Acta Mater.：小體積氧化鋯高溫形狀記憶和馬氏體相變的原位研究

【引言】

形狀記憶材料具有優異的變形和恢復能力，在軍事、醫療、航空航天和機器人應用等領域具有廣闊的發展前景。近年來，研究人員發現微尺寸單晶氧化鋯具有優良的形狀記憶效應，而且這類陶瓷具有比金屬更高的強度和工作溫度。該微尺度的單晶結構，具有很大的比表面積且不存在晶界，有助于協調相變應力從而消除裂紋。因此，體積小的優勢能夠使氧化鋯在四方和單斜相之間發生應力誘導馬氏體相變。同樣，溫度也可以誘發馬氏體相變。因此，特征馬氏體相變溫度決定了形狀記憶陶瓷的工作溫度窗口。值得一提的是，研究人員早期的工作表明，小體積氧化鋯在應力誘發相變過程中更傾向于選擇單斜變體；而在熱誘導馬氏體相變中，只傾向于形成一種馬氏體變體。到底什么因素決定了馬氏體變體的選擇呢？這篇文章會給你答案！

【成果簡介】

近日，新加坡南洋理工大學 Chee Lip Gan教授（通訊作者）研究團隊于2017年6月6日在期刊Acta Materialia上發表了題為“In-situ studies on martensitic transformation and high-temperature shape memory in small volume zirconia”的文章。研究人員使用配有加熱臺的同步輻射XRD裝置對微米尺寸氧化鋯（摻雜氧化釔和二氧化鈦）的相變晶體學進行了原位研究。該研究成果對特征馬氏體相變溫度和相變過程中單斜馬氏體變體的優先選擇提供了更深層的理解。

【圖文導讀】

圖1?塊體氧化釔-二氧化鈦共摻氧化鋯（YTDZ）微柱的制備

(a) 塊體氧化釔-二氧化鈦共摻氧化鋯（YTDZ）的晶體結構；

(b) 沉積Pt的硅基片上的微米尺寸晶粒；

(c) 在塊體YTDZ晶粒上研磨出的凹坑；

(d) YTDZ微柱形貌（視角52°）；

(e) 在沉積Pt的硅基片上壓縮微柱3；

圖2?同步輻射XRD裝置原位納米壓痕實驗

(a) 同步輻射XRD裝置示意圖；

(b) 微柱原位微應力試驗的SEM圖片；

圖3?晶粒典型的Laue衍射圖譜及相應的晶面指數

(a) 300℃下Laue衍射圖及相應的四方相的hkl指數；

(b) 550℃下Laue衍射圖及相應的單斜相的hkl指數；

圖4?加熱/冷卻循環過程中微米尺寸四方相和單斜相的晶體取向圖

(a) 25℃→550℃→133℃循環，晶粒1中四方相和單斜相的晶體取向圖；

(b) 25℃→550℃→133℃循環，晶粒2中四方相和單斜相的晶體取向圖；

圖5 加熱/冷卻循環過程中微米尺寸四方相和單斜相體積分數的變化

在25℃→550℃→133℃的加熱/冷卻循環期間，根據晶粒1和晶粒2中相體積分數的變化，可以確定馬氏體相變的M_s，M_f，A_s，A_f點。

圖6 在25℃→700℃的加熱循環中，微柱3的四方相和單斜相的晶體取向圖

不同顏色代表的具體晶體學取向如圖8(a)所示。

圖7 ?不同溫度下四方相和單斜相的晶體取向和對應的極圖

(a) 不同溫度下，晶粒1和晶粒2中四方相和單斜相的晶體取向；

(b) 對應于[100]，[010]，[001]和[110]軸的極圖，極圖使用相同的顏色來表示每個晶體；

圖8?不同溫度下單斜相和四方相的晶體學參數

(a-d) 微柱4在不同溫度下的Laue衍射圖譜及其標定；

(e) 25℃→700℃加熱過程中單斜相和四方相（a / b，b / c，a / c和β）的晶格參數；

(f) [100]，[010]，[001]和[110]的投影軸下，單斜相（紅色）和四方相（黃色）晶體在極圖中的位置；

圖9?不同溫度下微柱4原位微應力試驗結果

(a-g) 不同溫度下，微柱4在原位微應力試驗(傾斜角度為12°)前后的SEM圖像；

(f) 微柱在400℃下的載荷-位移（應力-應變）曲線；

【小結】

原位微應力試驗表明，YTDZ陶瓷在室溫和400℃高溫變形后均表現出形狀記憶效應。這種寬的工作溫度窗口和相變溫度的成分可控性，以及高的強度和抗大氣侵蝕的性能，使得氧化鋯陶瓷作為形狀記憶材料在極端條件下具有廣闊的應用潛力。

文獻鏈接：In-situ studies on martensitic transformation and high-temperature shape memory in small volume zirconia (Acta Mater., 2017, DOI: 10.1016/j.actamat.2017.06.006)

本文由材料人編輯部新人組李志偉編譯，萬鑫浩審核，點我加入材料人編輯部。

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