如何让材料“越用越强”？西安交大Nature子刊揭示抗疲劳弹热材料新机制

2026-02-02 13:32:54 作者：材料经纬来源：材料经纬分享至：

为实现固态制冷技术中材料的大弹热效应与长期循环稳定性的双重需求，本研究通过定向凝固技术制备了具有强织构的Ti₄₉Ni₅₁合金，并引入高密度、共格排列的Ti₄Ni₂O沉淀相。该材料在压缩加载下表现出优异的弹热性能与超长疲劳寿命：绝热温变ΔT_ad达-15.9 K，在1000万次循环后仍保持稳定。微观结构分析表明，柱状B2晶粒与Ti₄Ni₂O沉淀相沿凝固方向共格外延生长，形成“钢筋混凝土”式增强结构。原位表征揭示，马氏体相变起源于B2/Ti₄Ni₂O界面处的晶格畸变，并以渐进式、空间均匀的方式进行，有效抑制了应变局域化与缺陷积累。本研究提出了一种通过“织构-沉淀协同”设计实现高性能、长寿命弹热材料的新策略，为下一代固态制冷系统的实用化提供了重要材料基础。

一、研究背景与目标

弹热效应是形状记忆合金在应力诱导马氏体相变过程中产生的温度变化，有望用于高效、环保的固态制冷技术。
TiNi合金是研究最广泛的弹热材料之一，但长期循环使用中易出现结构疲劳（断裂）和功能疲劳（性能下降）。
本研究旨在同时实现高弹热效应和超长疲劳寿命，突破传统材料中“高强度”与“高寿命”不可兼得的矛盾。

图1 Ti49Ni51合金的显微结构表征。a、b、BSE扫描电镜图像分别沿晶向平行(a)和垂直(b)方向采集，显示晶粒呈柱状排列且与晶向一致。c、 XRD 图证实B2基体与 Ti₄Ni₂O 共存。d、明场透射电镜图像配以能谱元素分布图，清晰显示嵌入B2基体中的 Ti₄Ni₂O 成分。e、沿d图红色箭头的能谱线扫描图，展示基体-析出物界面的元素分布及界面锐度

二、核心创新点

通过定向凝固技术制备了具有强织构的Ti₄₉Ni₅₁合金，并引入高密度、共格外延的Ti₄Ni₂O沉淀相，实现了：

大弹热效应：绝热温变ΔT_ad达-15.9 K。
超高疲劳寿命：在1000万次压缩循环后仍保持稳定性能。
织构与沉淀相协同机制：两者共同调控马氏体相变行为，提升材料的结构与功能稳定性。

图2 纹理化微观结构与取向依赖性力学行为。a、垂直于SD方向的横截面所获B2相 IPF 取向图，显示沿SD方向存在显著织构特征。插图中展示了对应的 IPF 配色说明。b、基于a中取向数据，通过B2母相与B19′马氏体的晶体学关系推导出沿SD方向压缩时的理论相变应变图，计算得出平均相变应变达6.1%。c、平行与垂直于SD方向测得的环境温度压缩应力-应变曲线，突显了机械响应的显著各向异性及沿SD方向增强的超弹性

三、关键发现与机理

微观结构特征：
- 柱状B2晶粒沿凝固方向排列，内部均匀分布Ti₄Ni₂O沉淀相。
- 沉淀相与基体具有共格取向关系：{001}<110>B2 // {001}<110>Ti₄Ni₂O。
力学与弹热性能：
- 沿织构方向（SD）压缩时，可恢复应变达6.2%，弹性模量降低至38.3 GPa。
- 1000万次循环后，ΔT_ad仅下降约0.2 K，表现出极佳的长期稳定性。
相变行为调控：
- 渐进式马氏体相变：不同于传统TiNi中的突发性相变，本材料中马氏体在宽应力范围内逐渐形成与回复，减少应力集中。
- 界面促进形核：Ti₄Ni₂O与B2界面处的晶格畸变（应变>±10%）作为马氏体形核位点，促进定向、局域化的马氏体生长。
- 抑制缺陷积累：沉淀相限制马氏体畴尺寸，抑制孪晶形成和位错滑移，提高相变可逆性。