然而，氧化鋯中的這種“晶格工程”由于附加的物理約束而變得復(fù)雜：需要管理較大的相變體積變化，并實(shí)現(xiàn)足夠高的相變溫度，以避免動(dòng)力學(xué)能壘。

在此，來(lái)自美國(guó)麻省理工學(xué)院的Christopher A. Schuh等研究者，提出了一種將晶格工程方法擴(kuò)展到馬氏體設(shè)計(jì)的方法，以解決這些額外的約束，結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算熱力學(xué)和數(shù)據(jù)科學(xué)工具，跨越尚未有數(shù)據(jù)的復(fù)雜的多成分空間。相關(guān)論文以題為“Low-hysteresis shape-memory ceramics designed by multimode modelling”于2022年10月05日發(fā)表在Nature上。

馬氏體相變是一種特殊的從一種晶體結(jié)構(gòu)，到另一種晶體結(jié)構(gòu)的快速位移相變。它們廣泛存在于各種類(lèi)型的晶體材料中，并具有巨大的工程意義，例如，與鋼的硬化、形狀記憶特性的出現(xiàn)和陶瓷的增韌有關(guān)。馬氏體相變的大應(yīng)變，其剪切量可達(dá)10%或更多，體積可達(dá)5%左右，這引發(fā)了一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)情況：相變區(qū)域必須與周?chē)崔D(zhuǎn)化的基體共存，造成相當(dāng)大的形狀或應(yīng)變不匹配，必須通過(guò)其他方法來(lái)適應(yīng)。由于晶體具有1%量級(jí)的彈性極限，馬氏體相變往往與這樣或那樣的有害鍵斷事件有關(guān)——這種缺陷的產(chǎn)生是相變遲滯的根本原因。

研究人員最近意識(shí)到，可以通過(guò)對(duì)參與轉(zhuǎn)換的兩個(gè)相的晶格參數(shù)的微妙操作來(lái)設(shè)計(jì)遲滯。具體地說(shuō)，馬氏體理論可用于確定最相容的晶格參數(shù)集，即具有最低的界面應(yīng)變。在這些高度優(yōu)化的材料中，通過(guò)輕微的合金調(diào)整，轉(zhuǎn)變變得理想的相稱(chēng)；形狀記憶合金在相變過(guò)程中通常避免了缺陷的產(chǎn)生，并且在形狀記憶合金中，可以將遲滯大幅度降低到幾個(gè)開(kāi)爾文的數(shù)量級(jí)。最近的努力已將晶格工程方法，擴(kuò)展到形狀記憶陶瓷系統(tǒng)；然而，在大應(yīng)變氧化鋯和哈夫尼亞基陶瓷中，這些努力到目前為止，只實(shí)現(xiàn)了120 K左右的最小遲滯值。

在陶瓷的情況下，由于幾個(gè)物理差異，工程轉(zhuǎn)化滯后的挑戰(zhàn)要大得多。首先，氧化鋯的轉(zhuǎn)化體積變化(約4%或更多)遠(yuǎn)高于大多數(shù)金屬(一般低于1%)；這種巨大的體積變化抑制了轉(zhuǎn)化，常常使其在室溫以下發(fā)生，且不完全。其次，研究者最近的工作表明，晶格相容性本身并不能控制所有溫度下的相變滯后；在較低的溫度下，移動(dòng)變換前沿的摩擦起著關(guān)鍵作用。這些復(fù)雜性表明，馬氏體陶瓷的設(shè)計(jì)，面臨著相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，而不僅僅是目前最先進(jìn)的點(diǎn)陣工程。

在此，研究者概述了一種方法，該方法增加了晶格工程與計(jì)算熱力學(xué)的使用，以尋求可能同時(shí)滿(mǎn)足上述附加約束的氧化鋯組合物。因?yàn)閷?duì)于一些感興趣的合金族來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)是稀疏的，研究者還引入了數(shù)據(jù)科學(xué)的元素，包括監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)，這有助于跨越復(fù)雜的多維搜索空間。其結(jié)果是一種新的氧化鋯組合物，具有15 K的遲滯回量記錄，與典型值相比，這是大約10倍的轉(zhuǎn)化滯回量(大約是目前報(bào)道的最佳值的5倍)。這一發(fā)現(xiàn)表明，氧化鋯陶瓷，可以表現(xiàn)出與廣泛應(yīng)用的形狀記憶合金相同的遲滯值，為它們作為可行的高溫形狀記憶材料鋪平了道路。

圖1. 結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算熱力學(xué)和晶格工程的多面建模方法預(yù)測(cè)新型ZrO₂基組合物的形狀記憶特性。

圖2. 不同摻雜劑對(duì)ZrO₂形狀記憶陶瓷二元體系中M_s、體積變化(ΔV/V)和λ₂的影響

圖3. ZrO₂-TiO₂-AlO_1.5體系中首選成分的表征

圖4. 目前ZrO₂基形狀記憶陶瓷的低熱滯

綜上所述，研究者提出了一組設(shè)計(jì)參數(shù)，來(lái)解鎖形狀記憶陶瓷的低相變滯后，這是廣泛植根于馬氏體相變的物理。研究者還提出了一個(gè)多模式建模過(guò)程，該過(guò)程結(jié)合了計(jì)算熱力學(xué)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型和點(diǎn)陣工程，以成功地穿越這個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)空間。這里展示的數(shù)據(jù)和趨勢(shì)共同說(shuō)明了物理學(xué)和相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則的有效性，并導(dǎo)致了多組分氧化鋯組合物的快速發(fā)展，其滯回率達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的15 K。這些發(fā)現(xiàn)，不僅解鎖了一種新的和獨(dú)特的智能材料的高度可逆轉(zhuǎn)化，而且還預(yù)示了設(shè)計(jì)馬氏體陶瓷的量身定制滯后和相變溫度優(yōu)化的特定操作環(huán)境。