[發明專利]一種寬溫域高強度線彈性的金屬納米材料及其制法與應用

有效

• 申請號: 201710360790.8
• 申請日: 2017-05-19
• 公開（公告）號: CN107177756B
• 公開（公告）日: 2020-05-08
• 發明（設計）人: 郝世杰;孫震;孔祥廣;康根發;崔立山
• 申請（專利權）人: 中國石油大學(北京)
• 主分類號: C22C19/03
• 分類號: C22C19/03;C22C1/02;C22F1/10;B21C1/00
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 韓蕾;姚亮

本發明提供了一種寬溫域高強度線彈性的金屬納米材料及其制法與應用。該金屬納米材料為絲材，其中，以該金屬納米材料的總量計，其是由原子比為(0.8:1)?(0.9:1)的Ti元素和Ni元素組成，Ti和Ni兩種元素的原子百分數之和為100％；該金屬納米材料為馬氏體態NiTi納米材料且其由均勻分布的NiTi納米晶組成，其馬氏體態NiTi由擇優取向的馬氏體變體組成。本發明提供的納米材料使用溫度的范圍約為?197℃至50℃，在這一溫度范圍內材料能夠保持線彈性并且具有1.2?1.9GPa的屈服強度以及4.5％?5.4％的線彈性應變極限。

技術領域

本發明涉及一種寬溫域高強度線彈性金屬納米材料及其制法與應用，屬于納米材料領域。

背景技術

開發高性能的驅動器件，不僅要求材料具有線性超彈特性，同時還需在較寬的使用溫度范圍內具備高強度特性。對于傳統塊體金屬材料，由于其彈性變形極限通常小于1％而無法滿足要求。超彈態TiNi形狀記憶合金雖具有約8％的超彈性變形，但是，其超彈性變形為非線性，故而使得精確控制器件的變形十分困難。

CN101805843A公開了一種NbTi納米纖維增強TiNi形狀記憶合金的復合材料，雖然復合材料的強度有所提高，但由于其在拉伸加-卸載過程中基體發生了正-逆應力誘發馬氏體相變，其不僅耗散了大量機械能，還縮短了材料的使用溫度范圍(15℃～50℃，當使用溫度低于M_S點時，基體為馬氏體而不具有超彈性)。

因此，如何獲得一種在較寬使用溫度范圍內兼具高強度和線彈性的金屬材料，仍是本領域目前亟待解決的問題之一。

發明內容

為解決上述難題，本發明的主要目的在于提供一種金屬納米材料。該金屬納米材料兼具寬溫域、高強度和線性超彈的特性。

本發明的另一目的在于提供前述金屬納米材料的制備方法。

本發明的再一目的在于提供前述金屬納米材料的應用。

為實現上述目的，一方面，本發明提供一種金屬納米材料，該金屬納米材料為絲材，其中，以該金屬納米材料的總量計，其是由原子比為(0.8:1)-(0.9:1)的Ti元素和Ni元素組成，Ti和Ni兩種元素的原子百分數之和為100％；該金屬納米材料為馬氏體態NiTi納米材料且由均勻分布的NiTi納米晶組成，其馬氏體態NiTi由擇優取向的馬氏體變體組成。

優選地，本發明所述納米晶是指平均晶粒尺寸處于10～200nm的納米尺度范圍內。更優選地，所述NiTi納米晶的平均晶粒尺寸為20～150nm。

實驗表明本發明提供的納米材料使用溫度的范圍約為-197℃至50℃，在這一溫度范圍內材料能夠保持線彈性并且具有1.2-1.9GPa的屈服強度以及4.5％-5.4％的線彈性應變極限。由此可以看出，本發明提供的金屬納米材料在較寬溫度范圍內兼具了高強度和線性超彈的特性，并且隨著拉伸溫度的降低，屈服強度升高，線彈性變形極限增大。

另一方面，本發明提供前述金屬納米材料的制備方法，其中，以Ti、Ni金屬單質為原料，該制備方法依次包括：熔煉鑄錠、均勻化退火處理、熱鍛成型、塑性加工、晶化退火處理及單軸拉伸變形處理得所述金屬納米材料；

其中，所述塑性加工為：

對熱鍛成型后的型材進行熱拔處理(優選在500～600℃下進行熱拔處理)，隨后對熱拔絲材進行退火處理(優選在700～800℃進行該退火處理)，最后再進行冷拔處理得絲材，或對熱鍛成型后的型材進行冷拔和退火交替處理得絲材，且控制冷拔變形量(絲材橫截面面積的減小量)不小于50％，優選控制冷拔變形量為50％～80％；

所述單軸拉伸變形處理為：

對經晶化退火處理后的絲材進行至少一次單軸拉伸加載-卸載循環變形處理，并控制拉伸變形量不小于10％；優選控制拉伸變性量為10％～14％。