Science：轻质镁钪形状记忆合金问世

2016-09-06 12:04:05 作者：本网整理来源：网络分享至：

形状记忆合金（shape-memory alloy）具有形状记忆效应，在低温时发生的形变会在高温时恢复而变成原始状态（或接近原始的状态）。这一特性使得其在航天领域有着广泛的应用，低温下压缩形状记忆合金设备可以减少航天器运载时所需的空间，到达目的地后，在高温下恢复原有形状则可以正常使用。1969年美国的“阿波罗”11号登月舱在登月后使用的直径数米的天线就是用形状记忆合金的材料合成。

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图一，“阿波罗”11号登月，右上角的天线为形状记忆合金材料。

另外，形状记忆合金还具有超弹性（superelasticity），宏观上表现为比一般金属大的多的形变恢复力。这一特性使得它在医疗器械、建筑减震以及日常生活中得到了广泛的应用，牙齿正畸器、人造骨骼、地震阻尼器、眼睛镜架上处处能看到形状记忆合金的身影。

目前常见的形状记忆合金通常基于Ti、Ti-Ni合金、Cu、Fe、Ni、Co等金属，密度较大，而基于Mg和Al等较轻合金的轻质形状记忆合金还未见报道。近日，日本东北大学的Daisuke Ando和Yuji Sutou等人发现Mg-Sc原子比在4:1左右时能够形成形状记忆合金，而该合金的密度仅为2 g/cm3左右，远小于已有材料。这种轻质镁钪形状记忆合金在对重量控制严苛的领域（诸如航空航天）存在着巨大的应用潜力，相关工作发表在《Science》上。

作者通过X射线衍射（XRD）发现， Mg–20.5 at % Sc这种轻金属合金在热处理并降温后有着与普通Mg基金属的六方密堆积不同的体心立方结构（bcc）（图二A黑线），同时伴随少量的六方密堆积相（hcp）。在样品受力冷轧过后，XRD衍射图上出现了新的衍射峰（图二A红线），这种应力诱导的新相产生过程类似于β相Ti-基形状记忆合金的马氏体相变（martensitic transformation）。作者通过透射电子显微镜（TEM）观察到了样品上层状的马氏体，证实了这一猜想。

图二，Mg–20.5 at % Sc样品在热处理冷却后（黑色），冷轧处理（红色）和拉伸断裂后（蓝色）的X射线衍射结果。β相为bcc结构，α相为hcp结构。

进一步的，作者在不同温度下对样品进行了应力应变测试，如图三A到D所示，应力应变测试选择了20 ℃、-50 ℃、-100 ℃和-150 ℃四个温度，按1%、2%、3%、4%的拉伸应变先后拉伸样品并卸力，观察样品在受力后的恢复情况。从结果可见，在20 ℃、-50 ℃、-100 ℃下，样品的塑性形变（plastic deformation）在卸力后仍然保持。而在-150 ℃时，样品可以在卸力后恢复原始的形状，表现出了超弹性。经过测试，在拉伸应变为8%时，样品仍然具有一定的恢复能力（图三E）。样品的最大超弹性应变达到了4.4%，与多数β相Ti-基形状记忆合金相似（图三F）。

图三，Mg–20.5 at % Sc样品在20 ℃、-50 ℃、-100 ℃和-150 ℃时的循环拉伸应力-应变曲线。

作者还在不同温度下研究了样品的超弹性，发现样品只有在低于-120 ℃到-100 ℃区间内的某个温度时才会出现超弹性，由应力可以引发马氏体相的出现。而高于这个温度时，样品在受力时则表现出了塑性形变（图四）。值得一提的是，马氏体相变除了可以通过应力诱导，还可以通过温度诱导。但作者通过不同温度下样品的电阻率测试确定，即使到了-272.6 ℃的低温，样品也仍然没有马氏体相的出现。

图四，Mg–20.5 at % Sc样品的应力和超弹性应变对温度的变化曲线。

总结一下，Mg–20.5 at % Sc合金在-150 ℃时表现出了超弹性，其最大超弹性应变达到了4.4%，可与β相Ti-基形状记忆合金媲美。这类合金的密度为2 g/cm3左右，要远远小于之前所发现的形状记忆合金（图五）。正因为如此，尽管这类镁钪合金材料的价格昂贵，它们仍然有望应用于航空航天等对重量要求较高的领域上。