簡(jiǎn)訊

“負(fù)混合焓固溶體”概念為解決合金“強(qiáng)度-韌性倒置矛盾”提供新策略

2024 年1 月4 日，北京工業(yè)大學(xué)/ 南方科技大學(xué)韓曉東教授團(tuán)隊(duì)在Nature發(fā)表題為“Negative mixing enthalpy solid solutions deliver high strength and ductility”的研究論文。

研究首次提出“負(fù)混合焓固溶體”合金設(shè)計(jì)概念，在合金內(nèi)引入多尺度異質(zhì)結(jié)構(gòu)，克服位錯(cuò)增殖能力差、位錯(cuò)密度低、加工硬化率低等問(wèn)題，突破難熔多主元合金強(qiáng)度-韌性倒置矛盾關(guān)系，解決了該類(lèi)合金室溫塑性差的科學(xué)難題，獲得強(qiáng)韌性居國(guó)際領(lǐng)先水平的難熔多主元合金。

混合焓是材料熱力學(xué)狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)，反映不同原子間的化學(xué)親和性，是衡量體系內(nèi)能的重要參數(shù)。當(dāng)合金的混合焓為0 時(shí)，合金的顯微結(jié)構(gòu)由熵決定，其通常呈現(xiàn)出理想固溶體結(jié)構(gòu)。加入負(fù)混合焓元素能夠打破該理想熵固溶體結(jié)構(gòu)，形成成分波動(dòng)/局域有序等局域性的負(fù)焓化學(xué)親和性團(tuán)簇異質(zhì)結(jié)構(gòu)，作者稱(chēng)之為負(fù)焓固溶體結(jié)構(gòu)。在負(fù)焓固溶體的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低混合焓，可將負(fù)焓固溶體結(jié)構(gòu)調(diào)控為金屬間化合物結(jié)構(gòu)，甚至是非晶結(jié)構(gòu)?；谠撛O(shè)計(jì)概念，作者在近理想固溶體——HfNbTiV 合金中添加Al元素，調(diào)控合金的固溶體結(jié)構(gòu)。因Al 與其他合金元素Al-M（M= Hf, Nb,Ti, V）具有負(fù)的混合焓，促使多級(jí)納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)在合金內(nèi)形成，從而制備出HfNbTiVAl10負(fù)焓固溶體合金。多級(jí)納米異質(zhì)界面能夠釘扎位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)并促進(jìn)位錯(cuò)以多系滑移和交叉滑移的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和增殖，同時(shí)還能夠作為晶內(nèi)位錯(cuò)源，產(chǎn)生超高密度位錯(cuò)。合金的加工硬化能力獲得明顯提升，最終獲得兼具高強(qiáng)度與大塑性的負(fù)混合焓多主元合金。該負(fù)焓固溶體合金設(shè)計(jì)準(zhǔn)則在不同結(jié)構(gòu)的多主元合金中獲得了證實(shí)，為設(shè)計(jì)兼具高強(qiáng)度和大拉伸塑性的合金提供了一種新策略和理論基礎(chǔ)，這一突破性進(jìn)展也為打破金屬材料強(qiáng)度與韌性倒置矛盾關(guān)系提供了新思路，有望推動(dòng)高強(qiáng)韌合金的發(fā)展。

HfNbTiVAl10合金的屈服強(qiáng)度約為1390 MPa，延性達(dá)約20%，其屈服強(qiáng)度與拉伸塑性的協(xié)同效果遠(yuǎn)超同類(lèi)合金。該優(yōu)異力學(xué)性能源于其具有跨亞納米至上百納米的多尺度化學(xué)成分波動(dòng)結(jié)構(gòu)?；谠映叨瘸煞址治?，作者首次揭示出原子尺度混合熵及混合焓分布，發(fā)現(xiàn)混合焓在-3.20～-9.83 kJ/mol間的高度波動(dòng)是其形成多尺度化學(xué)成分波動(dòng)的關(guān)鍵?；谠煌捷椛淅煸囼?yàn)，闡明該合金內(nèi)位錯(cuò)密度隨應(yīng)變持續(xù)增加至高密度（～5.15×1015m-2）保障了該合金高的、持續(xù)的加工硬化率。多尺度化學(xué)成分波動(dòng)可以連續(xù)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)位錯(cuò)以多系滑移和交叉滑移的方式運(yùn)動(dòng)和累積，從而使應(yīng)變硬化率在大應(yīng)變范圍內(nèi)保持高水平。

（本刊記者 逸飛）

中國(guó)科學(xué)院金屬所與澳大利亞團(tuán)隊(duì)合作制備出超塑性鈦合金

中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員楊柯、任玲團(tuán)隊(duì)與澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)教授邱冬團(tuán)隊(duì)合作，在前期開(kāi)發(fā)的高性能雙相核殼納米結(jié)構(gòu)Ti6Al4V5Cu 合金基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)并制備了具有多相納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的新型鈦合金。日前，相關(guān)研究成果以“Extraordinary superplasticity at low homologous temperature and high strain rate enabled by a multiphase nanocrystalline network”為題在線發(fā)表于International JournalofPlasticity。

據(jù)了解，超塑性成型技術(shù)有望解決復(fù)雜構(gòu)件的成型問(wèn)題，在航空航天等重要領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前多數(shù)金屬超塑性成型的溫度較高且應(yīng)變速率極為緩慢，這不僅增大了超塑性成型的能耗與時(shí)間，還使成型后的材料表面發(fā)生了嚴(yán)重的氧化，制約了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

研究團(tuán)隊(duì)研制的新型鈦合金利用基體中的納米β 網(wǎng)促進(jìn)微納米晶α晶粒間的滑移與傾轉(zhuǎn)，并利用沿α/β 相界釘扎的納米Ti2Cu 相提高該納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，全面提升材料的超塑性變形能力。這一組織設(shè)計(jì)使材料的超塑性變形溫度較Ti6Al4V 合金下降了約250℃，在750℃和應(yīng)變速率高達(dá)1 s-1的條件下，可以獲得超過(guò)900%的延伸率，意味著該材料超塑性變形的應(yīng)變速率較現(xiàn)有材料提高了2～4 個(gè)數(shù)量級(jí)。

在超塑性變形后，多相納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的新型鈦合金組織不會(huì)粗化長(zhǎng)大，解決了材料超塑性變形能力與組織熱穩(wěn)定性之間的固有矛盾，這對(duì)于推動(dòng)超塑性成型技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、遼寧省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和金屬所創(chuàng)新基金項(xiàng)目的支持。

左圖為原位SEM 觀察高溫拉伸過(guò)程中材料的超塑性變形機(jī)制。

（本刊記者 逸飛）

中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所開(kāi)發(fā)出新型聚酰亞胺氣凝膠

近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員周光遠(yuǎn)和副研究員聶赫然團(tuán)隊(duì)，在高性能聚酰亞胺氣凝膠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究方面取得新進(jìn)展。 相關(guān)成果以“Low shrinkage polyimide aerogels with excellent thermal insulation: Boosted by‘paddle-shaped’benzhydrylidenefluorenebased diamines”為題發(fā)表在ChemicalEngineering Journal上。

聚酰亞胺氣凝膠具有輕質(zhì)、耐高低溫、高比表面積、低導(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)勢(shì)，已成功應(yīng)用于航空航天、太空探測(cè)等領(lǐng)域。然而，采用商業(yè)化的二酐和二胺單體，通過(guò)溶膠-凝膠方式制備的聚酰亞胺氣凝膠，仍然存在收縮率高、尺寸穩(wěn)定性差等問(wèn)題，很難同時(shí)滿足低密度和低導(dǎo)熱系數(shù)，阻礙了其進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用。

該工作中，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了2 種新型基于二苯亞甲基芴結(jié)構(gòu)的“槳葉型”二胺單體，通過(guò)與二酐單體共聚，獲得剛性適中的聚酰亞胺氣凝膠材料。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該氣凝膠材料具有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性、高孔隙率、高比表面積，以及良好的熱性能。在200℃下加熱1 h，上表面溫度低于60℃，且導(dǎo)熱系數(shù)低至54.3 mW/（m·K），表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫隔熱性能。

該工作為設(shè)計(jì)隔熱性能優(yōu)異和尺寸穩(wěn)定的聚酰亞胺氣凝膠材料提供了新思路。

下圖為“槳葉型”二胺單體及聚酰亞胺氣凝膠特性。

（本刊記者 逸飛）

燕山大學(xué)研究揭示金剛石中非共格孿晶界面的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和遷移

2024 年1 月4 日，Nature雜志在線發(fā)表了燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高壓科學(xué)中心田永君院士團(tuán)隊(duì)的最新成果，論文題目為“Structural transition and migration of incoherent twin boundary in diamond”。研究人員系統(tǒng)地表征了納米孿晶金剛石中Σ3{112}/非共格孿晶界上共存的多種原子級(jí)構(gòu)型，并原位記錄了室溫條件下由位錯(cuò)介導(dǎo)的界面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和依賴(lài)于結(jié)構(gòu)的界面遷移行為。

研究人員使用球差校正掃描透射電子顯微鏡系統(tǒng)地表征了納米孿晶金剛石Σ3{112} ITB 原子分辨的界面結(jié)構(gòu)，并借助電子輻照荷電效應(yīng)所產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，研究了界面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和遷移過(guò)程及機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)，由于共價(jià)鍵的方向性和飽和性，以及sp2和sp3兩種雜化態(tài)的存在，納米孿晶金剛石中的Σ3{112} ITB 呈現(xiàn)多種構(gòu)型（兩類(lèi)——鏡面對(duì)稱(chēng)和非鏡面對(duì)稱(chēng)，各3 種），并表現(xiàn)出構(gòu)型相關(guān)的不同遷移方式：鏡面對(duì)稱(chēng)構(gòu)型可以進(jìn)行長(zhǎng)距離快速遷移，其結(jié)構(gòu)與行為特性與金屬材料中觀察結(jié)果類(lèi)似；而非鏡面對(duì)稱(chēng)構(gòu)型則以剪切耦合模式進(jìn)行短距離遷移。在應(yīng)力作用下，不同構(gòu)型的ITB 可以通過(guò)位錯(cuò)介導(dǎo)機(jī)制相互轉(zhuǎn)變，進(jìn)而影響界面的遷移模式；但非對(duì)稱(chēng)構(gòu)型與對(duì)稱(chēng)構(gòu)型之間的轉(zhuǎn)變涉及界面兩側(cè)剛體位移變化，受共格孿晶界的約束而具有較高的轉(zhuǎn)變勢(shì)壘。因此，納米孿晶金剛石中Σ3{112} ITB 主要以低能量、低遷移率的非對(duì)稱(chēng)構(gòu)型存在，即便在孿晶厚度低至約1 nm 時(shí)依然如此，從而導(dǎo)致了納米孿晶金剛石的持續(xù)硬化行為。

研究人員結(jié)合旋進(jìn)電子衍射和分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果，進(jìn)一步確認(rèn)了界面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變所需的激活應(yīng)力接近于金剛石中全位錯(cuò)啟動(dòng)所需的臨界剪切應(yīng)力，從而揭示了納米孿晶金剛石中Σ3{112} ITB 高穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)起源。這項(xiàng)工作進(jìn)一步闡釋了納米孿晶金剛石的持續(xù)硬化機(jī)理，也為研究其韌化和室溫塑性提供了新思路。

此外，它進(jìn)一步豐富了人們對(duì)材料界面及其行為的認(rèn)識(shí)，不僅提供了共價(jià)材料中界面室溫結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和遷移的直接信息，還為新型納米孿晶材料設(shè)計(jì)及強(qiáng)韌化策略實(shí)施奠定了理論基礎(chǔ)。

左上圖為納米孿晶金剛石中{112}非共格孿晶界的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變（a 為納米孿晶金剛石中典型晶粒形貌；b～e 為位錯(cuò)介導(dǎo)的界面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變）。

（本刊記者 逸飛）

新型智能材料可應(yīng)用于結(jié)構(gòu)智能減振技術(shù)

近日，大連理工大學(xué)教授董旭峰課題組在新型高性能磁流變液研究上取得突破性進(jìn)展，為重要工程結(jié)構(gòu)在復(fù)雜振動(dòng)環(huán)境下的智能減振提供一種綜合性能優(yōu)異的智能材料。相關(guān)的研究成果以“Balanced devil triangle: A satisfactory comprehensive performance magnetorheological fluids with cross-scale particles”為題發(fā)表在Advanced FunctionalMaterials上。

磁流變液是一種具有廣闊應(yīng)用前景的智能材料，特別適用于結(jié)構(gòu)智能減振領(lǐng)域。目前磁流變液的剪切屈服強(qiáng)度、沉降穩(wěn)定性和零場(chǎng)黏度等關(guān)鍵性能指標(biāo)之間存在相互影響，如何平衡這些關(guān)鍵性能指標(biāo)、開(kāi)發(fā)綜合性能優(yōu)異的磁流變液是制約結(jié)構(gòu)智能減振技術(shù)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，也是智能材料領(lǐng)域的研究前沿和熱點(diǎn)。

該團(tuán)隊(duì)基于跨尺度磁性顆粒開(kāi)發(fā)了綜合性能優(yōu)異的磁流變液，實(shí)現(xiàn)了剪切屈服強(qiáng)度、沉降穩(wěn)定性和零場(chǎng)黏度等關(guān)鍵性能指標(biāo)的平衡。研究采用直流電弧等離子體法制備具有高飽和磁化強(qiáng)度的FeCo納米顆粒，將其與微米羰基鐵顆粒按優(yōu)化比例復(fù)配，構(gòu)建一種新型的微納米顆粒雙分散磁流變液體系。相比于傳統(tǒng)微米羰基鐵粉磁流變液體系，微納米顆粒雙分散磁流變液體系的剪切屈服強(qiáng)度和沉降穩(wěn)定性都得到了極大的提高，同時(shí)零場(chǎng)黏度和再分散性沒(méi)有明顯的劣化，剪切屈服強(qiáng)度從52 kPa 提升到58.3 kPa，沉降穩(wěn)定性從60.1%提升到82.6%，零場(chǎng)黏度僅從0.87 Pa·s 升高到1.25 Pa·s，再分散性僅從1.3%增加到了1.5%。

該研究完美地解決了目前磁流變液關(guān)鍵性能指標(biāo)難以平衡的問(wèn)題，為結(jié)構(gòu)智能減振技術(shù)的應(yīng)用提供了高性能的智能材料。

下圖為微納雙分散體系磁流變液的沉降穩(wěn)定性和零場(chǎng)黏度提升機(jī)理。

（本刊記者 逸飛）

國(guó)家納米科學(xué)中心在亞納米材料普適性制備方面取得新進(jìn)展

近期，國(guó)家納米科學(xué)中心張勇團(tuán)隊(duì)聯(lián)合劉新風(fēng)課題組、鄭強(qiáng)課題組合作攻關(guān)，提出了三元協(xié)同球磨方法，將球磨極限推進(jìn)至亞納米尺度，實(shí)現(xiàn)了亞納米材料的普適制備。他們先以過(guò)渡金屬二硫族化合物為研究對(duì)象，確立了三元協(xié)同球磨方法的有效性。單次循環(huán)制備產(chǎn)率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為7.2%（二硫化鉬）和4.8%（二硫化鎢）。所得亞納米二硫化鉬/二硫化鎢橫向尺寸約為0.44 nm 和0.47 nm，厚度約為0.55 nm 和0.61 nm，從而證實(shí)了其亞納米尺度。與納米尺度和量子尺度相比，亞納米尺度能夠極大提升材料的熒光和非線性光學(xué)性能。他們?cè)僖允珵檠芯繉?duì)象，確立了三元協(xié)同球磨方法的普適性。同樣操作，單次循環(huán)制備產(chǎn)率質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.3%。所得亞納米石墨烯橫向尺寸約為0.54 nm，厚度約為0.37 nm，從而證實(shí)了其亞納米尺度（破缺單胞狀態(tài)）?？紤]到上述制備策略的機(jī)械/力學(xué)屬性以及單層石墨烯具有已知最高斷裂強(qiáng)度，亞納米石墨烯的成功制備證明了這一策略的高度普適性。亞納米材料普適制備的實(shí)現(xiàn)，展示了自上而下物理制造的極限能力以及破缺晶格的真正潛力，為研究非平衡亞納米材料的性質(zhì)和相互作用奠定了重要基礎(chǔ)，有望促進(jìn)亞納米材料的規(guī)模制備和全面開(kāi)發(fā)。

相關(guān)研究成果分別以“Sub-1 nm MoS2and WS2with extremely enhanced performance”和“Tailoring graphite into subnanometer graphene”為題發(fā)表在NanoToday和Advanced Materials上。制備方法已申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金，中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的支持。左圖為亞納米石墨烯物理制備。

（本刊記者 逸飛）