德州农工大学研发结合了形状记忆合金和高熵合金的新型智能材料

    前不久，在NASA前沿航空研究计划资助下，德州农工大学和联合技术研究中心（UTRC）的研究人员合作发现了一种新型智能材料。这种材料有可能显著提高喷气发动机的燃油效率，降低飞行成本。此外，利用这类材料还可降低飞机噪音，并在其他行业中都有潜在应用。相关研究成果发表在了《材料快报》上。

    ●利用真空电弧熔炼机制造的镍-钛-铪（NiTiHf）高温形状记忆合金是一种在很多领域具有潜在应用的新型智能材料。

    德州农工大学教授、材料科学与工程学院主任伊布拉西姆·卡拉曼博士表示：“令人感到兴奋的是，我们刚刚发现了一些全新的东西，这类东西不仅将开辟一个全新的科学研究领域，而且还将促进新技术的发展。”

    ●在制造这种材料期间，在真空电弧熔炼机内的加热镍-钛-铪（NiTiHf）高温形状记忆合金产生火焰。

    这一发现的基础是将两个相对全新的材料科学领域结合在一起，主要涉及合金——由两种或更多种元素组成的金属。其中一个重要材料领域就是形状记忆合金。这种“智能”材料可以在特定的触发条件下从一种形状切换到另一种形状，在此次研究中，这一触发条件是温度。想象一下一根平直的金属杆，通过温度的改变，变形成螺旋形拔塞钻，然后还可再通过改变温度返回成平直金属杆状态。

    形状记忆合金的许多潜在应用都涉及极热的环境，如工作中的喷气发动机。然而，到目前为止，具有经济性的高温形状记忆合金（HTSMA）仅可在约400℃的温度下工作。添加金或铂等元素可以显着提高温度，但这些材料的成本太过昂贵，因此限制了其进一步应用。

    卡拉曼与同事在与联合技术研究中心（UTRC）相关人员共同开展NASA项目时，开始进行这项研究，目的是解决一个特定问题：控制涡轮叶片与喷气发动机涡轮机匣之间的间隙或空间。当涡轮叶片和机匣之间的间隙达到最小值时，喷气发动机是最节省燃料的。但是，这个间隙必须预留一个合理的余度来应对某些特殊的工作条件。将高温形状记忆合金结合到涡轮机匣中，可以保证在所有飞行状态下的涡轮叶片与涡轮机匣处于最小间隙，从而有效提升发动机推力效率，减少燃油消耗。

    高温形状记忆合金的另一个重要潜在应用是降低飞机在起降阶段产生的噪音。排气口喷嘴较大的飞机更安静，但气动效率较低。高温形状记忆合金可以根据飞机的飞行状态和着陆状态不同，自动改变核心排气口喷嘴的尺寸，这种改变将主要根据飞机工作模式的不同，通过温度变化进行触发，不仅可以改进飞机在飞行状态下运转效率，还可以使得飞机在起降状态时更安静。

    卡拉曼和他的同事决定尝试通过利用另一种新型材料——高熵合金的工作原理，来提高高温形状记忆合金的工作温度。高熵合金由四种或更多种元素以大致相等的量混合在一起组成。该团队创造了由四种或更多已知的可形成形状记忆合金（镍，钛，铪，锆和钯）的元素组成的材料，并有意识的放弃了金和铂元素。“当我们以相同的比例混合这些元素时，我们发现所得到的材料可以在远高于500摄氏度的温度下工作，其中一种材料可在700摄氏度下工作，这些材料中都没有加入金或铂元素。这是一项伟大的发现，同时也是意料之外的，因为与此前的文献资料中显示的结果并不相同。”

    这种新型材料将如何在实际应用中发挥作用？卡拉曼表示，他们对如何在高温条件下使得这类材料发挥作用已经有所了解，但目前还缺乏扎实的理论基础。因此，未来的工作重点将包括尝试通过计算机模拟来了解在这种材料原子尺度上发生的事情。此外，研究人员还将致力于探索进一步改善这种材料性能的方法。不过，卡拉曼同时也指出，目前这种新材料还存在很多其他问题。“这就是为什么我认为这项研究成果可以打开一个全新的研究领域，”卡拉曼说，“我们将继续努力，同时我们也很高兴其他人现在加入我们，以便我们共同推动科学的发展。”

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