新型智慧材料可能開闢全新的研究領域
【據德州農工大學2018年8月31日報道】德州農工大學的研究人員與合作伙伴合作發現了一種新型智慧材料。這種材料有可能顯著提高噴氣發動機的燃油效率，降低飛行成本。此外，利用這類材料還可降低住宅區域內飛機產生的噪音，並在其他行業中都有潛在應用。
“令人感到興奮的是，我們剛剛發現了一些全新的東西，這類東西不僅將開闢一個全新的科學研究領域，而且還將促進新技術的發展。”德州農工大學教授、材料科學與工程學院主任伊布拉西姆·卡拉曼博士表示。
這項工作的相關成果發表在了《材料快報》上。卡拉曼的合著者包括Demircan Canadinc，William Trehern和德州農工大學的Ji Ma，以及聯合技術研究中心（UTRC）技術研究員Fanping Sun和Zaffir Chaudhry。
這一發現的基礎是將兩個相對全新的材料科學領域結合在一起，主要涉及合金，或由兩種或更多種元素組成的金屬。其中一個重要材料領域就是形狀記憶合金，這種“智慧”材料可以在特定的觸發條件下從一種形狀切換到另一種形狀，在此次研究中，這一觸發條件是溫度。想象一下一根平直的金屬桿，通過溫度的改變，變形成螺旋形拔塞鑽，然後還可再通過改變溫度返回成平直金屬桿狀態。
新型材料預計將在很多方面取得應用
形狀記憶合金的許多潛在應用都涉及極熱的環境，如工作中的噴氣發動機。然而，到目前為止，具有經濟性的高溫形狀記憶合金（HTSMA）僅可在約400℃的溫度下工作。新增金或鉑等元素可以顯著提高溫度，但這些材料的成本太過昂貴，因此限制了其進一步應用。
卡拉曼與同事在與聯合技術研究中心（UTRC）相關人員共同開展NASA專案時，開始進行這項研究，目的是解決一個特定問題：控制渦輪葉片與噴氣發動機渦輪機匣之間的間隙或空間。當渦輪葉片和機匣之間的間隙達到最小值時，噴氣發動機是最節省燃料的。但是，這個間隙必須預留一個合理的餘度來應對某些特殊的工作條件。將高溫形狀記憶合金結合到渦輪機匣中，可以保證在所有飛行狀態下的渦輪葉片與渦輪機匣處於最小間隙，從而有效提升發動機推力效率，減少燃油消耗。
高溫形狀記憶合金的另一個重要潛在應用是降低飛機在機場產生的噪音。排氣口噴嘴較大的飛機更安靜，但氣動效率較低。高溫形狀記憶合金可以根據飛機的飛行狀態和著陸狀態不同，自動改變核心排氣口噴嘴的尺寸，這種改變將主要根據飛機工作模式的不同，通過溫度變化進行觸發，不僅可以改進飛機在飛行狀態下運轉效率，還可以使得飛機在著陸狀態時更安靜。
卡拉曼和他的同事決定嘗試通過利用另一種新型材料——高熵合金的工作原理，來提高高溫形狀記憶合金的工作溫度。高熵合金由四種或更多種元素以大致相等的量混合在一起組成。該團隊創造了由四種或更多已知的可形成形狀記憶合金（鎳，鈦，鉿，鋯和鈀）的元素組成的材料，並有意識的放棄了金和鉑元素。
“當我們以相同的比例混合這些元素時，我們發現所得到的材料可以在遠高於500攝氏度的溫度下工作，其中一種材料可在700攝氏度下工作，這些材料中都沒有加入金或鉑元素。這是一項偉大的發現，同時也是意料之外的，因為與此前的文獻資料中顯示的結果並不相同。”
這種新型材料將如何在實際應用中發揮作用？卡拉曼表示，他們對如何在高溫條件下使得這類材料發揮作用已經有所瞭解，但目前還缺乏紮實的理論基礎。因此，未來的工作重點將包括嘗試通過計算機模擬來了解在這種材料原子尺度上發生的事情。此外，研究人員還將致力於探索進一步改善這種材料效能的方法。不過，卡拉曼同時也指出，目前這種新材料還存在很多其他問題。
“這就是為什麼我認為這項研究成果可以開啟一個全新的研究領域，”卡拉曼說，“我們將繼續努力，同時我們也很高興其他人現在加入我們，以便我們共同推動科學的發展。”