Nano Lett. ：氦納米氣泡在增強小體積記憶合金超彈性和減緩剪切局部化中的作用

【引言】

尺寸為微米級的小體積智能材料在MEMS、NEMS中有廣泛應用。形狀記憶合金（SMA）是常用于微致動器的一類智能材料，其通過在高溫奧氏體和低溫馬氏體之間的可逆轉達到形狀記憶和超彈性效應。研究表明，形狀記憶合金（SMA）支柱的超彈性響應具有很強的尺寸依賴性，SMA單晶柱的直徑一旦小于1μm，超彈性便開始減小。

氦離子輻照是在材料中引入額外尺度控制參數的有效方式。氦氣是惰性氣體，不會與固體元素發生化學反應或混合，因此當注入合金時，內部會形成氣泡，通常在幾百納米至數量級的數量級上。

【成果簡介】

形狀記憶合金超彈性的現象依賴于應力誘發馬氏體轉變（SIMT），其可通過在多個尺度上協同調節來控制。因此，關于形狀記憶合金在某個尺度層次被破壞時的表現，有很好的研究價值。西安交通大學的單智偉教授、韓衛忠教授、麻省理工學院的李巨教授（）在Nano Lett. 上發表了篇名為“Helium Nanobubbles Enhance Superelasticity and Retard Shear Localization in Small-Volume Shape Memory Alloy”的文章， 他們將Ni-Fe-Ga記憶合金制備為微米尺度的圓柱，并應用了氦納米氣泡注入的方式，使記憶合金中產生納米級尺寸的孔隙率。以研究形狀記憶合金中的超彈性現象。

他們采用具有[001]取向的Ni _53.5 Fe _19.5 Ga ₂₇單晶，通過聚焦離子束（FIB）微加工，制造出具有[001]取向的微米尺寸和亞微米尺寸的圓柱。并在200℃下使用400keV的氦離子，以?2 × 10¹⁷?ions/cm²的通量將氦注入[001] Ni-Fe-Ga單晶中，制備含有高密度氦氣泡的Ni-Fe-Ga圓柱。之后將制備的圓柱上進行原位壓縮試驗。

【圖文導讀】

圖1. 直徑為2.35μm的[001] Ni-Fe-Ga單晶柱的壓縮應力-應變曲線。

應力卸去后壓縮應變完全恢復，這是由奧氏體--馬氏體相變引起的超彈性。插圖顯示了載荷前后的[001] Ni-Fe-Ga柱的形狀演變。

圖2. 直徑為890nm的[001] Ni-Fe-Ga單晶柱的壓縮應力-應變曲線。

在機械載荷下發生應變突發現象（strain burst），表明Ni-Fe-Ga單晶柱塑性變形。SEM圖像顯示[001] Ni-Fe-Ga柱在壓縮期間形成的剪切變形特征。

圖3. 不同直徑的[001] Ni-Fe-Ga單晶柱的SIMT和ODP（ordinary dislocation slip plasticity，普通位錯滑移）的臨界應力。

從超彈性到可塑性的轉變發生在1.2μm的直徑處。空心符號表示超彈性，實心符號表示可塑性。

圖4. 氦注入后，鎳原子中每原子位移（DPA）的輻照損傷分布和氦濃度的分布。

（a）氦注入 [001] Ni-Fe-Ga單晶后的輻照損傷和氦濃度的分布，氦濃度峰值出現在離表面約1μm距離的區域

（b）氦注入[001] Ni-Fe-Ga單晶后形成的氦氣泡的典型TEM圖像。選區電子衍射圖表明，注入氦氣泡后，大部分Ni-Fe-Ga仍然保持為長程有序?L2₁?晶體結構的奧氏體相。

圖5. 亞微米級Ni-Fe-Ga單晶柱的壓縮行為。

（a-c）直徑為500nm的[001] Ni-Fe-Ga單晶柱的壓縮行為。

（d-f）直徑為500nm的氦氣泡[001] Ni-Fe-Ga單晶柱的壓縮行為。高密度的氦氣泡導致Ni-Fe-Ga圓柱具有穩定的應力應變響應，可逆相變的臨界應力較低，卸載后可恢復應變的2％。

圖6. [001] Ni-Fe-Ga單晶柱中位錯/馬氏體與氦氣泡相互作用示意圖。

（a）與氣泡尺寸相比，局部位錯滑動容易被氦氣泡阻擋。（b）應力誘發馬氏體能夠繞過納米尺度的氦氣泡，因為它們的成核尺寸大于He氣泡。

【小結】

他們的實驗表明，Ni-Fe-Ga形狀記憶合金圓柱的超彈性和位錯塑性表現出很強的尺寸依賴性。一旦柱直徑小于1.2μm，馬氏體相變將被抑制，通過不可逆剪切局部化發生變形。氦注入Ni-Fe-Ga圓柱后形成許多內部納米氣泡，可以提高亞微米尺寸的Ni-Fe-Ga圓柱的超彈性。氦氣泡柱具有較高的馬氏體轉變應力和更穩定的應力-應變響應，大大提高了小體積材料的“機械可控性指數”。

文獻連接：Helium Nanobubbles Enhance Superelasticity and Retard Shear Localization in Small-Volume Shape Memory Alloy?( Nano Lett. , 2017, DOI: 10.1021/ acs.nanolett.7b01015)

本文由編輯部納米材料組mengya整理編譯，點我加入材料人編輯部。

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