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具有多路徑變形能力的可折展力學超材料

自然界中普遍存在著可編程的“材料”，它們通過內(nèi)嵌的“開關(guān)”來實現(xiàn)自身形狀或運動方式的改變，從而實現(xiàn)特定功能或適應(yīng)特殊工況。例如，捕蠅草通過感應(yīng)外界環(huán)境來誘導葉面失穩(wěn)完成對昆蟲的捕捉，含羞草通過感應(yīng)外界激勵可以快速閉合葉片來實現(xiàn)主動保護。與此相比，傳統(tǒng)材料盡管支撐了人類文明幾千年的發(fā)展，但展示的是剛度和強度等被動的力學性能，不具有多模態(tài)和多路徑的變形能力，也難以進行適時自主調(diào)整。

最近，清華大學航天航空學院陳常青教授課題組提出了一個基于“鉸-桿”模型的通用設(shè)計框架，使力學超材料具有多模態(tài)、多路徑變形能力。利用外界激勵（如力、熱、光、電、磁等）所誘導產(chǎn)生變形的臨界閾值不同，使力學超材料實現(xiàn)了多步的順序變形，從理論上證明了n步變形的可行性。并以雙穩(wěn)態(tài)自折疊單元作為折疊鉸，通過改變尺寸來調(diào)控突跳閾值，進而構(gòu)建具有不同變形模態(tài)的基本單元（力學超材料元胞），實現(xiàn)了可折展力學超材料從一維到二維和從二維到三維的多步、多模態(tài)變形。

課題組采用雙材料增材制造技術(shù)，實現(xiàn)了具有可調(diào)雙穩(wěn)態(tài)性質(zhì)的自折疊單元，克服了可展力學超材料在實際應(yīng)用中不可恢復和無法重編程的難題，使其具備溫度誘導的可恢復變形能力和不同變形路徑間相互轉(zhuǎn)換的能力，豐富了可展力學超材料變形模態(tài)的設(shè)計空間。上述力學超材料還有望應(yīng)用于毫米級血管支架、多模態(tài)可重構(gòu)超材料、自折疊自組裝機器人、空間可展結(jié)構(gòu)、可變形建筑等領(lǐng)域。

相關(guān)研究成果以Deployable mechanical metamaterials with multistep programmable transformation為題發(fā)表在Science Advances上。左圖為多模態(tài)和多路徑變形的可折展力學超材料。

（本刊記者 雪松）

馬普所調(diào)控溶質(zhì)偏析和納米析出獲得超高強鋼

鋼是應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)金屬合金，盡管許多其他金屬合金表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學性能，然而，由于其成分中鎳、鈷等關(guān)鍵元素含量較高，成本昂貴，應(yīng)用受到嚴重限制。冶金學的最新趨勢是通過高合金化成分調(diào)整來實現(xiàn)新的機械性能，但可持續(xù)發(fā)展的目標鼓勵使用精益成分和納米結(jié)構(gòu)調(diào)整。

德國馬克思普朗克研究所A. Kwiatkowski da Silva 等提出了一種基于偏析的可持續(xù)鋼的替代策略，這種成分為Fe18Mn3Ti（質(zhì)量分數(shù)）超高強度鋼，不含關(guān)鍵元素，而是通過第二相納米沉淀使其強度變得超高，與低Co 等級的含鎳馬氏體時效鋼抗拉強度相似。

該合金在450℃左右的預定時效溫度下對成分波動不穩(wěn)定，這些波動是α-Mn 納米析出相形核的前驅(qū)體，可以降低基體中位錯的遷移率，從而使馬氏體基體發(fā)生沉淀強化。研究者通過加入質(zhì)量分數(shù)為3% Ti，使奧氏體在淬火和冷軋過程中轉(zhuǎn)變?yōu)棣?馬氏體，防止大量殘余奧氏體和ε-馬氏體，穩(wěn)定第二相α-Mn 析出相。這種策略，避免了在常規(guī)超高強度馬氏體時效鋼中添加Co 和Mo 等導致金屬間析出的關(guān)鍵元素。Mn 完全取代Ni，參與了奧氏體的穩(wěn)定和沉淀的形成。相關(guān)研究成果以A sustainable ultrahigh strength Fe18Mn3Ti maraging steel through controlled solute segregation and α-Mn nanoprecipitation為題發(fā)表在Nature Communications上。

（本刊記者 雪松）

上海硅酸鹽所在3D打印碳化硅陶瓷研究中取得新進展

碳化硅（SiC）陶瓷由于其易氧化、難熔融、高吸光，成為3D 打印陶瓷中亟待攻克的難題。目前大多數(shù)3D 打印SiC 陶瓷方法中打印材料固含量較低、硅含量較高、力學性能較低，普遍采用化學氣相沉積CVI 或者前驅(qū)體浸漬裂解PIP 等后處理工藝，提高材料固含量來實現(xiàn)陶瓷材料綜合性能的提升，這樣勢必降低3D 打印SiC陶瓷工藝的優(yōu)越性。

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所黃政仁研究員團隊陳健副研究員首次提出高溫熔融沉積結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)制備SiC 陶瓷新方法。該方法采用高溫原位界面修飾粉體，低溫應(yīng)力緩釋制備出高塑性打印體，獲得了低熔點高沸點的高塑性打印體，材料固含量超過60%（體積分數(shù)）；之后對塑性體進行高密度疊層打印，打印的陶瓷樣品脫脂后等效碳密度可精確調(diào)控至0.80 g/cm3，同時對陶瓷打印路徑進行拓撲優(yōu)化設(shè)計，可在樣品中形成樹形多級孔道；最終陶瓷樣品無需CVI 或PIP 處理，直接反應(yīng)滲硅燒結(jié)后實現(xiàn)了低殘硅/碳的高效滲透和材料致密化，SiC 陶瓷密度可達（3.05±0.02）g/cm3, 三點抗彎強度為（310.41±39.32）MPa，彈性模量為（346.35±22.80）GPa，陶瓷力學性能接近于傳統(tǒng)方法反應(yīng)燒結(jié)制備SiC 陶瓷。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Additive Manufacturing（d o i.o r g/1 0.1 0 1 6/j.addma.2022.102994）上，申請中國發(fā)明專利2 項。

（本刊記者 雪松）

NASA開展飛機“混合熱高效核心機”研究

據(jù)報道，美國航空航天局（NASA）的研發(fā)人員正在為下一代單通道飛機設(shè)計一種新的噴氣發(fā)動機，與目前的發(fā)動機相比，推力相當、外觀相同，但更省油。

“混合熱高效核心機”（HyTEC） 是NASA 于2021 年6 月啟動的項目，面向下一代單通道飛機，開發(fā)小型渦扇發(fā)動機核心機，提高發(fā)動機燃油效率。該項目還包括混合動力研究，開發(fā)從發(fā)動機中提取更多電力的方法，為其他機上系統(tǒng)提供電力，這可以像混動汽車一樣提高燃油效率。HyTEC 的目標是相關(guān)技術(shù)未來10 年內(nèi)投入應(yīng)用。NASA 格倫研究中心HyTEC 項目負責人Anthony Nerone 表示，小型核心發(fā)動機的目標是燃油消耗減少5%～10%。

HyTEC 研究工作的關(guān)鍵是發(fā)動機涵道比。HyTEC 項目將大幅提高涵道比，達到15。為保持發(fā)動機推力，進入核心機的空氣的壓力和溫度將增加。由于目前發(fā)動機的結(jié)構(gòu)材料無法承受這種壓力和溫度，項目正在開發(fā)新的更耐用的材料，如陶瓷基復合材料和保護涂層。這些材料必須在實驗室中進行測試和驗證。

研究人員目前正在NASA 格倫研究中心的材料實驗室和合作伙伴開展研發(fā)和測試，以確保新材料能夠承受高溫高壓，并且足夠耐用。采用較小的發(fā)動機核心機，還需要對新的技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)計進行研究和試驗。在完成部件驗證后，HyTEC 團隊將與工業(yè)界合作伙伴合作，制造一臺小型核心機，并開展運行試驗，研究從小型核心機發(fā)動機中可以提取多少電力。

HyTEC 項目完成小型核心機技術(shù)驗證后，NASA計劃與發(fā)動機公司合作，使小型核心機技術(shù)比計劃更快投入使用，以便其應(yīng)用于21 世紀30 年代中期的飛機。下圖為核心機示意圖。

（本刊記者 雪松）

鋁合金熱穩(wěn)定化研究取得重要進展

時效析出強化是高強鋁合金一種重要的強韌化手段，其本質(zhì)是溶質(zhì)原子擴散控制的固態(tài)相變行為，而鋁合金中置換型溶質(zhì)原子擴散與空位遷移密切相關(guān)，因此經(jīng)典時效析出理論認為過飽和空位起到了不可或缺的促進作用。室溫下溶質(zhì)脫溶的熱穩(wěn)定性不足，以及晶內(nèi)位錯存儲匱乏的塑性變形能力不足，成為制約超細/納米晶鋁合金工程化應(yīng)用的兩大瓶頸問題。單純從理論上考慮，空位濃度最小化是解決該瓶頸問題的可能途徑，即在細化晶粒的同時盡量消除空位，使空位對溶質(zhì)擴散的牽引力趨近于0。但是在實際應(yīng)用中，消除空位幾乎是無法實現(xiàn)的。

針對上述問題，西安交大金屬材料強度國家重點實驗室孫軍院士團隊提出了采用超高空位濃度來穩(wěn)定納米鋁合金中溶質(zhì)原子的新策略。不同于以往消除空位以穩(wěn)定溶質(zhì)原子的傳統(tǒng)觀點，他們基于強結(jié)合溶質(zhì)原子-空位復合體的微觀組織設(shè)計思想，通過在原子層次解析溶質(zhì)原子-微合金化元素-空位之間的交互作用，借助第一性原理的計算模擬與分析，選用團隊具有研究特色的Al-2.5%Cu-0.3%Sc（質(zhì)量分數(shù)）合金作為模型材料，在液氮溫度下采用高壓扭轉(zhuǎn)方法制備了納米晶合金(AlCuSc-C)；同時歸因于低溫抑制熱激活效應(yīng)，以及Sc 微合金化元素對空位的強力捕獲作用，獲得了超高濃度的空位(原子分數(shù)～0.2%)，與常規(guī)大變形制備的鋁合金相比提高了近2 個數(shù)量級，自發(fā)形成了具有極強結(jié)合力的、熱力學上穩(wěn)定的(空位-Cu-Sc- 空位) 原子復合體，均勻彌散而且穩(wěn)定地分布在納米晶晶粒內(nèi)部，有效地阻止了Cu 向晶界擴散、偏聚和析出。這種雙空位與Cu 和Sc 原子形成的原子復合體顯示出了極好的熱穩(wěn)定性，230℃、時效50 h 條件下，在AlCuSc-C 合金中未觀察到晶內(nèi)或晶界的第二相顆粒析出。

相關(guān)研究成果以Freezing solute atoms in nanograined aluminum alloys via high-density vacancies為題發(fā)表于Nature Communications上。 （本刊記者 雪松）

高分子-金屬連接界面研究取得新進展

近日，上海交通大學材料科學與工程學院焊接所王敏教授、陳科副教授課題組通過多尺度表征方法，闡明了高分子與金屬的界面反應(yīng)機制，揭示了高分子-金屬界面結(jié)構(gòu)及宏/微觀結(jié)合機理。

研究團隊以應(yīng)用于5G 通信光纜金屬鎧裝層中的鋼塑復合帶為研究對象，對復合帶中乙烯丙烯酸與鍍鉻鋼的界面結(jié)構(gòu)、化學反應(yīng)及結(jié)合機理開展研究。對覆膜鍍鉻鋼界面結(jié)合機理的主流認識是氫鍵結(jié)合，但是，一直以來缺乏試驗證據(jù)。在這項工作中，作者利用ToF-SIMS 深度剖析技術(shù)給出了氫鍵結(jié)合的直接試驗證據(jù)。在此基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了一種共價鍵合的界面結(jié)合新機制：乙烯丙烯酸中羧基與鍍鉻鋼表面Cr2O3之間化學反應(yīng)形成-(O=)C-O-Cr 單齒鍵合和-C-(O-Cr)2雙齒鍵合。并首次對共價鍵和氫鍵對界面結(jié)合的貢獻進行了評估和比較。結(jié)果表明，共價鍵占據(jù)主導地位。

這項研究通過多尺度分析，為面向5G 通信光纜應(yīng)用的鋼塑復合帶成型工藝優(yōu)化、尋找新的高分子替代材料從而開發(fā)新型復合帶提供了理論基礎(chǔ)。

該成果以Chemical reaction and bonding mechanism at the polymermetal interface為題發(fā)表在ACS Applied Materials &Interfaces上。

（本刊記者 雪松）

南工大揭示鈦合金斷裂動態(tài)再結(jié)晶及相變機制

β-Ti 合金良好強韌性主要是由于變形過程中同步激活的多種變形機制，包括位錯滑移、孿晶誘導塑性（TWIP）、相變誘導塑性（TRIP）。目前β-Ti 合金的變形機制已有大量研究，但是其斷裂機制卻極少受到關(guān)注。在前期工作中，南工大研究團隊已經(jīng)發(fā)現(xiàn)Ti-12Mo 合金在準靜態(tài)拉伸斷裂過程中，剪切帶內(nèi)的劇烈塑性變形可以使鈦合金剪切帶內(nèi)的溫度瞬間上升至1250～2450℃，導致斷口附近出現(xiàn)局部熔化及動態(tài)再結(jié)晶。

針對該合金斷裂過程中的動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，南京工業(yè)大學輕質(zhì)材料中心與比利時法語天主教魯汶大學、安特衛(wèi)普大學合作，通過FIB 在Ti-12Mo合金斷口的不同區(qū)域切透射樣品，隨后采用透射電子顯微鏡中配備的旋進電子衍射技術(shù)（自動晶體取向成像，ACOM-TEM，通過標定衍射斑獲得納米晶取向）揭示Ti-12Mo 斷裂過程中的動態(tài)再結(jié)晶機制。相關(guān)論文以Shear banding-activated dynamic recrystallizationand phase transformation during quasi-static loading of β-metastable Ti-12 wt%Mo alloy發(fā) 表 在Acta Materialia上。

在本試驗中，首先在合金斷口表面至芯部4 個不同位置切透射樣品，這4個區(qū)域分別對應(yīng)斷裂的不同階段。通過分析不同區(qū)域內(nèi)等軸晶粒內(nèi)部的取向變化，可以判斷連續(xù)再結(jié)晶是斷裂過程中的主要再結(jié)晶機制。在絕熱剪切帶拓展的最初階段，由于切變應(yīng)力較小且溫度升高較小，表面晶粒會逐漸旋轉(zhuǎn)并與切邊方向平行，同時產(chǎn)生一定量的動態(tài)回復。而隨著切應(yīng)力的不斷增大及溫度升高，斷口表面會出現(xiàn)連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶，形成等軸納米晶，同時再結(jié)晶區(qū)域的ω 析出相會首先溶解并再次析出。

以上發(fā)現(xiàn)豐富了β-Ti 合金的斷裂機制的認識。左圖為Ti-12Mo 合金斷裂過程中的動態(tài)再結(jié)晶機制。

（本刊記者 雪松）

最新研究：電子束熔化和選區(qū)激光熔化Ti6Al4V 的關(guān)鍵區(qū)別

增材制造（AM）Ti64材料通常易受到微觀結(jié)構(gòu)的影響，AM 工藝引起的缺陷會改變機械性能或破壞耐腐蝕性。由于每種工藝產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)不同，材料的機械性能可能會有很大差異。即使在相同技術(shù)和相似工藝參數(shù)生產(chǎn)時，由于AM 工藝的高度可變性，材料結(jié)構(gòu)和響應(yīng)也會有很大差異。

美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的一項最新研究通過比較電子束熔化成形（EBM）制備的Ti64 試樣與不同參數(shù)下選區(qū)激光熔化（SLM） Ti64 試樣的拉伸性能，評估哪些微觀結(jié)構(gòu)特征對AM Ti64 的屈服強度、均勻伸長率和斷裂發(fā)生最為關(guān)鍵。相關(guān)論文以Critical differences between electron beam melted and selective laser melted Ti–6Al–4V為題發(fā)表在Materials & Design上。

研究者使用不同尺寸金屬粉制備試樣，分別為粗粉（CP）、細粉（FP）和具有較厚矩形板幾何形狀的細粉（FPT），評估了不同方法制備的Ti64 的拉伸性能，并對用粗粉構(gòu)建的EBM Ti64 進行了詳細的微觀結(jié)構(gòu)分析，與SLM Ti64 的微觀結(jié)構(gòu)進行比較。當總孔隙率較低時，構(gòu)建方向?qū)ρ诱剐院褪?yīng)變的影響較低，這是因為織構(gòu)和原β 晶粒形態(tài)對延展性的影響不如Ti64中保留的β 相和板條α 相的影響。雖然EBM Ti64 與SLM Ti64 相比在延展性方面存在一定改善，但從設(shè)計的角度來看，除非進一步改善孔隙率，否則不能認為EBM 材料具有更高的拉伸性能。在EBM 試樣中，粗粉樣品和細粉樣品表現(xiàn)出相似的平均延展性和強度，但性能上分散度很大。

（本刊記者 雪松）