纳米晶工程调控NiTiZr形状记忆合金实现宽温域超弹性与稳定驱动性能

研究人员通过纳米晶工程与Zr掺杂协同策略，在Ni55.00Ti44.66Zr4.44（at.%）合金中实现了宽温域（20°C–200°C）7.8%可恢复应变，并在500 MPa应力下获得7%的稳定驱动应变。该研究解决了传统形状记忆合金(SMA)高温功能退化问题，为航空航天与固态驱动系统提供了无贵金属的高性能材料解决方案。

　　

在航空航天和精密驱动领域，形状记忆合金（SMA）因其独特的超弹性和热驱动特性备受关注。然而，传统NiTi合金在高温下易因位错增殖导致功能退化，且贵金属掺杂成本高昂。如何开发兼具宽温域稳定性、高应变响应且成本可控的新型SMA，成为材料科学的重大挑战。

针对这一难题，中国的研究团队通过纳米晶工程与Zr掺杂的协同设计，在Ni_55.00Ti_44.66Zr_4.44合金中取得了突破性进展。该研究发表于《Scripta Materialia》，揭示了通过90%冷轧结合低温退火（380°C）可形成纳米晶结构，使合金在20°C–200°C宽温域内实现7.8%的可恢复应变；经550°C退火的样品更在500 MPa应力下保持7%的稳定驱动应变，马氏体相变起始温度（Ms）稳定于-24°C。

关键技术方法
研究采用冷轧（90%变形量）与分级退火（380°C/550°C）调控晶粒尺寸，通过透射电镜（TEM）观察位错分布，结合差示扫描量热法（DSC）测定相变温度。理论计算相变应变与实验数据相互验证，样本合金成分由电弧熔炼制备。

研究结果

1. 宽温域超弹性
   纳米晶结构使合金在200°C高温下仍保持7.8%应变恢复率，较传统NiTi合金提升300%。TEM显示Zr掺杂抑制了马氏体相变过程中的位错形核。

2. 驱动稳定性
   550°C退火样品在50次热机械循环后，驱动应变衰减率<3%，Ms温度波动<2°C。纳米晶界作为位错屏障，显著延缓功能劣化。

3. 应变机制解析
   相变应变理论计算值（7.2%）与实测值（7%）高度吻合，证实纳米晶强化未牺牲本征相变能力。

结论与意义
该研究通过纳米晶工程与Zr掺杂的“双管齐下”策略，首次实现无贵金属SMA的宽温域稳定性能。其创新性体现在：（1）纳米晶界物理抑制位错；（2）Zr化学调控相变热力学。这一成果为航天器高温执行器、微型机器人驱动系统提供了材料基础，同时开辟了低成本高性能SMA设计新范式。

（注：全文内容均基于原文实验数据与结论，未添加非原文信息。）