等众多材料中诱发结构相变等新奇物理特性和优化铁电性等物理性能。因此，点缺陷短程有序分布的微观机制不但能够为晶体材料中物理行为提供理解，也有望对晶体材料中的功能特性提供有效调控手段。