中國粉體網(wǎng)訊  形狀記憶材料（SMM）是一種具有良好發(fā)展前景的智能材料。形狀記憶材料是指能夠感知并響應環(huán)境變化（如溫度,、力,、電磁、溶劑,、濕度等）的刺激,，對其力學參數(shù)（如形狀、位置,、應變等）進行調整,，從而恢復到初始狀態(tài)的一種智能材料,。簡單地說,，就是有一定初始形狀的材料經(jīng)過形變并固定為另外一種形狀后，通過物理或化學刺激又能恢復到初始形狀的材料,。常見的形狀記憶材料包括形狀記憶合金,、形狀記憶高分子和形狀記憶陶瓷等。

由于金屬的延展性很強,，它們的抗損傷能力更強,，因此形狀記憶材料真正專注于金屬，因為當金屬內(nèi)部受損時,，它可以承受它,。然而，目前所用金屬可達到的使用溫度的限制,，通常最多幾百攝氏度,，這大大限制了形狀記憶合金在高溫領域的應用。

1986年,，Swain首先報道了陶瓷中存在形狀記憶現(xiàn)象,。形狀記憶陶瓷按照形狀記憶效應產(chǎn)生的機制不同,，可以分為黏彈性形狀記憶陶瓷、馬氏體相變形狀記憶陶瓷,、鐵電性形狀記憶陶瓷和鐵磁性形狀記憶陶瓷,。馬氏體相變形狀記憶陶瓷是一種典型的形狀記憶材料，例如,，ZrO₂陶瓷,。

塊狀ZrO₂陶瓷可伴隨其四方晶(t)向單斜晶(m)的轉變，發(fā)生0～3.5%體積變化,。一般對ZrO₂來說從高溫冷卻下來,，產(chǎn)生如此大的體積變化足以引起裂紋擴展。但是含有臨界尺寸沉淀物彌散分布的亞穩(wěn)四方晶(t- ZrO₂)或含有亞穩(wěn)多晶(t- ZrO₂)(TZP),，應力誘發(fā)其t相向m相轉變,，可使陶瓷增韌。應力激發(fā)t向m的相變結果形成近似孿晶的m片或板條,。其形狀應變的剪切分量幾乎完全能夠自動調節(jié),，這意味著此類陶瓷具有形狀記憶的能力。

雖然陶瓷的形狀記憶效應與合金和高分子相比有形變量較小的特點,，但是其在每次形狀記憶和恢復過程中都會產(chǎn)生不定程度的不可恢復形變,，并且隨著形狀記憶和恢復循環(huán)次數(shù)的增加，累積的變形量會增加,，最終導致裂紋的出現(xiàn),。

麻省理工學院ChristopherA.Schuh教授團隊成功設計出一種由氧化鋯新變種的新型形狀記憶材料，該材料的發(fā)現(xiàn)可以開辟新的應用范圍,，特別是對于高溫環(huán)境,，例如噴氣發(fā)動機或深鉆孔內(nèi)的致動器。具體而言,，該團隊概述了一種方法,，通過計算熱力學增加了晶格工程的使用，以尋找可以同時滿足上述附加約束的氧化鋯成分,。由于某些感興趣的合金家族的數(shù)據(jù)是稀疏的,，研究人員另外引入了數(shù)據(jù)科學的元素，包括監(jiān)督機器學習,，這有助于跨越復雜的多維搜索空間,。這種多目標優(yōu)化練習的結果指向有針對性的實驗，從而產(chǎn)生具有創(chuàng)紀錄低熱滯后的多晶馬氏體氧化鋯陶瓷,。相關研究以題為“Low-hysteresis shape-memory ceramics designed by multimode modelling”發(fā)表在最新一期《Nature》上,。

作者模擬了各種摻雜劑對二元系統(tǒng)中Ms、λ₂和ΔV/V的影響，并在此基礎上,，作者繼續(xù)構建這些摻雜劑的協(xié)同組合,，發(fā)現(xiàn)最有希望的三元組合是ZrO₂-TiO₂-AlO_1.5（如下圖）。最終設計的四元組合顯示出極低的滯后,，僅為15K,。這個滯后值對于氧化鋯形狀記憶陶瓷來說非常低，并且更像是形狀記憶金屬的數(shù)量級,。

ZrO₂-TiO₂-AlO_1.5體系中優(yōu)選成分的表征

這些發(fā)現(xiàn)不僅在一類新的和獨特的智能材料中開啟了高度可逆的轉化,，而且預示著設計馬氏體陶瓷具有量身定制的滯后和轉化溫度，為特定操作環(huán)境進行了優(yōu)化,。

參考來源：

[1]高分子科學前沿

[2] 李敏等.形狀記憶材料研究綜述

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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