德克萨斯A＆M大学为新型智能材料开辟全新的研究领域

概要：一组新的智能材料具有显著提高喷气式发动机燃油燃烧效率、降低飞行成本的潜力。这些材料还能降低住宅区域的飞机噪音，在各种其他行业中都将有所应用。

图示为真空电弧熔炼炉制造出的新型智能材料NiTiHfHTSMA，是一种具有许多潜在应用的新型智能材料，图片来源：Dharmesh Patel

德克萨斯A＆M大学的研究人员及其合作者发现的一组新智能材料将有可能显着提高喷气发动机燃油效率、降低飞行成本。这些材料还可以降低住宅区域的飞机噪音，并且在其他许多行业中还有各种其他的应用。

“让我感到兴奋的是，我们接触到了一些新的东西，这不仅代表着我们将开辟出一个全新的科学研究领域，而且还将开辟出一项新技术，”Ibrahim Karaman博士，Chevron教授材料科学与工程系系主任说。

这项研究成果发表在Scripta Materialia杂志上。Karaman的合着者是德克萨斯A＆M大学的Demircan Canadinc，William Trehern和Ji Ma，以及联合技术研究中心（UTRC）技术研究员Fanping Sun和Zaffir Chaudhry。

这一发现基于将涉及金属合金的两个相对较新的材料科学领域或由两种或更多种金属元素组成的合金结合在一起。第一个研究领域涉及形状记忆合金，一种可以通过特定的触发器从一种形状切换到另一种形状的“智能”材料，其触发条件可以是温度条件。想象一下弯曲成螺旋形螺钉的直金属杆，通过改变温度，螺旋状变回成直杆状，反之亦然。

各种各样的应用

形状记忆合金的许多潜在应用都涉及到温度极高的环境，如工作中的喷气发动机。然而，到目前为止，经济的高温形状记忆合金（HTSMA）仅在高达约400摄氏度的温度下工作。添加金或铂等元素可以显着提高温度，但相对于它的限制条件所需要的材料太过昂贵制。

Karaman在与UTRC及其同事一起开展NASA项目时，开始进行这项研究，以解决一个特定问题：控制涡轮叶片与喷气发动机涡轮机壳体之间的间隙或空间。当涡轮叶片和壳体之间的间隙最小化时，喷气发动机是最节省燃料的。但是，必须有一个合适的余量来处理特殊的运行条件。综合考虑到涡轮机壳体中的HTSMA可以允许维持所有飞行状态的最小间隙，从而改善推力特定的燃料消耗。

HTSMAs的另一个重要潜在应用是降低飞机进入机场时的噪音。排气喷嘴较大的飞机更安静，但空气效率较低。 HTSMAs可以根据飞机是在飞行中还是在着陆而自动改变核心排气喷嘴的尺寸。与操作模式相关联的温度触发的这些调整，,将使飞机在空中能更有效的操作，在着陆时更加的安静。

Karaman和他的同事决定尝试通过应用另一种新型材料 - 高熵合金的原理来提高高温超导体的工作温度，高熵合金由四种或更多种元素以大致相等的量混合在一起组成。该团队创造了由四种或更多已知形成形状记忆合金（镍，钛，铪，锆和钯）的元素组成的材料，但有目的地省略了金或铂使用。

“当我们以相同的比例混合这些元素时，可以发现所得到的材料可以在超过500摄氏度的温度下工作 - 其中一个样品在700摄氏度下工作 - 不含金或铂金属。这是一个新发现，这也是意料之外的，因为文献另有说法”，Karaman说。

新材料如何工作？Karaman说，他们对如何在如此高的温度下运行有所了解，但还没有确切的理论。为此，未来的工作包括尝试通过计算机模拟来了解原子尺度上发生的事情。研究人员还致力于探索进一步改善材料性能的方法。然而，Karaman指出，还有许多其他问题亟待解决。

“这就是为什么我认为这可以打开一个全新的研究领域，”他说。 “虽然我们将继续努力，但也很高兴其他人参与到这项研究当中，以便我们共同推动科学的发展。”

UTRC和Texas A＆M之间的这个联合项目由NASA前沿航空研究计划资助的。

原文来自：sciencedaily，原文题目：New smart materials could open new research field，由材料科技在线团队翻译整理。