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突破铁基记忆合金研究瓶颈:我校文玉华教授课题组研究论文被《自然·通讯》收录
时间: 2014-10-15 09:56  阅读 次    来源: 刘玉洁 摄影 王允保   编辑: 李雁


 

  “汽车被撞了之后,外壳会凹陷进去。如果外壳是用形状记忆合金制造的,那么在凹处浇热水之后,它就会回复到原来的样子,因为它能记住没凹之前的形状。”这种具有神奇记忆功能的材料就是我校制造科学与工程学院文玉华教授近十年来一直攻关的课题。

  日前,他所负责课题组的一篇研究论文“通过退火孪晶界面工程在铁基形状记忆钢中获得大的可回复变形量”被国际重要学术刊物《自然》子刊《自然·通讯》(IF = 10.742)收录并刊登,在业界受到广泛关注。

  9月26日上午,给学生上完课后,文玉华教授接受了记者的采访。

 



  热缩冷胀,神奇的记忆合金


  谈到形状记忆合金,文玉华教授形象地介绍说:“其实很简单,首先形状记忆合金具有热缩冷胀的特殊功能,比如一根铁丝,我们把它从100mm拉伸到105mm,然后对其加热,一般铁丝会越来越长,但形状记忆合金会缩回原来的长度去。它还有一个功能是超弹性,就像橡皮筋,可以被拉得很长然后再回复到原来的长度。”这都是一般金属所不具备的功能,而正是这些“特异功能”让它在航空航天、生物医学、机械、化工等领域得以大显身手。

  目前形状记忆合金主要有三种:镍钛合金、铜基合金、铁基合金。镍钛合金综合性能最好,但是成本昂贵,是铁基的20倍,应用领域仅局限于航空航天、生物医学等;铜基力学性能较差,容易断裂;铁基成本较低(基本等同于一般不锈钢加工成本),力学性能和加工性能也较好,可实现规模化使用,然而最大的问题是可回复变形量太小(传统水平为3%,而镍钛合金可达7%-8%)。

  “我们要做的工作就是怎样增加它的可回复变形量。”文玉华告诉记者。

 



  去繁就简,铸造“最美菜肴”


  此前针对提高铁基形状记忆合金性能的研究层出不穷,但均未取得显著成效,其可回复变形量增加到3%-4%便停滞不前。原因何在?文教授课题组研究成果的最大突破便在于此。

  在大量实验分析的基础上,课题组发现此前研究之所以未取得重大突破,在于研究者们并未找到影响铁基形状记忆合金可回复变形量的关键因素。他们在长期研究的基础上发现目前已有提高合金可回复变形量方法所存在的共性是使得退火孪晶界面大幅度减少,提出了退火孪晶界面是影响铁基形状记忆合金可回复变形量的关键因素。找到症候便可对症下药了。文玉华追求的是:怎样用最简单的方法来减少退火孪晶界面,提高可回复变形量。通过不断试验和思考,文玉华最后找到的工艺方法竟然是铸造,他笑言又回到了自己的老本行,“我本科和硕士学的就是铸造专业”。

  “做材料就像炒菜一样,不同师傅用同样原料炒出菜的味道不一样,而采用不同方法制备出的材料的组织和性能也不一样。同样的材料,通过传统的反复变形加工制备的铁基形状记忆合金中存在大量的退火孪晶界面,而采用简单的铸造方法制备的铁基形状记忆合金几乎不存在这种特殊的界面。通过这种简单的制备方法我们在铸造的铁基形状记忆合金中获得了7.6%的可回复变形量,基本上达到目前镍钛合金的水平。”文玉华去繁就简,用最简单的方法炒出了最美味的菜肴。

  十年磨一剑,研究是积累的过程


  采访过程中,文玉华教授始终强调“研究是一个积累的过程,十年磨一剑,长期专注做一件事情是很重要的”。

  2004年,文玉华从浙大博士后出站回到母校川大工作,这一年他申请到第一项国家自然科学基金,开始了自己的铁基形状记忆合金研究之路。他坦言,形状记忆合金研究本身并非热点,且国际上始终没有做出重要突破。但他认为,“专业并无好坏之分,研究也无冷热的区别,只要你感兴趣,认为它有价值,坚持和努力了,总会做出成绩的。”申请到的第一项国家自然基金给了他信心和支持。他笑着说:“当时如果没有国家自然基金和学校的20多万的支持,我可能也很难坚持下去。”充裕的经费为文玉华的潜心研究提供了最基本的保障。

  2010年,文玉华申请到了德国洪堡有经验科学家奖学金,并在马克思——普朗克钢铁研究所工作。“这次研究的主要思想就是在德国学习期间形成的。”文玉华说他经常利用周末时间借用研究所的设备做实验,因为周末用设备的人少,而自己所做的这类实验用时一般较长。“研究所的设备是对外开放的,只要预约就可以使用,这一点非常好。应该是大量的积累才有了今天这个研究成果。”
谈及未来的研究,文玉华难掩心中喜悦,他告诉记者铁基形状记忆合金可回复变形量的理论值可达到35%,“现在我们离理论值还差得远呢,还有很长的路要走!”


  人物简介——

  文玉华,制造科学与工程学院博士生导师。曾获浙江大学“十佳博士后”、四川大学“十佳青年教师标兵”等荣誉称号。2006年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”,2010年获德国洪堡有经验科学家奖学金,2013年入选四川省学术和技术带头人。目前主要
从事特种金属材料——形状记忆合金、阻尼合金、耐热合金、超高塑性和超高强度合金钢的研究。作为项目负责人已完成国家自然基金项目3项,正承担2项。已在《Nature Communications》,《Acta Materialia》, 《Scripta Materialia》,《Materials Science and Engineering》和《金属学报》等期刊上发表学术论文70多篇。
(转自四川大学报 643期)

                                                                          


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