王沿东课题组《Nature Materials》：“超临界弹性”现象并成功制备无滞后巨弹性金属

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北京科技大学新金属材料国家重点实验室、北京材料基因工程高精尖创新中心王沿东教授团队成功制备出宽温域下具有零滞后超高弹性应变的NiCoFeGa单晶纤维，纤维直径为30-500微米，长度可达1米以上。该合金纤维在室温下具有高达15.2%零滞后弹性形变，最高超弹应力达1.5 GPa，在123-423K温域内其超弹性能基本不随温度变化。除此之外，该材料兼具高应变（10%）下的优良循环稳定性和大的弹性存能（~80 MJm-3），在航空航天和智能制造的先进工业领域有着广阔的应用前景。2020年3月16日国际著名学术期刊《自然·材料》以“Unprecedented non-hysteretic superelasticity of [001]-oriented NiCoFeGa single crystals”为题予以在线报道。
       王沿东教授研究团队与美国阿贡国家实验室和橡树岭国家实验室任洋博士等海外学者长期合作，通过利用高能X射线衍射、中子散射和高分辨扫描透射电镜等先进材料表征方法，揭示了这种宽温域零滞后超高弹性行为的物理机制。研究发现，这种新奇的零滞后弹性形变的起源不同于传统应力/应变诱发的马氏体相变晶格突变机制（从奥氏体到马氏体），其宏观弹性形变来自于应力作用下的晶格连续畸变。其产生的物理机制源于一种新型的“原子尺度的有序无序纠缠结构态”（Atomic-level entanglement of ordered and disordered crystal structures）导致的一级马氏体相变被抑制，从而演化为微观连续相变（属于二级或高级相变），因此，这种新型无滞后超高弹性是“超临界弹性”（Supercritical Elasticity）。

王沿东

（NiCoFeGa单晶纤维的超临界弹性：a）传统超弹与超临界弹性比较；b）传统超弹与超临界弹性在加载、卸载时奥氏体（004）衍射峰变化；c）宽温域下的超临界弹性；d）超临界弹性在最高应变10%下的循环稳定性测试曲线；e）超临界弹性合金高温退火后在[110]带轴高角环形暗场像，高温退火后原子尺度纠缠态长大形成了清晰可见的L21与w结构）
     “超临界弹性”现象类似于人们所熟知的水汽超临界转变。当达到特定温度和压力，液体和气体的界面消失，此时液态的水具有近似气体的扩散系数，气液两相性质相近交融在一起难以分辨，呈现超临界状态。超临界现现象已广泛应用于化工与制药领域。在凝固态物理领域，很多重要现象比如超导与超流，皆与超临界转变密切相关。合金中“超临界弹性”的发现颠覆了制约金属材料获得无滞后超高弹性的经典马氏体相变理论。
     “超临界弹性”现象的发现不仅拓宽了弹性应变工程研究领域，同时为超高弹性功能材料开辟了新的研究及应用方向。通过晶体材料中原子尺度有序与无序纠缠结构态的控制，可望获得其它的奇异物理性能，并为固体物理中与超临界现象和相变行相关领域的未解之迷，提供了一种创新的研究思路与方法。
       该论文责任作者是北京科技大学新金属材料国家重点实验室、北京材料基因工程高精尖创新中心王沿东教授，第一作者为博士研究生陈海洋，任洋博士为共同责任作者。参与本研究还有北京理工大学、中科院物理研究所及瑞典皇家理工学院等国内外单位的研究人员。该研究工作得到了国家自然科学基金委重点项目（51831003）与国家仪器重点研发装置项目（51527801）的资助。
       详细内容请访问https://www.nature.com/articles/s41563-020-0645-4
       文章来源：北京科技大学
       王沿东，男， 1966年12月出生，工学博士，教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年基金获得者，现北京科技大学新金属材料国家重点实验室教授、博士生导师。兼任中国能源行业核电标准化技术委员会委员、全国X射线粉末委员会委员、中子散射委员会委员、残余应力委员会委员等职，入选人事部“新世纪百千万人才工程国家级人才”。1986与1989年毕业于东北大学分别获得工学学士与硕士学位，1993北京科技大学获博士学位。在瑞典乌普萨拉大学、美国橡树岭国家实验室从事博士后研究，在法国梅斯大学、美国田纳西大学担任客座教授。2004年回国，被东北大学引进直接聘为教授、博士生导师。2009至2012年在北京理工大学材料学院担任长江学者特聘教授。承担国家重大科研仪器研制项目、973国家重点基础研究发展计划课题、国家杰出青年基金、国家自然科学基金重点与面上项目、国家高科技研究发展（863）计划、亚洲¾瑞典合作研究计划等国家与国际合作重大课题。在包括国际权威杂志《Science》 （1）、《Nature》(1)、《Nature Materials》(1)、《PNAS》(1)、《Advanced Materials》(3)、《Physical Review Letter》 (1)、《Acta Materialia》（30）上发表SCI论文250余篇。研究成果受到《Materials Today》等刊物报道，被包括《Science》、《Prog. Mater. Sci.》、《Adv. Mater.》和《Adv. Funct. Mat.》等综述性评述在内的SCI期刊论文正面他引3000余次。在美国TMS年会与其它国际会议上组织专题研讨会或作大会报告、特邀报告40余次。获省部级科技奖4项。1996年国际织构会议青年科学家论文奖；《Metall. Mater. Trans. A》杂志特邀编辑；《Acta Materialia》、《J. Appl. Cryst.》、《Int. J. Plasticity》、《Mater. Sci. Eng. A/B》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Materials Chemistry and Physics》、《Adv. Eng. Mater.》、《Journal of Neutron Research》、《Powder Diffraction》、《Texture and Microstructures》等10余种国际期刊特邀审稿人。