中国粉体网讯 形状记忆材料（SMM）是一种具有良好发展前景的智能材料。形状记忆材料是指能够感知并响应环境变化（如温度、力、电磁、溶剂、湿度等）的刺激，对其力学参数（如形状、位置、应变等）进行调整，从而恢复到初始状态的一种智能材料。简单地说，就是有一定初始形状的材料经过形变并固定为另外一种形状后，通过物理或化学刺激又能恢复到初始形状的材料。常见的形状记忆材料包括形状记忆合金、形状记忆高分子和形状记忆陶瓷等。
由于金属的延展性很强，它们的抗损伤能力更强，因此形状记忆材料真正专注于金属，因为当金属内部受损时，它可以承受它。然而，目前所用金属可达到的使用温度的限制，通常最多几百摄氏度，这大大限制了形状记忆合金在高温领域的应用。
1986年，Swain首先报道了陶瓷中存在形状记忆现象。形状记忆陶瓷按照形状记忆效应产生的机制不同，可以分为黏弹性形状记忆陶瓷、马氏体相变形状记忆陶瓷、铁电性形状记忆陶瓷和铁磁性形状记忆陶瓷。马氏体相变形状记忆陶瓷是一种典型的形状记忆材料，例如，ZrO2陶瓷。
块状ZrO2陶瓷可伴随其四方晶(t)向单斜晶(m)的转变，发生0～3.5%体积变化。一般对ZrO2来说从高温冷却下来，产生如此大的体积变化足以引起裂纹扩展。但是含有临界尺寸沉淀物弥散分布的亚稳四方晶(t- ZrO2)或含有亚稳多晶(t- ZrO2)(TZP)，应力诱发其t相向m相转变，可使陶瓷增韧。应力激发t向m的相变结果形成近似孪晶的m片或板条。其形状应变的剪切分量几乎完全能够自动调节，这意味着此类陶瓷具有形状记忆的能力。
虽然陶瓷的形状记忆效应与合金和高分子相比有形变量较小的特点，但是其在每次形状记忆和恢复过程中都会产生不定程度的不可恢复形变，并且随着形状记忆和恢复循环次数的增加，累积的变形量会增加，最终导致裂纹的出现。
麻省理工学院ChristopherA.Schuh教授团队成功设计出一种由氧化锆新变种的新型形状记忆材料，该材料的发现可以开辟新的应用范围，特别是对于高温环境，例如喷气发动机或深钻孔内的致动器。具体而言，该团队概述了一种方法，通过计算热力学增加了晶格工程的使用，以寻找可以同时满足上述附加约束的氧化锆成分。由于某些感兴趣的合金家族的数据是稀疏的，研究人员另外引入了数据科学的元素，包括监督机器学习，这有助于跨越复杂的多维搜索空间。这种多目标优化练习的结果指向有针对性的实验，从而产生具有创纪录低热滞后的多晶马氏体氧化锆陶瓷。相关研究以题为“Low-hysteresis shape-memory ceramics designed by multimode modelling”发表在最新一期《Nature》上。
作者模拟了各种掺杂剂对二元系统中Ms、λ2和ΔV/V的影响，并在此基础上，作者继续构建这些掺杂剂的协同组合，发现最有希望的三元组合是ZrO2-TiO2-AlO1.5（如下图）。最终设计的四元组合显示出极低的滞后，仅为15K。这个滞后值对于氧化锆形状记忆陶瓷来说非常低，并且更像是形状记忆金属的数量级。
ZrO2-TiO2-AlO1.5体系中优选成分的表征
这些发现不仅在一类新的和独特的智能材料中开启了高度可逆的转化，而且预示着设计马氏体陶瓷具有量身定制的滞后和转化温度，为特定操作环境进行了优化。
参考来源：
[1]高分子科学前沿
[2] 李敏等.形状记忆材料研究综述
（中国粉体网编辑整理/山川）
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