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应变玻璃超级铁性智能材料的进展与展望

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任帅 ¹ , 纪元超 ² , 王栋 ² , 王宇 ³ , 赵新青 ⁴ , 任晓兵 ¹^,²^,^†

前瞻科技 | 综述与述评 2025,4(1): 128-138

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前瞻科技 | 综述与述评 2025, 4(1): 128-138

应变玻璃超级铁性智能材料的进展与展望

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任帅¹, 纪元超², 王栋², 王宇³, 赵新青⁴, 任晓兵¹^,²^,^†

作者信息

1.甬江实验室先进智能材料研究中心，宁波 315202

2.西安交通大学前沿科学技术研究院，西安 710049

3.西安交通大学物理学院，教育部物质非平衡合成与调控重点实验室，西安 710049

4.北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京 100083

任帅，研究员。主要从事铁性智能材料及无序合金材料的研究。主持自然科学基金项目2项、中国博士后科学基金1项，参与国家重点研发计划青年科学家项目1项。获深圳市高层次人才，美国陶瓷学会Spriggs奖等。发表论文50余篇。电子信箱：renshuai.01@foxmail.com。

任晓兵，教授，研究员。甬江实验室先进智能材料研究中心主任。国家杰出青年科学基金获得者、海外高层次人才引进计划入选者、国家重点基础研究发展计划项目首席科学家。主要从事铁性智能材料的研究。获国家自然科学奖二等奖（排名第1）、教育部自然科学奖一等奖（排名第1），日本金属学会“杰出青年奖”和“功勋奖”，美国陶瓷学会Spriggs奖，国际纳米技术博览会（Nanotech 2020）奖等。发表论文近400篇。电子信箱：ren.xiaobing@ylab.ac.cn。

通信作者:

^†

Progress and Prospect of Strain Glass Super Ferroic Smart Materials

Shuai REN¹, Yuanchao JI², Dong WANG², Yu WANG³, Xinqing ZHAO⁴, Xiaobing REN¹^,²^,^†

Affiliations

1. Center for Advanced Smart Materials, Yongjiang Laboratory, Ningbo 315202, China

2. Frontier Institute of Science and Technology, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China

3. School of Physics, MOE Key Laboratory for Nonequilibrium Synthesis, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China

4. School of Materials Science and Technology, Beihang University, Beijing 100083, China

出版时间: 2025-03-20 doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2025.01.013

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摘要

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在航空航天、自动驾驶、无人机、机器人及先进医疗等尖端领域，颠覆性智能技术的发展对铁性智能材料的高性能提出了重大需求。然而，基于朗道相变理论的传统铁性智能材料在性能上面临原理性的制约，难以实现进一步突破。近年来，应变玻璃的发现与发展为铁性智能材料突破原理限制、获得颠覆性性能带来了新契机。文章综述了近年来应变玻璃铁性智能材料的研究进展，并对该新型铁性智能材料的未来发展提出展望和建议，以期为中国在铁性智能材料基础研究中保持领先地位、在产业应用上推动跨越式发展提供参考和思路。

关键词

应变玻璃 / 铁性智能材料 / 形状记忆合金 / 超弹性 / 宽温域

Abstract

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The development of innovative intelligent technologies in cutting-edge fields such as aerospace, autonomous driving, unmanned aerial vehicles, robotics, artificial perception, and advanced medical applications has imposed significant demands on the high performance of ferroic smart materials. However, conventional ferroic smart materials based on Landau theory of phase transition exhibit performance limitations rooted in their fundamental physics, rendering further breakthroughs challenging. In recent years, the discovery and development of strain glass have provided new opportunities for overcoming these constraints of ferroic smart materials and achieving revolutionary performance enhancements. This review presented recent research progress in strain glass ferroic smart materials and provided forward-looking perspectives and recommendations for the future development of this novel ferroic smart material. It offered insights to maintain China’s leading position in fundamental research on ferroic smart materials and propel leapfrogging development in industrial applications.

Key words

strain glass / ferroic smart material / shape memory alloy / superelasticity / wide temperature range

引用本文

任帅, 纪元超, 王栋, 王宇, 赵新青, 任晓兵. 应变玻璃超级铁性智能材料的进展与展望. 前瞻科技, 2025 , 4 (1) : 128 -138 . DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2025.01.013

Shuai REN, Yuanchao JI, Dong WANG, Yu WANG, Xinqing ZHAO, Xiaobing REN. Progress and Prospect of Strain Glass Super Ferroic Smart Materials[J]. Science and Technology Foresight, 2025 , 4 (1) : 128 -138 . DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2025.01.013

正文

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近年来，在世界各国竞相发展变形飞机、变形导弹、超级机器人（超强人工肌肉）、柔性电子、人工触觉及深空探测等颠覆性智能技术的背景下，具有感知力、电、磁及温度等外界环境刺激并产生响应的铁性智能材料，正成为实现这些技术的关键候选材料。铁性智能材料主要包括三大类别：能够响应力场和温度刺激的铁弹/形状记忆合金（Shape Memory Alloy, SMA），能够响应电场刺激的铁电/压电材料，能够响应磁场刺激的铁磁/磁致伸缩材料。尽管这3类材料表观响应特性各异，但其内在本征物理机制存在高度的相似性与平行性，均遵循朗道相变理论为基础的物理原理。因此，这3类材料被统称为铁性智能材料，能够携手为众多颠覆性智能技术的实现提供关键材料支撑。

铁性智能材料作为先进材料中的重要组成部分，始终处于大国科技竞争中的核心位置，受到了世界各国政策的重点支持。例如，美国的“设计变革性材料”计划、欧盟的“地平线欧洲”计划，以及中国“十四五”规划中关于发展战略性新兴产业的相关布局等。这些战略布局不仅反映了各国工程技术界对高性能铁性智能材料的迫切需求，也凸显了其在颠覆性智能技术中的重要性。为了满足这些颠覆性技术对铁性智能材料前所未有的高要求，迫切需要其具备一系列卓越性能，包括：①对力、电、磁、温度等外界刺激具有超大智能响应或奇异响应；②在超宽温域内保持稳定的高性能，以满足变革性智能技术在极端环境下的需求等。

然而，这些重大技术需求已超出了经典朗道相变理论的物理框架，因此所要求的高性能在现有理论框架下是无法实现的。在过去几十年里，科学界及工程界基于传统铁性物理原理，针对现有铁性智能材料开展了大量研究。然而，其性能提升却遭遇现有理论的原理性制约，难以获得进一步突破，因此难以满足变革性智能技术的高需求。

在此背景下，中国科研团队于2005年发现了一类非传统型的铁性智能材料——应变玻璃。该发现推动了一系列的新性能和新机理的出现，为突破传统铁性智能材料的原理性瓶颈提供了可能性，有望推动铁性智能材料领域的重大变革。因此，文章分析以SMA为代表的传统铁性智能材料的性能瓶颈，在此基础上，重点介绍应变玻璃新型铁性智能材料的研究现状与发展态势，并对应变玻璃的未来发展提出展望和建议，以期为研发具有卓越性能的超级铁性智能材料提供创新思路引领路径。

1 原理性制约：传统SMA的性能瓶颈

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1.1 SMA及其应用

SMA作为一种传统的铁性智能材料，其基础研究已经较为成熟。SMA的研究热潮始于20世纪60年代Ni-Ti合金中形状记忆效应的发现^[1]。随后，以Ni-Ti合金为代表的SMA引起了广泛关注。研究人员围绕合金的晶体学理论、相变机制、力学行为等各个方面开展了系统的研究，逐步建立起较为完备的理论框架。进入21世纪以来，围绕SMA的研究逐渐聚焦于新性能和新应用的探索上。该领域一系列重要的概念、性能和热点，包括铁磁性SMA及其巨磁致伸缩效应^[2⇓-4]、弹卡效应（又称弹热制冷效应）^[5]、高熵SMA^[6]等，均由国外科学家首先提出并研究，然后相关研究才在国内逐渐开展起来。

另一方面，SMA的应用研究始终是铁性智能材料领域的一个重要方向。SMA具有高应力和高应变的同时，还具有高的能量密度，因此它非常适合作为执行器材料；而SMA执行器特别适用于要求轻量化、小体积、高功重比和带负载能力强的应用场景^[7-8]。因此，SMA在航空航天、机器人、民用消费品、生物医疗等领域获得了广泛的应用，进一步促进了SMA领域的快速发展。

欧洲、美国等国家和地区在SMA的应用研究上处于领先地位。其中，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）针对SMA在航天航空领域的应用开展了深入而细致的研究，极大拓展了SMA的应用场景。例如，NASA的研究团队2017年发明了超弹性轮胎^[9]。如图1^[9]所示，该轮胎由超弹性SMA丝编织而成，外观上是一种柔性网状结构，特别适用于在火星、月球等地外极端环境下的探测车轮胎，独特的设计使其能够适应这些星球表面复杂多变的地形。NASA研究人员还提出了展向自适应机翼的概念^[10]。他们利用SMA扭转驱动器连接机翼的外侧部分，使其能够在飞行器的飞行和地面操作中发挥作用。此外，SMA在航空航天、机械电子、医疗器械等领域的应用也获得了国外的广泛研究。

中国针对SMA的应用研究处于追赶地位，但目前有显示度的应用案例仍然偏少。2017年，北京航空航天大学智能推进实验室研制了一种SMA丝驱动的超长寿命的释放执行器，提高了释放执行器的寿命与可靠性，在航空航天长期任务中具有重要应用价值^[11]。2021年，中国石油大学研究团队采用3D打印技术制备了Ni-Ti SMA蜂窝状结构^[12]。该结构如图2^[12]所示，可用于填充空间着陆器的着陆腿，其在着陆时可以吸收能量并能够通过电或加热刺激迅速恢复到初始形状。该工作显示了3D打印SMA结构件在航天航空领域的应用潜力。

1.2 SMA的性能起源及原理性制约

SMA能够展现出丰富的功能特性，而其两大基本特性为形状记忆效应和超弹性。如图3（a）^[13-14]所示，形状记忆效应一般发生在马氏体相变终了温度（M_f）以下，表现为SMA在经历明显塑性变形后，通过加热能够完全恢复初始形状的“记忆”能力。这一形状记忆效应已成功应用于心血管支架、航天器可展开天线、光学防抖器件等多个领域。而超弹性则一般发生在马氏体逆相变终了温度（A_f）以上，是指SMA能够承受超出普通金属弹性极限的应变（可达8%以上），并在卸载后仍能完全恢复原状的独特弹性行为。超弹性这一特性被广泛运用于牙科正畸弓丝、心血管介入导丝等多个场合。

SMA的上述两大特性在本质上均源于材料中的马氏体相变。具体而言，形状记忆效应的物理机制源自温度诱发的马氏体逆相变。如图3（a）中的晶体结构示意图所示，当低温变形后的去孪晶马氏体相被加热后，其晶体结构经过马氏体逆相变而转变为母相结构，宏观表现即为形状复原。超弹性行为的物理机制则为应力诱发的马氏体相变。如图3（a）所示，温度在A_f以上，材料受到外力作用时，原始母相通过应力诱发马氏体相变来适应变形，形成去孪晶马氏体相，而卸载时发生马氏体逆相变回到母相，使得宏观变形完全恢复。

由此可见，SMA的功能特性依赖于马氏体相变。然而，马氏体相变的固有属性在赋予SMA独特性能的同时，也形成了制约其性能突破的原理性瓶颈。以宽温域高性能稳定性这一关键需求为例，经典朗道相变物理原理决定了铁性材料的性能对温度极为敏感。如图3（b）^[13-14]中红色直线所示，诱发马氏体相变所需的临界应力随着温度上升呈现陡峭增长趋势。这种强烈的温度依赖性导致SMA的超弹性服役窗口被严格限制在有限温区内（一般小于100 K）：其下限受制于相变温度，而上限受制于滑移临界应力。当环境温度超过M_d时（即相变临界应力与滑移临界应力相等时的特征温度），位错滑移将取代相变成为变形的主导机制，导致超弹性消失。

值得注意的是，航空航天等尖端领域对SMA提出了极具挑战性的服役需求。例如，火星探测需适应133~323 K的极端温差，月球环境更是存在93~423 K的温度跨度。显然，这类“宽温域高性能稳定性”的关键需求与传统铁性物理理论框架下的基本原理存在本质性矛盾。因此，传统SMA受制于马氏体相变理论的原理性制约而难以突破性能瓶颈，无法满足关键需求。

2 突破传统：新型超级铁性智能材料——应变玻璃

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2.1 应变玻璃及其基本特征

由于传统SMA的性能受制于经典相变理论的原理性瓶颈，因此性能突破亟待跳出现有理论框架，发现新的物理机制。2005年中国学者在SMA体系中首次发现了一类以纳米马氏体畴为主要特征的新玻璃现象——应变玻璃态^[15]，为探索SMA新性能和新物理提供了研究方向。传统马氏体相是一种通过晶格应变的长程有序化而形成的热力学稳定态。与之相对，应变玻璃则是一种应变短程有序被冻结而形成的热力学亚稳态。它具有独特的纳米尺度马氏体畴的玻璃化冻结行为，展现出全新的动力学特征。因此，应变玻璃的发现突破了传统铁性材料中热力学相变的认知框架，为发展基于非热力学平衡态的新型功能材料开辟了新路径。

应变玻璃通常是在马氏体相变体系中引入过量缺陷得到的^[16]。可以诱发应变玻璃的缺陷种类丰富，包括点缺陷（一维）^[15]、位错（二维）^[17]、晶界缺陷（二维）^[18]及纳米析出物（三维）^[19]等。典型的应变玻璃通常是由点缺陷过量掺杂得到，其相图如图4^[20]所示。大量掺杂的点缺陷会严重阻碍合金中晶格应变的长程有序化（即马氏体相的形成）。当缺陷浓度超过临界值时，晶格应变的长程有序化被完全抑制，马氏体相变消失；取而代之的是，晶格应变的局域有序化被逐渐冻结，由此导致了纳米马氏体畴（短程有序的晶格应变微区）的形成。因此，应变玻璃是一种以纳米马氏体畴随机分布于母相基体上为微观结构特征的、晶格应变长程无序而短程有序的全新物态。

应变玻璃的基本特征也与马氏体相的特征完全相反。在图4所示的缺陷临界浓度以下，马氏体相会表现出典型的热力学相变特征，包括相变吸热/放热峰、晶体结构的改变及相变热滞后等。与之不同，在缺陷临界浓度以上（也即应变玻璃成分区间），上述热力学相变特征完全消失，同时应变玻璃还表现出马氏体相不具备的动力学特征，包括交变力场下模量的频率弥散现象及各态遍历性破缺等^[16]。应变玻璃的上述基本特征是判断合金中是否存在应变玻璃态的有力证据。

2.2 应变玻璃的研究进展

在应变玻璃这一新领域，国内的基础及应用研究始终处于国际领先地位。应变玻璃是由西安交通大学任晓兵团队于2005年首次发现并报道的^[15]。这一发现是铁性相变物理中的一个重要突破，为发现具备全新性能的SMA新材料提供了可能性。随后，应变玻璃的一系列重要的特征与功能特性被研究发现^[21]。2006年，任晓兵团队发现了应变玻璃合金在不具有马氏体相变的情况下，仍然能够展现出超弹性和形状记忆效应^[22]。2010年，任晓兵与美国俄亥俄州立大学的王云志合作，利用相场模拟手段成功构建了应变玻璃的相场模型^[23]。2014年，应变玻璃在原子尺度的局域对称性破缺被高分辨电镜结果证实^[24]。2015年，等温马氏体相变在Ni-Ti合金中被发现，该等温相变与应变玻璃的纳米马氏体畴随时间的长程有序化密切相关^[25]。2017年，铁磁性应变玻璃在Fe-Pd合金中被发现，并展示出优异的小磁场诱发大磁致应变效应^[26]。2021年，应变玻璃被发现具有与金属玻璃的玻色峰类似的低温比热异常，该效应的发现表明不同类型的玻璃态具有共性的动力学特征^[27]。2022年，Mg-Sc合金中发现的应变玻璃在具有低密度（~2 g/cm³）的基础上，还表现出宽温域下的低杨氏模量（~20~23 GPa）、较高的屈服强度（200~270 MPa）、高弹性能量密度（0.5 kJ/kg）和长疲劳寿命（超过100万次循环）等优势^[28]。2023年，在CaTiO₃陶瓷中发现了再入型应变玻璃，实现了从+50~ ‒150 ℃的宽温域增韧^[29]。

2024年，任晓兵团队又利用一种独特的“三步热机械处理工艺”，在高强度应变玻璃基体上“种入”两种马氏体畴的“种子”，形成了一种“双种子+应变玻璃”的特殊状态（Dual-seed Strain Glass, DS-STG）^[30]。如图5^[30]所示，该DS-STG合金展现出了一种独特的“超柔（弹性模量低至10 GPa）且超强（屈服强度高达1.8 GPa）”的力学特征——既有钢一样的高强度，又有塑料一样的柔韧性。这种“既强且柔”的特性突破了现有结构材料中的强度-柔韧性权衡困境（图5（a）中灰色带，即Ashby图），实现了低模量和高强度的“鱼与熊掌兼得”。“既强且柔”的力学特性在已知材料中从未实现过，因此这一发现不但具有广阔的应用前景，而且开辟了一个新的智能材料研究方向，也为全新物理机制的发现提供了重要支撑。

国内迅速跟进了应变玻璃的相关研究。上海交通大学金学军团队在一个Au-Cu-Al体系中发现了应变玻璃行为及预马氏体现象^[31]。北京科技大学王沿东团队在铁磁性多组元SMA体系Ni-Co-Fe-Ga中发现了应变玻璃转变，并研究了其超弹性行为^[32]。2020年，该团队还在该合金单晶中发现了高达15.2%的巨大无滞后超弹性应变^[33]，引起了领域内的广泛关注。2024年，北京航天航空大学赵新青团队在Ti₃₃Nb₁₅Zr₂₅Hf₂₅O₂高熵合金中发现了应变玻璃转变及恒弹模效应^[34]。

此外，中国石油大学崔立山团队首次制造了一种SMA纳米线复合材料（Nanowire in situ Composite with SMA, NICSMA）^[35]。该NICSMA由具有良好伪弹性的Ni-Ti SMA与高弹性Nb纳米线原位组装而成，展现出卓越的力学性能，包括大准线性弹性应变（>6%）、低杨氏模量（约28 GPa）及高屈服强度（1.65 GPa）等。有趣的是，该NICSMA也具有应变玻璃的一些基本特征。

应变玻璃目前正成为国际上铁性智能材料的一个全新研究领域和热点。近年来，应变玻璃已经成为多个重要国际会议（如国际马氏体相变会议ICOMAT、国际铁磁性形状记忆合金会议ICFSMA及美国冶金学会学术年会TMS）的主要议题之一。欧洲、美国、日本的著名科学家团队，如英国皇家学会会士、剑桥大学Salje，以及英国皇家学会会士、牛津大学Sherrington等研究小组都对此进行了深入研究^[36-37]。2008年，西班牙巴塞罗那大学Planes团队利用相场模型研究了弹性各向异性常数与点缺陷浓度对应变玻璃转变的影响，是首次利用模拟手段证实了应变玻璃的存在^[38]。2015年，美国德州农工大学Karaman团队首次在一个铁磁性SMA体系Ni₄₅Co₅Mn_36.6In_13.4中发现了应变玻璃与自旋玻璃共存的现象^[39]。2018年，美国橡树岭国家实验室Manley团队利用中子衍射技术研究Ni₄₅Co₅Mn_36.6In_13.4该体系中发生应变玻璃转变的物理机制，并发现了应变玻璃态具有与结构玻璃类似的声子阻尼现象，将应变玻璃的机理研究深化到了电子结构层面^[40]。2021年，西班牙巴利阿里群岛大学Pons团队在Ni-Ti-Zr合金体系中发现了由析出物导致的应变玻璃转变，且该合金表现出高达4%的超弹性应变^[41]。

2.3 应变玻璃的应用进展

凭借其独特的宽温域力学响应特性，应变玻璃合金在中国航天航空等尖端技术领域展现出显著的技术优势。例如，北京航空航天大学徐惠彬和赵新青团队利用应变玻璃的宽温域超弹性特性，成功地将其应用于完成中国探月工程“嫦娥5号”“嫦娥6号”的核心任务——月壤采集（图6）。这不仅是应变玻璃在航天高技术领域的首次应用，也标志着中国在应变玻璃的基础研究和应用研究两方面均处于国际领先地位。

当前，应变玻璃合金在国内已经开始出现重要的实质性应用突破，但尚未见到国外有具体应用案例的报道。这表明中国在这一新型铁性智能材料的应用开发上已初步形成先发优势。值得关注的是，近年来由NASA等顶尖科研机构与美国波音公司等20家科技巨头组成的“形状记忆合金技术产学研联合体（CASMART）”将应变玻璃列入了重点研究方向，但具体研究内容仍处于保密状态。这从侧面印证了应变玻璃合金的前沿性与战略价值。

3 应变玻璃超级铁性智能材料的研究展望

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面向航空航天、自动驾驶、无人机、机器人及先进医疗等尖端领域中的颠覆性智能技术对超级铁性智能材料的重大需求，亟待开发突破传统铁性相变物理瓶颈的新型铁性智能材料。在应变玻璃的现有研究成果的基础上，值得进一步深入挖掘该新型铁性智能材料在新材料、新效应、新原理、新应用等多个维度上的潜力。

3.1 澄清应变玻璃超柔且超强金属的物理机制，研发宽温域的超柔且超强金属材料（对力的超大响应）

尖端领域的颠覆性智能技术往往要求智能材料同时具有两种相互制约的特性，而这种要求是传统智能材料遵循的经典理论所不允许的。例如，低模量和高强度就是一对相互制约的物理量。“既强且柔”的特性是变形飞机、变形导弹、超级机器人（超强人工肌肉）等尖端应用场景对智能材料的强烈需求，但在已知材料中从未实现过。2024年，基于应变玻璃的研究发现了一种新型金属合金成功突破了长期以来高强度和高柔性不可兼得的原理性瓶颈，实现了“既强且柔”的罕见特性^[30]。该合金不仅具有与塑料一样的超低弹性模量（~10 GPa），以及与钢一样的高屈服强度（~1.8 GPa），还拥有约8%的大超弹性应变、良好的温度稳定性及优异的高应变抗疲劳性。

未来的研究需要致力于深入剖析这种应变玻璃超柔且超强特性的物理机制；并基于应变玻璃本征的宽温域特性，研究如何通过实现多相共存状态，进一步研发在更宽温域内具备超柔且超强特性的金属材料，从而实现对外力的超大响应；在此基础上设计并研发一系列超柔且高强度的应变玻璃合金。

3.2 澄清应变玻璃磁致伸缩材料对磁场响应的机制，研发超灵敏磁致伸缩材料（对磁场的超大响应）

铁磁性应变玻璃中存在着较强的磁弹耦合作用，既可以响应温度/力的刺激，又可以对磁场实现响应，是一种有着巨大应用潜力的多功能智能材料。前期的研究表明，铁磁性应变玻璃具有小磁场便可诱发大磁致应变的效应^[26]，但其微观结构特征及对磁场产生应变响应的物理机制尚待深入探究。展望未来，理解应变玻璃中纳米马氏体畴在小磁场下的翻转机制及起源是研发超灵敏磁致伸缩材料的关键所在。首先，需要研究铁磁性应变玻璃的微观结构特征及对磁场产生应变响应的新物理机制。其次，以此为基础，开展对不同成分和结构的铁磁应变玻璃材料的系统性研究，探索如何通过调控材料的成分、制备工艺和微观结构，进一步优化磁致伸缩性能。最后，期望开发出在宽温域下具有小场诱发大磁致应变的新型磁致伸缩材料，以满足在磁场传感、磁驱动装置等领域对超灵敏磁致伸缩材料的需求。

3.3 建立可预测性能、指导应变玻璃铁性智能材料设计的统一物理模型

为了更有效地设计和开发具有优异性能的应变玻璃铁性智能材料，建立一个基于铁弹、铁电、铁磁序参量，及其与力、电、磁、温度相互耦合的统一相场理论模型至关重要。该模型将揭示掺杂引发应变玻璃态的序参量变化的物理过程和微结构的演化规律，深入诠释应变玻璃引发超大性能变化和超宽温域特征的起源。在此基础上，利用该统一物理模型预测能够产生超级智能特性的材料成分，为材料的设计提供精确的指导方向，从而大大提高研发效率和成功率，有望推动应变玻璃铁性智能材料在更多领域的广泛应用和创新发展。

4 发展建议

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目前有关应变玻璃的研究发现了许多新的物理现象和新性能，其背后的新物理机理也获得了初步的研究。同时，应变玻璃合金的应用也逐渐在航空航天等尖端科技领域崭露头角。中国对于应变玻璃的研究处于国际领先地位，并形成了一定的研究规模和集群效应。应变玻璃合金的研究也获得了国家层面的长期重视，并得到了一系列的资金支持。自2012年起，由任晓兵团队牵头承担的国家重点基础研究发展计划（“973”计划）“铁性智能材料高性能化”项目就将应变玻璃列为核心研究方向之一。该研究随后又获得国家自然科学基金“应变玻璃/铁性玻璃及奇异性能”重点项目群的持续支持。围绕应变玻璃等新型铁性智能材料的研究有望突破传统铁性物理原理所造成的性能瓶颈，将能够满足变革性智能技术对铁性智能材料高性能的需求。为巩固中国在该新兴领域的领先优势，建议从多学科协同、研究范式革新等方面进一步支持应变玻璃新型智能材料的发展。

（1）从多学科协同的角度讲，亟需打破传统学科壁垒，建立多学科物理统一性研究框架。尽管三大类铁性智能材料响应的外场刺激各不相同，但它们具有高度的物理统一性。因此，应变玻璃这一新型铁性智能材料所带来的新性能和新物理也必将对另外两类铁性智能材料的研究带来重要的启示。另一方面，“玻璃态物质的本质是什么?”被Science列为21世纪亟待解决的125个关键科学问题之一。应变玻璃作为一种在晶体中的玻璃现象，兼具晶体结构特征和玻璃的动力学行为，能够与结构无序的结构玻璃形成“镜像对照”，这种对照研究将有助于加深对玻璃态及非晶物质的动力学共性特征的认识，从而为理解玻璃态物质的本质提供新的视角。因此，中国有必要打破金属、陶瓷、非晶等传统材料学科的分类桎梏，从物理统一性的角度出发，针对铁性智能材料形成新的跨领域研究思想和研究框架。建议统筹设立“应变玻璃超级铁性智能材料统一物理与新性能”重大研究专项，长期稳定支持铁性智能材料的共性物理机制的研究，帮助加快建立相应的统一物理理论框架。同时，鼓励跨学科、跨领域合作，促进金属材料、功能陶瓷、玻璃态物理等领域之间的知识交叉、融合与创新，推动多个学科的协同发展。

（2）从研究范式革新的角度看，必须创新研发组织模式，利用人工智能赋能，建立产学研有机结合的新型研究范式。传统的研究模式中始终存在基础研究与产业应用脱节的问题，导致研究成果走不出实验室的同时，产业界的问题也得不到有效解决的两难困境。目前应变玻璃的研究仍偏向于基础研究，关于应变玻璃的应用研究还有待加强。针对应变玻璃合金目前应用落地不足的问题，建议采用需求导向的策略，构建“需求牵引+数据驱动”的双引擎研发创新体系。在需求导向上，抓住航空航天等领域要求SMA在宽温域内高性能响应的机遇，积极推动应变玻璃合金在探月工程等国家重大需求中的应用研究，支持智能材料中试基地的建设及应用型研究人才的培养。参考美国设立“形状记忆合金技术产学研联合体”的经验，推动组建由高校、科研院所、重点企业共同参与的“应变玻璃合金产学研创新联合体”。此外，建议重点支持利用人工智能技术赋能研发范式革新，利用人工智能构建“物理建模-人工智能辅助材料设计-材料制备-智能器件集成”的全技术链创新体系，实现需求导向的快速响应。

5 结束语

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在当今科技迅猛发展的时代背景下，铁性智能材料的研究与应用已成为推动诸多尖端领域产生颠覆性变革的关键力量。文章围绕应变玻璃超级铁性智能材料，阐释了传统SMA性能面临的原理性瓶颈，梳理了应变玻璃的研究进展，并对应变玻璃未来的研究和发展方向提出了展望和建议。

相比传统SMA，应变玻璃超级铁性智能材料展现出突破传统理论框架的新性能和新物理规律。展望未来，在基础科学层面，应变玻璃的研究有望在经典朗道相变理论基础上构建出全新的理论体系，为探索应变玻璃合金的新性能提供原理性支撑。在产业应用层面，应变玻璃合金将赋能航空航天、自动驾驶、机器人及医疗器械等领域产生颠覆性变革。通过政策精准发力，应变玻璃超级铁性智能材料有望在2030年前形成基础研究引领、应用创新驱动的良性发展格局，从而巩固中国在智能材料领域的战略竞争优势。

基金

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国家自然科学基金(52371160)
国家自然科学基金(52471208)
国家自然科学基金(52171012)
国家自然科学基金(52471016)
国家重点研发计划(2024YFB3817600)
高等学校学科创新引智计划（111计划）2.0项目(BP0618008)
陕西省重点研发计划(2023-ZDLGY-21)

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

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2025年第4卷第1期

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doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2025.01.013

接收时间：2024-12-23
出版时间：2025-03-20
发布时间：2025-03-27

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收稿日期：2024-12-23
修回日期：2025-02-18

基金

国家自然科学基金(52371160)

国家自然科学基金(52471208)

国家自然科学基金(52171012)

国家自然科学基金(52471016)

国家重点研发计划(2024YFB3817600)

高等学校学科创新引智计划（111计划）2.0项目(BP0618008)

陕西省重点研发计划(2023-ZDLGY-21)

作者信息

1.甬江实验室先进智能材料研究中心，宁波 315202

2.西安交通大学前沿科学技术研究院，西安 710049

3.西安交通大学物理学院，教育部物质非平衡合成与调控重点实验室，西安 710049

4.北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京 100083

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表12种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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