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西安交大博士生提出超低模量、零滯后、線性超彈性材料的全新設計

2019年01月02日 16:44  點擊:[]

形狀記憶合金由于其獨特的力學性能被廣泛應用于生物醫療和工業領域,包括骨移植材料、醫用導管、驅動器、傳感器等。然而這些器件的性能遠未達到預期水平。當前骨移植材料的模量遠高于人體骨骼的楊氏模量(20-30 GPa),將會引起應力屏蔽效應。應力屏蔽效應一直是影響骨移植材料服役時間和病患康復時間的主要因素。此外,伴隨形狀記憶合金的應力滯后導致形狀記憶合金驅動器的效率只有不到1%,遠低于其他類型驅動器的效率。形狀記憶合金的強非線性變形行為使得驅動器的精確控制非常困難,這對其在微創手術、機器人等領域的應用形成了極大的挑戰。

近日,西安交大前沿院微觀組織科學中心的博士生朱家明與合作者提出了一種全新的材料設計概念:綜合利用成分波動調控效應和預加載荷效應來對形狀記憶合金中的馬氏體相變進行改性,進而優化其力學性能。通過相場模擬該課題組證明:在形狀記憶合金中引入成分波動可以有效的調控馬氏體相變的動力學過程,將其從強一級相變轉變為宏觀連續相變;通過預加載荷引入的馬氏體核胚避免了馬氏體相變過程中的重復形核,使得馬氏體相變直接進入長大階段。利用這一概念,該課題組設計出了一種全新的形狀記憶合金,這種合金同時具備超低模量(12 GPa)、零滯后和線性超彈性(2.7%),能夠有效的解決應力屏蔽效應,同時為開發高效率高精度驅動器提供了條件。

相關成果發表在國際材料領域權威期刊Materials Horizons(影響因子13.183)上,論文題目為“Making metals linear super-elastic with ultralow modulus and nearly zero hysteresis”。博士生朱家明為該論文的第一作者,西安交大前沿院為該論文第一作者單位。

該工作得到了國家自然科學基金的支持。

論文鏈接:http://dx.doi.org/10.1039/C8MH01141A

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