中國粉體網(wǎng)訊 形狀記憶材料（SMM）是一種具有良好發(fā)展前景的智能材料。形狀記憶材料是指能夠感知并響應(yīng)環(huán)境變化（如溫度、力、電磁、溶劑、濕度等）的刺激，對其力學(xué)參數(shù)（如形狀、位置、應(yīng)變等）進行調(diào)整，從而恢復(fù)到初始狀態(tài)的一種智能材料。簡單地說，就是有一定初始形狀的材料經(jīng)過形變并固定為另外一種形狀后，通過物理或化學(xué)刺激又能恢復(fù)到初始形狀的材料。常見的形狀記憶材料包括形狀記憶合金、形狀記憶高分子和形狀記憶陶瓷等。
由于金屬的延展性很強，它們的抗損傷能力更強，因此形狀記憶材料真正專注于金屬，因為當(dāng)金屬內(nèi)部受損時，它可以承受它。然而，目前所用金屬可達到的使用溫度的限制，通常最多幾百攝氏度，這大大限制了形狀記憶合金在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。
1986年，Swain首先報道了陶瓷中存在形狀記憶現(xiàn)象。形狀記憶陶瓷按照形狀記憶效應(yīng)產(chǎn)生的機制不同，可以分為黏彈性形狀記憶陶瓷、馬氏體相變形狀記憶陶瓷、鐵電性形狀記憶陶瓷和鐵磁性形狀記憶陶瓷。馬氏體相變形狀記憶陶瓷是一種典型的形狀記憶材料，例如，ZrO2陶瓷。
塊狀ZrO2陶瓷可伴隨其四方晶(t)向單斜晶(m)的轉(zhuǎn)變，發(fā)生0～3.5%體積變化。一般對ZrO2來說從高溫冷卻下來，產(chǎn)生如此大的體積變化足以引起裂紋擴展。但是含有臨界尺寸沉淀物彌散分布的亞穩(wěn)四方晶(t- ZrO2)或含有亞穩(wěn)多晶(t- ZrO2)(TZP)，應(yīng)力誘發(fā)其t相向m相轉(zhuǎn)變，可使陶瓷增韌。應(yīng)力激發(fā)t向m的相變結(jié)果形成近似孿晶的m片或板條。其形狀應(yīng)變的剪切分量幾乎完全能夠自動調(diào)節(jié)，這意味著此類陶瓷具有形狀記憶的能力。
雖然陶瓷的形狀記憶效應(yīng)與合金和高分子相比有形變量較小的特點，但是其在每次形狀記憶和恢復(fù)過程中都會產(chǎn)生不定程度的不可恢復(fù)形變，并且隨著形狀記憶和恢復(fù)循環(huán)次數(shù)的增加，累積的變形量會增加，最終導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)。
麻省理工學(xué)院ChristopherA.Schuh教授團隊成功設(shè)計出一種由氧化鋯新變種的新型形狀記憶材料，該材料的發(fā)現(xiàn)可以開辟新的應(yīng)用范圍，特別是對于高溫環(huán)境，例如噴氣發(fā)動機或深鉆孔內(nèi)的致動器。具體而言，該團隊概述了一種方法，通過計算熱力學(xué)增加了晶格工程的使用，以尋找可以同時滿足上述附加約束的氧化鋯成分。由于某些感興趣的合金家族的數(shù)據(jù)是稀疏的，研究人員另外引入了數(shù)據(jù)科學(xué)的元素，包括監(jiān)督機器學(xué)習(xí)，這有助于跨越復(fù)雜的多維搜索空間。這種多目標(biāo)優(yōu)化練習(xí)的結(jié)果指向有針對性的實驗，從而產(chǎn)生具有創(chuàng)紀錄低熱滯后的多晶馬氏體氧化鋯陶瓷。相關(guān)研究以題為“Low-hysteresis shape-memory ceramics designed by multimode modelling”發(fā)表在最新一期《Nature》上。
作者模擬了各種摻雜劑對二元系統(tǒng)中Ms、λ2和ΔV/V的影響，并在此基礎(chǔ)上，作者繼續(xù)構(gòu)建這些摻雜劑的協(xié)同組合，發(fā)現(xiàn)最有希望的三元組合是ZrO2-TiO2-AlO1.5（如下圖）。最終設(shè)計的四元組合顯示出極低的滯后，僅為15K。這個滯后值對于氧化鋯形狀記憶陶瓷來說非常低，并且更像是形狀記憶金屬的數(shù)量級。
ZrO2-TiO2-AlO1.5體系中優(yōu)選成分的表征
這些發(fā)現(xiàn)不僅在一類新的和獨特的智能材料中開啟了高度可逆的轉(zhuǎn)化，而且預(yù)示著設(shè)計馬氏體陶瓷具有量身定制的滯后和轉(zhuǎn)化溫度，為特定操作環(huán)境進行了優(yōu)化。
參考來源：
[1]高分子科學(xué)前沿
[2] 李敏等.形狀記憶材料研究綜述
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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