晶体取向与温度对Cu-Al-Mn-(Ni, Mo, Cr)形状记忆合金超弹性和弹热效应的协同调控机制研究

为解决形状记忆合金(SMAs)在固态制冷应用中能量耗散高和冷却效率低的问题，台湾大学机械工程系研究人员系统研究了Cu-Al-Mn-(Ni, Mo, Cr)单晶合金的取向依赖性超弹性和弹热效应。通过异常晶粒生长法制备[0 0 1]β、[1 0 1]β和[1 1 1]β取向样品，发现[1 0 1]β取向因马氏体变体数量少、能量耗散低(η=24%)且材料性能系数(COPmat.)高达7.5，是最佳固态制冷材料选择。研究还揭示了80-140°C原子有序化和140°C以上贝氏体α相形成对性能的影响，为优化固态制冷系统提供了重要指导。

　　

在应对全球气候变化和传统蒸汽压缩制冷技术能效瓶颈的背景下，固态制冷技术因其零温室气体排放的先天优势成为研究热点。其中基于形状记忆合金(Shape Memory Alloys, SMAs)弹热效应(Elastocaloric Effect, ECE)的制冷方式，通过应力诱导马氏体相变(Stress-Induced Martensitic Transformation, SIMT)产生的潜热交换实现制冷，被美国能源部列为最具潜力的替代技术。然而当前SMAs在实际应用中面临两大核心挑战：一是多晶材料因晶界处应力集中导致的机械疲劳问题，二是能量耗散过高制约制冷效率。

针对这些关键问题，国立台湾大学机械工程系的研究团队在《Materials Today Advances》发表的研究中，创新性地选择具有单晶制备优势的Cu-Al-Mn基合金体系，通过添加Ni、Mo、Cr微合金化元素，系统探究了晶体取向和温度对材料超弹性(Superelasticity, SE)和弹热性能的调控规律。研究人员采用异常晶粒生长法成功制备出[0 0 1]_β、[1 0 1]_β和[1 1 1]_β三种特征取向的单晶样品，结合数字图像相关技术(DIC)和红外热成像等先进表征手段，揭示了取向-微观组织-性能的构效关系。

关键技术方法包括：通过电子背散射衍射(EBSD)验证单晶取向；差示扫描量热法(DSC)测定相变温度；应变控制模式下的超弹性压缩试验结合数字图像相关分析；快速卸载条件下的绝热温度变化测量；以及透射电镜(TEM)观察时效过程中的微观结构演变。

3.1 马氏体相变特性与晶体取向

研究首先通过DSC测定发现所有合金的逆相变结束温度(A_f)均低于0°C，其中Cu_71.5Al₁₇Mn₁₁Mo_0.5的A_f为-0.9°C，表明室温下均具备超弹性。EBSD分析确认了三种取向单晶的成功制备，为后续性能研究奠定基础。

3.2 超弹性与弹热效应的取向依赖性

应变场分析显示：[0 0 1]_β取向样品可诱发4个马氏体变体，产生9%的可逆应变但能量耗散高达32%；[1 0 1]_β取向仅形成3个变体，在6%应变下η降至24%；而[1 1 1]_β取向因仅1个变体且σ_s过高，仅能实现2%应变且ΔT仅3°C。值得注意的是，虽然[1 1 1]_β样品局部区域变体应变可达理论值4.8%，但难以扩展至整体。

3.3 工作温度的影响机制

突破性发现温度变化呈现三阶段特征：80°C以下符合Clausius-Clapeyron关系，[1 1 1]_β取向CC斜率最高达3.2 MPa/°C；80-140°C区间因原子有序化使σ_s反常降低；140°C以上贝氏体α相析出又导致σ_s回升。TEM观察证实：120°C时效后L2₁有序相占比增加，180°C时出现偏差角4°的针状贝氏体α相，这与DSC检测到的相变温度变化趋势完全吻合。

这项研究通过多尺度实验揭示了三个重要结论：首先从应用角度确定[1 0 1]_β是兼顾ΔT(10°C)和COP_mat.(7.5)的最佳取向；其次阐明了变体数量通过界面摩擦影响能量耗散的物理机制；最重要的是发现了80-180°C工作环境下原子有序化和贝氏体相变对性能的不可逆影响。这些发现不仅为固态制冷器件的取向设计提供了具体方案，其揭示的温度敏感特性更对实际应用中的温度控制窗口(建议<100°C)具有重要指导价值。该研究通过将基础相变机理与工程应用需求紧密结合，推动了形状记忆合金在绿色制冷领域的发展进程。