德州農(nóng)工大學(xué)研發(fā)結(jié)合了形狀記憶合金和高熵合金的新型智能材料

    前不久，在NASA前沿航空研究計(jì)劃資助下，德州農(nóng)工大學(xué)和聯(lián)合技術(shù)研究中心（UTRC）的研究人員合作發(fā)現(xiàn)了一種新型智能材料。這種材料有可能顯著提高噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率，降低飛行成本。此外，利用這類(lèi)材料還可降低飛機(jī)噪音，并在其他行業(yè)中都有潛在應(yīng)用。相關(guān)研究成果發(fā)表在了《材料快報(bào)》上。

    ●利用真空電弧熔煉機(jī)制造的鎳-鈦-鉿（NiTiHf）高溫形狀記憶合金是一種在很多領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用的新型智能材料。

    德州農(nóng)工大學(xué)教授、材料科學(xué)與工程學(xué)院主任伊布拉西姆·卡拉曼博士表示：“令人感到興奮的是，我們剛剛發(fā)現(xiàn)了一些全新的東西，這類(lèi)東西不僅將開(kāi)辟一個(gè)全新的科學(xué)研究領(lǐng)域，而且還將促進(jìn)新技術(shù)的發(fā)展。”

    ●在制造這種材料期間，在真空電弧熔煉機(jī)內(nèi)的加熱鎳-鈦-鉿（NiTiHf）高溫形狀記憶合金產(chǎn)生火焰。

    這一發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)是將兩個(gè)相對(duì)全新的材料科學(xué)領(lǐng)域結(jié)合在一起，主要涉及合金——由兩種或更多種元素組成的金屬。其中一個(gè)重要材料領(lǐng)域就是形狀記憶合金。這種“智能”材料可以在特定的觸發(fā)條件下從一種形狀切換到另一種形狀，在此次研究中，這一觸發(fā)條件是溫度。想象一下一根平直的金屬桿，通過(guò)溫度的改變，變形成螺旋形拔塞鉆，然后還可再通過(guò)改變溫度返回成平直金屬桿狀態(tài)。

    形狀記憶合金的許多潛在應(yīng)用都涉及極熱的環(huán)境，如工作中的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。然而，到目前為止，具有經(jīng)濟(jì)性的高溫形狀記憶合金（HTSMA）僅可在約400℃的溫度下工作。添加金或鉑等元素可以顯著提高溫度，但這些材料的成本太過(guò)昂貴，因此限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。

    卡拉曼與同事在與聯(lián)合技術(shù)研究中心（UTRC）相關(guān)人員共同開(kāi)展NASA項(xiàng)目時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行這項(xiàng)研究，目的是解決一個(gè)特定問(wèn)題：控制渦輪葉片與噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)匣之間的間隙或空間。當(dāng)渦輪葉片和機(jī)匣之間的間隙達(dá)到最小值時(shí)，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是最節(jié)省燃料的。但是，這個(gè)間隙必須預(yù)留一個(gè)合理的余度來(lái)應(yīng)對(duì)某些特殊的工作條件。將高溫形狀記憶合金結(jié)合到渦輪機(jī)匣中，可以保證在所有飛行狀態(tài)下的渦輪葉片與渦輪機(jī)匣處于最小間隙，從而有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)推力效率，減少燃油消耗。

    高溫形狀記憶合金的另一個(gè)重要潛在應(yīng)用是降低飛機(jī)在起降階段產(chǎn)生的噪音。排氣口噴嘴較大的飛機(jī)更安靜，但氣動(dòng)效率較低。高溫形狀記憶合金可以根據(jù)飛機(jī)的飛行狀態(tài)和著陸狀態(tài)不同，自動(dòng)改變核心排氣口噴嘴的尺寸，這種改變將主要根據(jù)飛機(jī)工作模式的不同，通過(guò)溫度變化進(jìn)行觸發(fā)，不僅可以改進(jìn)飛機(jī)在飛行狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)效率，還可以使得飛機(jī)在起降狀態(tài)時(shí)更安靜。

    卡拉曼和他的同事決定嘗試通過(guò)利用另一種新型材料——高熵合金的工作原理，來(lái)提高高溫形狀記憶合金的工作溫度。高熵合金由四種或更多種元素以大致相等的量混合在一起組成。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了由四種或更多已知的可形成形狀記憶合金（鎳，鈦，鉿，鋯和鈀）的元素組成的材料，并有意識(shí)的放棄了金和鉑元素。“當(dāng)我們以相同的比例混合這些元素時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)所得到的材料可以在遠(yuǎn)高于500攝氏度的溫度下工作，其中一種材料可在700攝氏度下工作，這些材料中都沒(méi)有加入金或鉑元素。這是一項(xiàng)偉大的發(fā)現(xiàn)，同時(shí)也是意料之外的，因?yàn)榕c此前的文獻(xiàn)資料中顯示的結(jié)果并不相同。”

    這種新型材料將如何在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮作用？卡拉曼表示，他們對(duì)如何在高溫條件下使得這類(lèi)材料發(fā)揮作用已經(jīng)有所了解，但目前還缺乏扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。因此，未來(lái)的工作重點(diǎn)將包括嘗試通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬來(lái)了解在這種材料原子尺度上發(fā)生的事情。此外，研究人員還將致力于探索進(jìn)一步改善這種材料性能的方法。不過(guò)，卡拉曼同時(shí)也指出，目前這種新材料還存在很多其他問(wèn)題。“這就是為什么我認(rèn)為這項(xiàng)研究成果可以打開(kāi)一個(gè)全新的研究領(lǐng)域，”卡拉曼說(shuō)，“我們將繼續(xù)努力，同時(shí)我們也很高興其他人現(xiàn)在加入我們，以便我們共同推動(dòng)科學(xué)的發(fā)展。”

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