在航空航天和太空探索等先进应用中，材料必须在轻量化、功能性和极端热波动抗性之间取得平衡。形状记忆合金因其强度、韧性和应变恢复潜力而备受期待，但是如何在低温环境下轻质有效运行却颇具挑战。东北大学Ryosuke Kainuma研究团队通过成分设计与晶格动力学调控，突破了传统形状记忆合金的温域限制和力学性能瓶颈，为开发轻质、宽温域、高可靠性的多功能材料提供了新范式，尤其推动航空航天、能源存储和生物医学领域的技术进步。该成果以“A lightweight shape-memory alloy with superior temperature-fluctuation resistance”为题于2025年2月27日发表于Nature。

同一天，香港科技大学机械与航空工程系姚舒怀、孙庆平、周国安团队使用压缩型薄壁管状镍钛构建了一个千瓦级的弹性热冷却装置，该装置采用“形状记忆合金（SMAs）串联-石墨烯纳米流体并联”架构也发表在Nature，详情请参考：今日Nature：香港科大形状记忆合金妙用！

1、新型轻质高强合金成分设计

通过将轻质元素铝（Al）和铬（Cr）引入钛（Ti）基体中，开发出成分为 Ti–20Al–4.75Cr（原子百分比） 的合金。该合金密度低（4.36 × 10³ kg/m³），比强度高达 185 × 10³ Pa·m³/kg，显著优于传统Ti-Nb基合金和商用Ni-Ti合金，同时保持了钛合金的轻质特性。

2、超宽温域超弹性性能
合金在 4.2 K（接近绝对零度）至400 K（约127°C） 的极端温度范围内均表现出完全可恢复的超弹性，其操作温域跨度达 396 K，是商用Ni-Ti合金（通常为273–353 K）的5倍以上。这一特性解决了传统形状记忆合金在低温或高温下超弹性失效的问题。

3、反常温度依赖的相变应力机制
首次在非磁性Ti基合金中发现相变临界应力的 反常温度依赖性：低温（<200 K）下，临界应力随温度降低而升高。这一现象通过晶格动力学分析揭示，归因于母相（B2结构）的剪切模量（C'）在低温下显著增加，增强了晶格抵抗剪切变形的能力，从而拓宽了超弹性温域。

4、高可恢复应变与抗疲劳性
合金在室温下的可恢复应变达 7.3%，接近商用Ni-Ti合金（~8%），是传统Ti-Nb基合金（<3%）的两倍以上。此外，经过 200次加载-卸载循环 后仍保持稳定的超弹性，表现出优异的抗功能疲劳性能。

5、有序B2结构与纳米域强化
通过快速淬火和热循环处理，合金母相形成 有序B2结构 的纳米域（平均尺寸15 nm），并通过反相畴界（APB）分隔。这种有序纳米结构有效抑制位错滑移，提升抗塑性变形能力，同时维持高弹性应变。

图1：近<110>单晶Ti-Al-Cr合金的超弹性性能。

图2：Ti-Al-Cr单晶的显微分析和原位中子衍射表征。

图3：Ti-铝-铬合金在宽温区内表现出超弹性行为。

图4：各种块状形状记忆合金的超弹性温度范围和轻质性能比较。

论文地址：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08583-7