北京
近年來彈卡制冷的快速發展對高性能彈卡材料的需求進一步提高。理想的彈卡材料應同時具有大的絕熱溫降以及超高的循環穩定性。然而，現有彈卡形狀記憶合金(SMA) 往往呈現較低的溫降或循環穩定性不足，二者難以兼得。同時實現大溫降和超高的穩定性是一個尚待解決的問題。
晶粒尺寸工程有望能緩解這對性能矛盾。粗晶SMA相變可逆性差，在應力誘導的相變過程中累積位錯和殘余馬氏體，不僅導致溫降比理論值低，同時也導致較差的循環穩定性。晶粒細化能提升材料的位錯抗力，減少殘余馬氏體累積，有潛力同時提升溫降和循環穩定性。另外，納米晶結構已被證實可提升奧氏體與馬氏體界面的晶格兼容性，從而進一步提升穩定性。然而，過度的晶粒細化會使晶界對相變基體產生強烈的束縛作用，導致過高的相變應力，需要施加更高的外加應力以促進相變，這會啟動更多的位錯運動，反而降低穩定性。因此，需要對材料進行細致系統的研究，探索合適的晶粒尺寸以同時實現大溫降和高穩定性。
NiTiCuCo比NiTi合金具有更低的本征相變應力，且晶格兼容性更好。因此本文選取此材料為研究對象。通過高壓扭轉和熱處理工藝，制備了150 μm，42 nm和70 nm的三種晶粒尺寸的樣品。150 μm的粗晶樣品室溫下溫降最大可達18.5 K，但與其他粗晶NiTi基SMA類似，屈服強度低，僅有540 MPa，表明其位錯抗力較弱。因此，該材料呈現顯著的功能退化。在400 MPa壓縮應力下循環1萬圈，溫降退化至僅6 K。42 nm晶粒尺寸的樣品由于晶界強化作用，屈服強度大幅提升至2150 MPa，循環穩定性也顯著提升。在900 MPa和1500 MPa的高應力循環下，穩定性都比150 μm要高。其中900 MPa條件下的性能更具實用價值：溫降達19.5 K，且在1萬圈的循環下僅退化1.5 K。但該樣品晶粒過細，晶界對基體限制作用過大，導致相變應力過高 (537 MPa)，驅動相變所需的外加應力相應過高，不利于長期服役的穩定性和實際應用。
為進一步優化性能，作者又制備了晶粒稍大的70 nm的樣品。該樣品晶界限制作用減弱，相變應力減至370 MPa。并可在低至500 MPa的外加應力下運作。此應力下溫降達21 K，且歷經1千萬次壓縮循環不退化，呈現了優異的服役性能。
此項成果以題為《Achieving large room-temperature elastocaloric effect and ultrahigh cyclic stability by grain size engineering》發表在金屬材料領域頂刊Acta Materialia。通訊作者為香港科技大學講席教授孫慶平、研究助理教授黎橋，以及哈爾濱工業大學 (深圳) 華鵬教授。第一作者為香港科技大學博士后研究員林宏陽博士。
論文鏈接:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122332
圖1. 150 μm晶粒尺寸的NiTiCuCo樣品。
圖2. 42 nm晶粒尺寸的NiTiCuCo樣品。
圖3. 70 nm晶粒尺寸的NiTiCuCo樣品。
圖4. 三種晶粒尺寸的NiTiCuCo樣品的性能對比。
圖5. 相變的不可逆來源于兩部分：1. 位錯以及其釘扎的殘余馬氏體（室溫下穩定存在）；2. 快速卸載時熱力耦合導致的殘余馬氏體（室溫下不穩定）
圖6. 70 nm晶粒尺寸的NiTiCuCo在600 MPa和800 MPa下循環過后的微結構對比圖。
本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。
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