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机械工程学会摩擦学分会 固体润滑国家重点实验室 摩擦学学报
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学科探索

三院士领衔《PNAS》！10分钟打造强塑双优的异质结构合金，颠覆传统加工范式 2025-08-19 ; 实现高强度与高延展性的协同突破一直是结构材料设计的核心挑战。对于含有脆性金属间化合物的多主元合金（MPEAs），强-塑性难以兼得常受限于B2相的早期脆断行为。尽管前人通过引入纳米析出相或梯度结构等方式实现局部改善，但往往面临处理复杂、成本高昂、难以规模化等问题，尤其在存在脆性金属间相的高熵或多主元合金（MPEAs）体系中，强-塑性权衡问题尤为突出。 由上海大学时培建教授为第一兼通讯，香港城市大学刘锦川院士，清华大学高华健院士、香港城市大学朱运田院士和上海大学钟云波教授为通讯作者，以及北京大学、北京科学智能研究院、新加坡科技研究局高性能计算研究院、香港大学与香港科技大学等多家重磅单位的研究人员，强强联合组成的豪华团队，在《PNAS》期刊发表了题为“Strong, ductile, and hierarchical hetero-lamellar-structured alloys through microstructural inheritance and refinement”的研究论文，该工作创新性提出了一种基于组织继承与快速热处理的层级异质结构设计策略，在仅需10分钟退火的条件下，即实现了超越以往复杂处理工艺的强度-延展性协同性能极限，为高性能结构材料的快速制备提供了新的范式。 文章链接： https://doi.org/10.1073/pnas.2409317121 【核心内容】 这项研究通过简单的冷轧和10min退火的方法在三相Al0.7CoCrFeNi多主元合金中制备出了层级异质层片结构（HLS），团队提出的这一优化方案相较于其他方案，无论是工艺简易程度亦或是成本上都要更加出色，且这一优化策略取得了显著的成果，屈服强度和延伸率分别提升到了1.07GPa和20.5%，实现了力学性能跨越式的优化，将这一性能组合与已被报道的Al0.7CoCrFeNi性能组合对比，取得了明显的优势，就目前而言，这一“强-塑组合”超过了目前关于Al0.7CoCrFeNi多主元合金的其他性能组合报道。 高熵合金应力演化与相变的多方法定量评价 【研究方法】 作为典型的三相多主元合金体系之一的Al0.7CoCrFeNi合金，其在铸态下会在自发形成FCC/BCC/B2三相层片结构，团队将这一结构特征作为结构基础，采用定向冷轧工艺使原始的层片结构沿轧制方向（RD）拉伸并在厚度方向（TD）实现晶粒细化和亚结构的引入。轧制后的样品在1000℃下退火10min后内部发生再结晶，得到了一种多尺度协同存在的HLS结构。 作者采用了多种表征手段对样品的晶体取向、晶界特征、元素分布以及原子尺度的析出行为和应力分布进行了系统分析，揭示了微观组织演变及其对性能的影响，通过加载-卸载-再加载（LUR）实验和原位SHE-XRD测量定量追踪了异质变形诱导（HDI）应力的演化和各相之间的应力分配关系，进一步揭示了其强化机制。 铸态与处理后Al0.7CoCrFeNi合金的多尺度层片结构演化过程 【研究成果】 ① 力学性能提升 该合金在退火仅10分钟后就表现出了1072±22MPa的超高屈服强度和20.5±1.2%的优异延伸率，力学性能显著优于目前已报道的该体系合金最优异的性能水平。 不同处理路径合金的力学性能对比与应力-应变曲线 ② 强化与变形机制解析 HLS结构中产生了高达610MPa的异质变形诱导（HDI）应力，不仅在FCC相中形成大量位错堆积、层错与纳米孪晶，更在B2相中激发出<111>型滑移系，显著改善了其本征脆性问题，这种多尺度和多机制的协同作用共同赋予了材料的高应变硬化能力和塑性。作者基于第一性原理计算还证实了该合金体系中FCC相的层错能高达3 mJ/m²，理论上并不容易发生孪生，但由于高HDI应力的推动，仍成功激发了大规模的纳米孪晶行为。 层级结构高熵合金的多相缺陷协同演化机制 层级高熵合金多尺度缺陷结构与双相变形耦合机制 ③ 额外韧化机制：裂纹缓冲与延迟断裂 HLS结构中双相层片协同塑性变形形成了有效的裂纹缓冲区，即使在B2相中能够观察到在断裂端附近存在许多的微裂纹，但其强双相异质变形的片层区可以有效地抑制从相邻的弱片层区和非片层区侵入的一些较大且较长的裂纹的生长/扩展，裂纹尖端被层片结构阻挡而难以扩展或聚合，从而显著推迟了整体破坏的发生。 铸态与处理后样品中微裂纹形成与扩展行为对比 【总结与展望】 在这项工作中，团队提出了一种微观结构的多尺度设计策略，其创新性地以“继承”的方式，基于铸态的三相层状结构进行精准调控，通过快速且简单的工艺方案成功实现了高强高塑的协同突破，这一项研究不仅仅刷新了关于Al0.7CoCrFeNi;MPEA体系报道的力学性能上限，也为其他多相合金体系提供了结构优化的思路。
高校联合研发出“宇宙面纱”创新涂层，可抵御太空辐射 2025-08-19 ; 英国萨里大学、牛津大学、澳大利亚新南威尔士大学及韩国庆尚国立大学等机构科学家合作，研发出一种名为“宇宙面纱”的创新涂层，有望显著提升钙钛矿太阳能电池在太空环境中的耐久性，为研制更轻便、更经济、更高效的航天器太阳能系统开辟了新途径。相关研究成果发表于最新一期《焦耳》杂志。 作为新一代太阳能技术的代表，钙钛矿太阳能电池不仅重量轻、成本低、使用寿命长，其制造工艺也比传统太阳能电池更简便。然而，这种电池在极端的太空环境中仍面临严峻挑战。 为解决这一技术瓶颈，研究团队利用碘化丙烷-1,3-二铵（PDAI2）材料研制出一种超薄防护涂层。 研究团队表示，钙钛矿太阳能电池在太空应用领域前景广阔，但太阳系内无处不在的宇宙辐射始终是重大威胁，特别是对电池中的有机分子结构影响尤为显著。此次研制的“防护衣”能有效保护这些精密部件，延缓其性能衰减。 为验证涂层效果，研究团队设计了模拟实验：将穿上“宇宙面纱”的处理组和对照组电池样本置于高强度质子辐射环境下，这相当于在近地轨道运行20余年所承受的辐射量。结果显示，采用新型涂层的电池组表现出色，防护层通过抑制有害化学反应，使电池效率下降幅度明显减小，内部结构损伤迹象也大幅减少。 研究团队解释说，PDAI2涂层的奥秘在于，它能稳定易分解的分子结构，防止其转化为氨气或氢气等挥发性物质，从而避免电池性能受损。（科技日报）
Nature子刊：局部有序氧结构Ti5553合金，1.7GPa超高强塑性与疲劳强度 2025-08-08 ; 在航空航天应用中轻量化设计目标的推动下，解决强度和延展性之间固有的权衡困境，以及探究疲劳强度和强度-延展性之间的模糊关系，一直是实现高性能钛（Ti）合金的重大挑战 。控制间隙氧 （O） 的添加已成为增强钛合金机械性能的变革性策略。间隙O不仅通过间隙固溶强化，还通过影响亚稳态相（ω、α'和α“等）的形成和定性来增强 Ti 合金的强度。钛合金可以保持较好的延展性，但将延展性保持在高强度水平仍然很困难。此外，由于高 O 含量下疲劳寿命严重下降，对高 O 含量 Ti 合金抗疲劳性能的研究受到限制。因此，解决O偏析问题对于实现高O含量高强度和延展性钛合金的工业化，以及揭示其在航空航天和其他苛刻应用领域的潜力至关重要。 化学局部有序（LRO）结构包含化学短/中程有序（SRO/MRO）结构，可以通过改变位错剪切模式来协调变形，从而促进加工硬化并增强金属材料的抗疲劳性能。 近日，长安大学联合西北有色研究院副总工程师赵永庆教授团队 通过粉末冶金短工艺制备的广泛使用的 Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr（Ti-5553）商业亚稳态钛合金，将 0.36 wt%的 O 引入到大尺度材料（长度 6 m 以上，直径 16 mm）。 LRO-O结构增强抗疲劳性，实现了强度、延性和疲劳强度的三种性能协同作用。该论文于2025年8月4日在Nature子刊中在线发表。 文章链接： https://doi.org/10.1038/s41467-025-62646-5 【核心内容】 该 研究 将间隙O原子被定制为Ti-5553-0.36O合金中的LRO-O结构，旨在减少甚至消除O偏析，并抑制界面处的裂纹成核。该结构通过促进<c>型位错的形成，实现交叉滑移，在拉伸变形下将滑移由平面转变为波浪形进行塑性流动均质化，并将<c>型位错相互作用与孪生和主导平面滑移相结合，增强抗疲劳性。 该合金具有高强度 （1.7 GPa）、伸长率（7.9%）和疲劳强度（1058.3 MPa），优于许多高强度、高O的Ti合金。该研究结果为钛合金提供了一条可扩展的实用途径，无需昂贵的合金元素即可获得卓越的机械性能。 单轴拉伸和高周疲劳性能 【研究方法】 该 研究 中的Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-xO（x = 0.22 wt%和 0.36 wt%）合金是通过粉末冶金方法从制备的粉末混合物中合成的。粉末为含约0.15 wt%和0.3 wt%O 的氢化脱氢Ti 粉末、Al-Mo母合金粉末、纯V和纯Cr粉末 。 使用TEM和APT检测了O在原子尺度上显微结构，并在EBSD和TEM中进行 原位拉伸试验。 【研究成果】 ① 短/中程氧有序显微组织 该0.36 O合金的显微组织表现出明显的层状结构，αP相具有明显的链状形貌。合金的三维重建揭示了 4At.%O 的O等浓度表面表明O在合金的α相中相对均匀地分散，其分布表现为纳米级的 LRO 结构。 0.36 O合金中LRO-O，含短/中程 O（SRO-O/MRO-O）的显微组织和特征 ②;原位拉伸测试 该研究发现5%应变下明显存在交叉滑移，而10%应变下拉伸载荷超过了附加滑移系统的临界分离剪应力，αP晶粒中出现额外的滑移线。其中LRO-O结构通常促进晶粒内均匀位错分布。此外，交叉滑移或多滑移系统的激活可以局部增加 GND 密度，而不会显著改变晶体取向，从而保持相对较低的 KAM 和 GOS 分布。因此，0.36 O合金表现出优异的变形均匀性，能够承受极端的塑性变形。 0.36 O合金在室温下的原位拉伸试验 ③ 强度-延展性-抗疲劳匹配机理 αP 相的位错与MRO-O结构相互作用，导致拉伸变形过程中形成SRO-O结构。 变形晶粒受到SRO-O结构的影响，应变硬化效应明显，增加了相邻晶粒之间的应力梯度，从而促进滑移传递。 0.22 O合金的失效归因于变形孪生和位错积累，其 仅靠孪生无法承受不断增加的应力，导致应力集中加剧，内部裂纹的萌生。 在 HCF 试验过程中，0.36 O合金α相的交叉滑移受到显著抑制，并且α相在交变应力下各向异性应力分布引起多向平面滑移增强。而 LRO-O 结构的存在有效地抑制了循环加载过程中的位错横滑，并进一步促进了从波浪状位错滑移到平面位错滑移的转变。该转变有助于减轻合金中表面变形和微裂纹的扩展。 0.36 O合金拉伸变形后的位错和间隙O特性 0.36O 合金高周疲劳断裂后的变形特性 【总结与展望】 该项研究通过 掺入氧定制 纳米级局部氧有序结构 LRO-O ，这 种直接增强合金设计的方法，具有全面的高性能，并且可以很容易地扩大规模以应用于大型复杂结构部件;因此， 研究结果 为金属材料的未来发展提供了重要的见解，同时 为钛合金提供了一条可扩展的实用途径，无需昂贵的合金元素即可获得卓越的机械性能。
MRL：强度提升280%！微合金化实现钛合金强塑平衡最大化 2025-08-07 ; 在航天航空，汽车能源等领域，轻质高强的钛合金一直是金属材料构件的主流选择之一。凭借着其优异的耐腐蚀性能，钛合金在海洋、生物等领域同样大放异彩。但钛合金的优化经常要面临着在强度与塑性之间做选择，例如，目前已知可以通过O、N等间隙原子通过间隙强化提高钛合金的强度，但其塑性却会大幅度降低。 2025年7月24日国际期刊《Materials Research Letters》上在线发表了一篇题为“Microalloying as a key strategy to maximize the strength–ductility combination in dilute titanium alloys”的研究论文，报道了通过少量铼（Re）进行微合金化，从而激活纳米β相的析出强化机制，实现了2.8倍的屈服强度提升，并且依然保持有34%的高延伸率。 文章链接： https://doi.org/10.1080/21663831.2025.2536654 【核心内容】 在该项研究中，团队没有选择传统钛合金的“β基+α析出”的优化策略，而是创新性地提出在α-Ti中诱导出富Re的纳米β析出相，并通过系统表征揭示了其对位错运动与应变硬化行为的调控作用。结论显示这些细小的β析出物以纳米级尺寸弥散分布于α晶粒内部，形成了稳定的双相组织结构，同时因为Re元素其独特的电子结构，使得析出的β相具有极低的形成焓、优异的热力学稳定性以及高剪切模量和高GSFE能垒，从而在变形过程中显著提升了位错运动的难度，这类纳米β析出物不仅提供强化效应，还有效抑制了位错滑移的均匀化发展，增强了应变硬化能力，使得合金能够维持高的塑性水平。 图形摘要 【研究方法】 研究团队以纯Ti为基体，系统研究了0.1至10 wt.% Re含量的Ti–Re合金，通过熔炼、热处理（950 ℃均匀化1 h）、冷轧与820 ℃再结晶处理10 min等步骤制备微观结构均一的等轴再结晶组织，热处理冷却方式均为水冷，并结合DFT计算对β相的稳定性与力学性能进行原子尺度解析。 合金的制备过程及其最终淬火前在热力学稳定相图上的位置 【研究成果】 ① 实现2.8倍屈服强度提升，延展性依然高达34% 拉伸测试结果显示，Ti–0.5Re合金的屈服强度高达439 MPa（对比纯Ti为156 MPa），同时延伸率保持在34%。在超低合金元素含量条件下实现高强高延展的协同提升，在以往研究中较为罕见。 主要力学性能随Re含量的变化 ② 纳米级β相析出+显著晶粒细化带来协同强化机制 通过XRD、EBSD与TEM分析研究揭示，在Re添加量为0.1–0.5 wt.%区间时，材料内部形成两类β相：一类为晶粒内部的细长条状纳米β析出物，另一类为晶界上的楔形β粒子，其结合晶粒尺寸的急剧减小（从80µm降至4µm），实现了位错运动的强烈抑制与应变硬化能力的保持。 纯Ti和Ti-Re合金在再结晶状态的XRD结果 再结晶态纯Ti与Ti-Re合金的EBSD双模分析（IPF-IQ） Ti–Re合金在不同Re含量下的微观结构演化 ③ DFT理论计算揭示Re在β-Ti中具备超强稳定性与优异弹性性能 通过第一性原理计算，团队发现Ti–Re体系的β相形成焓远低于Ti–Fe、Ti–Nb等常规β稳定剂合金，同时具备最高的杨氏模量、剪切模量与最大堆垛层错能（GSFE），意味着在极低含量下即可形成热力学稳定、抗塑性变形能力强的强化相。 不同Ti–TM β合金的GSFE曲线 【总结与展望】 该研究以微合金化设计为出发点，首次提出利用Re这一强β稳定剂在α–Ti基体中形成纳米β析出相的“逆向析出强化”机制，为低成本、高性能钛合金的设计开辟了新路径，这种β析出的优化策略可以认为是一种新的钛合金基于塑性保持的强化机制。
《Acta Materialia》：三维原子探针揭示锆合金纳米结构奥秘！ 2025-08-05 ;锆合金是核反应堆中广泛采用的燃料包壳材料，其服役性能在很大程度上依赖于微观组织中的第二相粒子。第二相的成分与分布特征直接影响锆合金的力学性能与耐腐蚀行为。近年来，在;Zr-Nb-Fe;体系中，金属间相的准确识别长期存在争议。本研究结合三维原子探针（APT）、扫描透射电子显微镜（STEM）、透射菊池衍射（TKD）以及密度泛函理论（DFT）计算，证实此前普遍认为的Zr(Nb,Fe)₂相更可能为Nb含量约为35 at.%的(Zr,Nb)₃Fe金属间相。研究计算了;β-Nb/α-Zr、(Zr,Nb)₃Fe/α-Zr;界面及晶界处的界面过量。结果显示，Fe;在β-Nb;析出相与α -Zr;基体的界面处发生明显偏聚；Fe、Sn;和;Nb;在α -Zr;晶界处也表现出偏聚行为；而在β-Nb/ α -Zr;界面上未观察到;Sn;的偏聚，在金属间相/ α -Zr;界面及晶界处则观察到轻微的;Sn;偏聚。 近日，悉尼大学Julie Cairney教授团队在金属材料领域顶刊《Acta Materialia》发表研究论文，题为“Atomic distribution of alloying elements and second phase particles(SPPs) identification in Optimised ZIRLO”，该研究利用三维原子探针技术，深入揭示了先进锆合金中合金元素分布与第二相颗粒的纳米结构特征。黄思煜博士为第一作者，Julie Cairney教授为论文通讯作者。该成果为理解优化型;ZIRLO;合金中第二相类型、晶界偏聚行为及其对力学性能与耐腐蚀性的影响提供了关键的原子尺度证据，不仅澄清了长期存在的金属间相结构争议，还为后续先进核用锆合金的设计与性能优化提供了重要参考。 论文链接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121365 ; ; ; ; 核心创新点 澄清第二相争议：首次在原子尺度上明确优化型;ZIRLO;合金中主导金属间相为;(Zr,Nb)₃Fe，相较传统认知的;Zr(Nb,Fe)₂，更符合成分与热力学稳定性。 多尺度联合表征：通过APT/STEM/TKD联用，实现对第二相结构、界面行为与溶质分布的精细解析，结合DFT计算提供理论支撑。 揭示界面偏聚机制：量化了β-Nb;和金属间相与α-Zr界面的Fe富集现象，并系统分析Fe、Sn、Nb、Cr在晶界处的偏聚特征。 ; 图1：（a）BC图；（b）TKD Z方向反极图；（c）优化ZIRLO;薄片的TKD局部取向偏差图，叠加在;BC;图上展示。子晶角度设置为;2°，其中绿色表示晶界偏差角在;2–15°之间，蓝色表示偏差角大于;15°;的高角度晶界。 图2：(a);优化ZIRLO的STEM HAADF图像，图中标注了氢化物的位置；(b)和(c)分别为图;2(a);中;Fe;和;Nb;的;EDS;元素分布图；(d);为图;2(a);中标注区域;1;的;STEM HAADF;图像；(e);和;(f);分别为图;2(d);中;Fe;和;Nb;的;EDS;分布图，显示为;β-Nb;相；(g);为图;2(a);中区域;2;的;STEM HAADF;图像；(h)和(i)分别为图2(g)中Fe和Nb的EDS分布图，显示同时存在β-Nb相和金属间相。(j)–(l);为三种典型相的原子分辨;STEM-HAADF;图像，分别对应：(j) [110]方向观察下的六方密排;(HCP) α-Zr；(k) [111]方向观察下的体心立方;(BCC) β-Nb；(l) [110]方向观察下的;Zr-Nb-Fe;金属间相，索引为正交晶系;Cmcm;空间群结构。图中插图为图像的二维快速傅里叶变换（FFT），用于确定晶体取向。其中(l)图像所示的金属间相为图2(i)中分析的同一颗粒。 图;3：三维原子探针重构图：(a) Zr、(b) Nb;和;(c) Fe;离子的分布，数据采集自;Invizo 6000；(d);和;(e);分别为;N1;和;N2;析出相的局部放大图，展示;Fe;在;β-Nb;与;α-Zr;基体界面处的偏聚行为。(e);中的;Fe;以球形渲染以增强可视性。 图4：α -Zr基体与β-Nb析出相界面的STEM分析图：(a) HAADF;图像；EDS;元素分布图(b) Zr，(c) Nb，(d) Fe。 图5：一个金属间相的三维重构：(a) Zr、(b) Nb、(c) Fe、(d) Sn;和;(e) Cr，Invizo 6000采集数据。 图6：(a) Fe;原子的重构位置图，展示了高角度晶界;GB1;以及从其延伸出的低角度晶界；(b) Fe;原子在晶界区域的俯视图，图中黑色斑点表示远离晶界的;Fe;原子团簇。(a);图中的黑色箭头指示了;(b);图所对应的观察方向，反之亦然。蓝色箭头表示低角度晶界的取向角度，红色箭头标出了采集中因多通道板污染产生的“热点”像素。该热点像素已在后续微区分析中完全剔除，不影响数据分析结果。 本研究通过原子尺度的高精度分析，系统厘清了优化型;ZIRLO;合金中第二相的真实成分及其与晶界之间复杂的界面行为。这不仅为Zr-Nb-Fe;合金体系中长期存在的金属间相认知争议提供了关键证据，也进一步强调了;Fe、Nb、Sn;等溶质元素在晶界和相界处的偏聚行为对材料服役性能的深远影响。 研究结果显示，Fe;在;α-Zr;基体中溶解度极低，因而具有强烈的偏聚驱动力，这种界面富集行为有助于增强晶界强度并改善耐腐蚀性能。同时，通过;DFT;热力学分析揭示的;(Zr,Nb)₃Fe;相形成倾向，为今后锆合金第二相设计提供了理论依据。 这些成果不仅为核工业中锆合金的组织调控与性能提升提供了重要指导，也展示了三维原子探针结合多尺度表征和第一性原理计算在先进核材料研究中的巨大潜力。未来，结合服役环境下的辐照行为、氢迁移机制等研究方向，将进一步推动对锆合金性能演化机制的深入理解，加速新一代高性能核燃料包壳材料的开发进程。
《scripta materialia》：超短时热处理实现2GPa高强兼具塑性的中熵合金！ 2025-07-31 ; 近日，辽宁材料实验室、江苏大学、南京理工大学联合在高水平期刊《scripta materialia》上发表题为“Ultrafine;κ-Phase and De-Faulting Mechanisms Enables 2 GPa Strength with Ductility in a VCoNi Alloy via Ultra-fast Heat Treatment”的学术论文，陈雪飞研究员、罗锐副教授、周浩研究员为共同通讯作者。 前言 中高熵合金（M/HEA）因其特殊的设计理念和独特的力学性能受到广泛关注。不同于传统合金，M/HEA;的强化源于本征机制：显著的晶格畸变（源于原子尺寸失配）和纳米尺度成分波动，共同提升了强度和塑性。此外，强烈的元素间相互作用可促进化学短程有序，进一步阻碍位错运动并增强应变硬化能力。传统强化策略，如晶粒细化、沉淀强化、固溶强化等，在;M/HEA;中依然有效，其中沉淀强化可显著提升其强度，甚至可使屈服强度提升一倍。然而，M/HEA;中的沉淀增强仍然存在一些挑战。例如，不受控制的沉淀物大小、形状或体积分数会严重降低延展性，甚至导致脆性断裂。因此，通过精确热处理实现对微观结构控制至关重要，尤其需要快速升温和精确控温。 基于此，本研究利用;Gleeble;热模拟系统对冷轧单相VCoNi中熵合金进行超短时高温热处理。该系统可实现±0.5℃控温精度的超快速加热，确保对沉淀相精确调控。超短时热处理后的合金获得2 GPa的超高屈服强度，同时保持4%的均匀延伸率。研究发现，超细κ相的变形与高密度纳米尺度层错高度相关。这些层错协同参与κ相变形，并产生以前未报道的“退层错”机制——部分层错在变形后被恢复。更多精彩欢迎关注公众号“材料科学与工程”。 Fig. 1. Gleeble;超短时热处理：(a);加热、冷却和控制模块的示意图；(b);热处理过程流程图。 ; Fig. 2.;超短时热处理对VCoNi样品力学性能的影响:;(a);工程应力-应变曲线；(b)真应力-应变曲线;(σtrue);和加工硬化曲线;(Θ)；(c);本文中VCoNi合金与类似工艺M/HEA的力学性能对比。 ; Fig. 3. VCoNi合金在各种超短时热处理条件下的微观组织演变：(a);冷轧样品和超短时退火样品的;XRD相分析，其中红色圆形表示;FCC;衍射峰,;绿色菱形表示κ相衍射峰；(b-1);和;(b-2);为冷轧样品的IPF和相图；(c-1), (c-2),;和;(c-3);为UST1;样品的IPF、相图和;TEM;图像；(d-1), (d-2),;和(d-3);为UST2;样品的IPF、相图和;TEM;图像；(e-1), (e-2),;和(e-3);为UST3;样品的IPF、相图和;TEM;图像。 Fig. 4. κ相中高密度的层错导致局部相转变为;9R;和;HCP;结构：(a);未变形的;UST3;样品的明场像；(b-1);至;(b-8);一系列纳米束电子衍射图样，每个探针直径约为;20 nm，位于;(a);中κ相的横向位置。 ; Fig. 5. UST3;样品拉伸变形过程中的退层错行为：(a);未变形样品的高分辨微观结构图；(b);在{11-1}方向对同一区域进行几何相位分析(Geometric phase analysis , GPA)；(c);图(a)中白色虚线框中原子像的放大图,;显示了高密度的层错；(d);拉伸变形后的高分辨微观组织；(e);对应的GPA图；(f);图(d)中白色虚线框中原子像放大图,;显示了退层错行为的发生使部分区域恢复近乎完美的FCC晶格；(g);和;(h);两种“退层错”变形机制。 结论 本研究对处于单相固溶体状态的冷轧VCoNi中熵合金样品进行了;Gleeble;超短时高温热处理，精确的工艺控制诱导形成了超细;κ;相，该相能够与基体协调变形，从而实现了优异的力学协同效应——在接近;2 GPa;的超高强度水平下仍保持了必要的延展性。微观结构分析表明，即使在变形前，κ;相内部也已存在高密度的堆垛层错。这些层错呈非周期性分布，导致局部结构异质性，表现为;FCC、HCP;和;9R;相共存。变形过程中，发生了显著的“退层错”现象，即部分层错恢复。为此，研究提出了两种不同的不全位错发射机制：一种在晶粒内部起作用，另一种在晶界处起作用。分析表明，在超细晶粒微观结构中，晶界发射的不全位错对于促进“退层错”更为有效。
Tribological Effects of Electrically Induced Bearing Damage 2025-07-29 Table of Contents Introduction What are the reasons for the electrically induced bearing damages? Common Mitigation strategies used for bearing damage Reference Introduction Bearings plays an important role in mechanical systems which enables smooth rotational or linear motion by reducing friction between moving components and helping in evenly distribution of loads. They are integral part in wide range of applications such as automotive engines, industrial machinery, aerospace systems, and household appliances. A thorough understanding of bearing behavior and performance is essential for optimizing system efficiency, minimizing wear, and extending the operational lifespan of mechanical assemblies. One significant challenge in modern systems are within the electric motor-driven applications due to electrically induced bearing damage. This phenomenon occurs when stray electrical currents pass through motor bearings causing thermal decomposition of lubricants and physical damage to bearing surfaces. This degradation could affect the performance and lead to premature failure. Therefore, mitigating electrically induced bearing damage is critical for ensuring the durability and reliable operation of electric motors across various industries, including electric vehicles, wind turbines, and aviation systems. Figure-1 The different types of bearing morphology damage [1] What are the reasons for the electrically induced bearing damages? Electrically induced bearing damages in electric motors arises from various factors such as electromagnetic, electrostatic, and operational factors. One of the major cause is magnetic flux asymmetry, which results in low-frequency shaft voltages and circulating currents capable of damaging bearing surfaces. Electrostatic charge buildup from frictional contact between moving components can also lead to sudden discharges across the bearing and causes localized wear. Further, the use of inverter-driven motors, especially those with high-frequency PWM switching, introduces high-frequency common mode voltages that promote EDM within the bearings. Additionally, breakdown of the lubricant film particularly in elastohydrodynamic regimes creates conductive paths that enable damaging current spikes. Finally, larger and more powerful motors tend to experience greater capacitance and circulating current effects, making them more susceptible to bearing-related failures, especially in high-load, high-speed applications. These factors are listed in the Table-1 Table-1 The factors affecting the electrically induced bearing damage Factor Description Impact on Bearings 1. Magnetic Flux Asymmetry Caused by uneven magnetic pole distribution or shaft misalignment, generating low-frequency shaft voltages. Leads to circulating currents that pass through bearings, causing electrical erosion over time. 2. Electrostatic Effects Electrostatic charge buildup from tribocontact between dissimilar materials in motion. Sudden discharges damage bearing surfaces and degrade lubricant properties. 3. Inverter-Induced Voltages High-frequency PWM switching in VFDs induces common mode voltages (CMV) on the shaft. Causes capacitive EDM discharges, leading to micro-pitting, lubricant breakdown, and surface damage. 4. Lubricant Film Breakdown Thin EHD films act as capacitors; when breakdown voltage is exceeded, high-current discharges (~3A) occur. Results in micro-cratering, local heating, and rolling contact fatigue. 5. Increased Motor Power/Size Larger motors have higher capacitance between stator and windings, increasing circulating currents. Higher stray currents increase EDM activity and bearing wear, especially in heavy-duty applications. Common Mitigation strategies used for bearing damage There are various methods that helps in varying the effectiveness of mitigation of electrically induced bearing damages depending on the type of current. High-frequency shaft grounding brushes are among the most effective which offers a complete suppression of both EDM and rotor-to-ground currents, especially when paired with insulated bearings. Further, ceramic hybrid bearings also stand out for their ability to fully eliminate both EDM and circulating currents. On the other hand, passive filters mainly help to reduce circulating currents by limiting impact on EDM currents and potential drawbacks if not paired with proper grounding methods. Insulated couplings are effective in blocking rotor-to-ground currents but can unintentionally increase EDM currents unless combined with additional mitigation techniques. Meanwhile, using one or two insulated bearings can reduce EDM and rotor-to-ground currents to some extent, though not completely. Overall, a combination of methods is often necessary to address all current paths effectively. Reference [1] Notay, R.S., 2025. A Brief Review on the Tribological Effects of Electrically Induced Bearing Damage. Journal of Tribology, pp.1-27.
New STLE Special Report Shares About Turbine Oils, Their Management and Future Predictions 2025-07-27 STLE;examines the evolution of turbine oils and key advancements in formulation ;PARK RIDGE, Illinois, USA (July 22, 2025);–;The Society of Tribologists and Lubrication Engineers (STLE);—;the premier technical society serving the needs of the tribology and lubrication engineering business sector;— is pleased to announce the release of its new free digital special report,;The Evolution of Turbine Oils, Their Management and Future Predictions. This special report summarizes key advancements in turbine oil formulation, tests and condition monitoring technology, primarily over the past decade. The areas covered include formulation of turbine oils, testing and standards for turbine oils and integration of artificial intelligence (AI) and sensors. These recent advancements in formulations, tests and monitoring are powering the shift to synthetic oils, the integration of AI and sensors and the adoption of a holistic hybrid approach for optimal performance and sustainability. “As the power generation landscape evolves, so too must the technologies that support it,”;said STLE President Kevin Delaney, Vanderbilt Chemicals, LLC. “This report offers valuable insight into how our industry is innovating to meet the demands of turbine oils—through smarter lubrication strategies and a forward-looking mindset that prioritizes both performance and sustainability.” This free digital special report is now available for download at;www.stle.org/turbineoils. For more information, visit;www.stle.org;or call (847);825-5536. Click here;for a photo of the special report cover. About the Society of Tribologists & Lubrication Engineers (STLE) The;Society of Tribologists and Lubrication Engineers (STLE);is the premier technical society serving the needs of over 15,000 individuals and 200 companies and organizations that comprise the tribology and lubrication engineering business sector. STLE members are employed by the world’s leading corporations, academic institutions and governmental agencies dealing with science and technology. STLE supports these distinguished technical experts with various professional education and certification programs. STLE is a professional technical society providing robust resources in technical research, education and professional development delivered through programming, courses, events and periodicals on topics most important to you: safety, energy usage, maintenance, natural resources, wear and productivity. ; Tribological advancements can improve productivity, profitability, sustainability and safety across several industries, including manufacturing, metalworking, transportation and power energy.;Membership is available to those interested in staying current with the latest technologies, advancing their careers and making new professional connections worldwide.;STLE membership;is a low-cost investment with high professional rewards. For more information or to join today, visit;www.stle.org. ### Media Contact:;Rachel Fowler |+1 847-993-7959;|;3a@**le.org” rel=”noopener noreferrer”>rf*****@**le.org
钠离子电池，Nature Materials！ 2025-07-25 ; 0 1 研究背景 ; 锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）通常依赖嵌入反应，锂离子或钠离子储存在电极的层状结构中，并在充放电过程中进行交换。电极由液态电解质隔开，电解质中离子被溶剂分子包裹形成溶剂化壳层。离子从电解质嵌入电极时需要脱去溶剂化壳层，反之，离子从电极脱出时会重新溶剂化。在某些情况下，溶剂化壳层未完全剥离，导致溶剂分子也一起嵌入电极，这种现象称为共嵌入（离子和溶剂分子共同嵌入）。共嵌入通常被认为是不利的，因为它会导致电极材料的劣化。 在现有的锂离子电池中，固态电解质界面（SEI）层有效阻止了溶剂的共嵌入。然而，共嵌入反应有时表现出高度可逆性和快速动力学，甚至能够持续数千次循环。其中典型例子是钠离子和二甘醇醚（diglyme）在石墨电极中的共嵌入反应。值得注意的是，溶剂共嵌入为设计电极反应提供了独特机会。例如，溶剂成为电极反应的一部分，能够有针对性地调控电极电位，调节幅度可达几百毫伏，具体取决于共嵌入的溶剂类型。另一个优势是通常限制嵌入反应速率的溶剂壳层剥离能量，在共嵌入过程中可被降低甚至绕过，从而提升能量效率和速率性能。 特别值得注意的是，尽管溶剂化钠离子的体积更大，但其在石墨中的扩散速率快于锂离子。共嵌入的缺点是溶剂化离子尺寸较大，会导致电极体积膨胀幅度更大，同时在石墨中比传统嵌入过程的比容量降低超过三分之二，影响能量密度。此外，需要过量电解质也是实际应用中的挑战，但通过优化电解质和电极，有可能减少电解质用量，例如避免在SEI形成过程中的不可逆电解质消耗。 虽然大多数共嵌入研究集中于石墨负极，但共嵌入在正极活性材料（CAMs）中的研究非常有限，且对于其在电池中的性质和可行性认识不足。近期研究表明，钛二硫化物（TiS2）能够共嵌入钠离子和二甘醇醚分子。另有研究显示，TiS2在高温条件下可以实现Mg2+和Ca2+与碳酸丙烯酯（PC）的共嵌入，但循环性能依然面临挑战。尽管这些研究推动了新型电极反应的探索，TiS2本身并非真正意义上的正极活性材料，因为其不含钠或其他碱土金属离子，难以从商业角度实现电池在放电态的组装。 0 2 研究成果 鉴于此，德国柏林洪堡大学Philipp Adelhelm团队在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Solvent co-intercalation in layered cathode active materials for sodium-ion batteries”的最新论文。本文针对一系列NaxMS2（M为Ti、V、Cr及其混合物）化合物，使用不同溶剂（包括二甘醇醚、碳酸丙烯酯以及碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯混合溶剂）系统研究了钠离子的溶剂共嵌入反应。作者证明了钠离子在CAMs中的共嵌入现象，并揭示了一种溶剂和离子相反流动的反应机制。在理论计算和实验验证的指导下，提出了基于层间结合能和层间自由体积的模型，来预测层状CAMs中的溶剂共嵌入行为。共嵌入的表现由相结构、钠含量、过渡金属及阴离子种类以及溶剂性质共同决定。 （1）实验首次系统研究了钠层状硫化物正极活性材料NaxMS2（M＝Ti、V、Cr及其混合物）中钠离子与多种溶剂的共嵌入现象，得到了不同条件下共嵌入对材料相变、电极膨胀、氧化还原电位和循环性能的影响规律。 （2）实验通过结合多种溶剂（包括二甘醇醚、碳酸丙烯酯及碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯混合溶剂）与NaxMS2正极材料进行电化学测试和结构分析，发现共嵌入过程中存在溶剂与钠离子相反方向的通量；通过理论计算与实验验证，提出了层间结合能与层间自由体积模型，能够有效预测共嵌入行为。 （3）共嵌入不仅改变了材料的层状结构和溶剂化离子含量，还导致电极体积膨胀加剧，同时调控了电极的氧化还原电位。此外，共嵌入能够绕过离子脱溶剂化的能量障碍，提高了反应动力学和循环稳定性。这些发现为设计结构多样、性能可调的钠离子电池正极材料提供了新的思路和理论指导。 ; 0 3 图文解读 ;图1. P2-NaₓTiS₂的电化学行为 ;图2. PC和2G基电解液中因共嵌入导致的大晶格膨胀 图3. 层状硫化物正极中溶剂共嵌入的机制 ;图4. 层状硫化物和氧化物的层间结合能与层间自由体积 ;图5. 其他层状硫化物中的溶剂共嵌入 ; 0 4 结论展望 ; 本文系统揭示了溶剂共嵌入作为一种调控钠离子电池正极活性材料性能的新机制，突破了传统仅关注离子单独嵌入的研究视角。研究发现，溶剂分子不仅能与钠离子共同进入层状结构，而且在特定条件下溶剂与离子呈现相反的物质通量，这种复杂的嵌入行为对材料的相变、结构稳定性及电化学性能产生深远影响。通过理论计算与实验验证，建立了层间结合能与自由体积相结合的模型，能够有效预测不同材料与溶剂体系中的共嵌入倾向，指导未来电极材料的设计和优化。此外，溶剂共嵌入可实现电极反应电位的精准调控，降低嵌入过程的能量障碍，从而提升电池的能量效率和充放电速率。该机制不仅为钠离子电池领域开辟了新的研究方向，也为开发结构多样化、性能优异的层状电极材料提供了理论基础和技术路径，推动了高性能、长寿命电池的创新发展。未来结合溶剂分子设计与电极材料调控，将极大丰富电池体系的功能与应用潜力。 ;
新型智能窗涂层材料，实现"光照即隔热"！ 2025-07-22 氧化钨亚纳米线 突破光致变色材料加工瓶颈 光致变色材料在光学存储、智能窗等领域前景广阔，但传统过渡金属氧化物虽具稳定性和成本优势，却受限于加工性差的问题。亚纳米材料（至少一维尺寸小于1纳米）因表面原子比例超高，表现出独特的电子结构和类聚合物特性，为突破无机材料加工瓶颈提供了新思路。然而，如何利用亚纳米尺度优势同步提升光致变色性能与加工性，仍是亟待解决的挑战。 清华大学王训教授、北京理工大学张思敏教授通过溶剂热法成功合成直径仅0.8纳米、长度数微米的氧化钨亚纳米线（TOSNWs）。该材料兼具>95%的可见光透过率和15秒快速光致变色特性，变色后展现强近红外吸收能力。其类聚合物的流变性能支持旋涂、刮涂等简易加工工艺，为开发光触发透明热屏蔽涂层铺平道路。 材料特性揭秘 图1 展示了TOSNWs的精细结构：透射电镜（TEM）图像揭示其单分散独立线状形态（图1a,b），球差校正电镜测得0.38纳米晶格间距（图1c），原子力显微镜（AFM）直接证实0.8纳米直径（图1d）。这种尺度与氧化钨晶胞尺寸相当，赋予材料超高柔性——电镜中可见线体自由弯曲盘绕（图1a,b）。在非极性溶剂（如辛烷）中，线体自组装成束带结构（图1e,f），而元素图谱（图1g-j）证实其纯净的钨、氧组成。 图1. TOSNWs形貌表征 (a,b) 乙醇分散液中TOSNWs的TEM图像。插图：TOSNWs乙醇分散液实物图。 (c) 乙醇分散液中TOSNWs的球差校正STEM图像。 (d) AFM图像及对应高度曲线图。 (e) 辛烷分散液中TOSNWs的TEM图像。 (f) 辛烷分散液中TOSNWs的HAADF-STEM图像。 (g-j) EDX元素分布图谱结果（W, O元素）。; 类聚合物行为 图2凸显了材料的类聚合物特性。随溶剂极性调节（乙醇/辛烷混合），TOSNWs实现从透明分散液到不透明凝胶的转变（图2a,b）：当辛烷体积比≤50%时，分散液透光率>90%（图2c）；辛烷比例增加促使线体组装成纳米带，通过物理缠结形成三维网络凝胶（图2d）。这种组装行为显著提升体系粘度——TOSNWs分散液粘度比直径10纳米的氧化钨线高数个量级（图2d）。研究进一步利用表面羟基设计交联凝胶（图2e）：添加二异氰酸酯后10分钟内即可形成自支撑透明凝胶（图2f），经超临界干燥制得的气凝胶密度仅0.031 g·cm⁻³，可承载蒲公英而不损伤（图2g）。 图2. TOSNWs溶剂响应行为与交联设计 (a,b) 不同乙醇/辛烷体积比的TOSNWs分散液状态（透光率与凝胶行为）。 (c) TOSNWs分散液透光率与溶剂组成关系（插图为实物图）。 (d) TOSNWs分散液粘度随辛烷体积比变化曲线。 (e) TOSNWs表面双分子层结构示意图及二异氰酸酯交联机制。 (f) 交联TOSNWs形成的自支撑透明凝胶实物图。 (g) TOSNWs气凝胶承载蒲公英的实物图（密度0.031 g·cm⁻³）。; 光致变色性能 图3 记录了材料卓越的光响应能力：TOSNWs乙醇分散液在100 mW·cm⁻²氙灯下15秒内由无色变为深蓝（图3a,b），其凝胶与气凝胶同样展现快速变色（图3c-f）。X射线光电子能谱（XPS）证实变色源于W⁵⁺形成（图3g,h），引发局域表面等离子共振效应，导致变色后材料在近红外区出现宽谱强吸收（图3i）。这种"体相变色"特性（图3k）得益于亚纳米尺度——所有WO₆八面体暴露于表面，显著提升变色效率（传统纳米颗粒仅表面反应）。 图3. TOSNWs光致变色性能 (a,b) TOSNWs乙醇分散液（5 mg·mL⁻¹）变色前后状态。 (c,d) TOSNWs凝胶（5 mg·mL⁻¹, V乙醇:V辛烷=1:1）变色前后状态。 (e,f) TOSNWs气凝胶变色前后状态。 (g,h) 初始态与变色态TOSNWs的XPS谱图（W 4f轨道）。 (i) 变色前后紫外-可见-近红外吸收光谱对比。 (j) 光照后不同时间点的吸收光谱变化（0-120分钟）。 (k) 亚纳米线（SNWs）与传统纳米颗粒光致变色机制对比示意图。; 智能窗应用验证 图4 演示了TOSNWs涂层的热屏蔽效能：旋涂于石英玻璃的透明涂层（0.2 mg·cm⁻²）初始透光率>90%，变色后仍保持>50%可见光透过（图4c,e）。在模拟日光照射下，涂层覆盖的玻璃温度5分钟内升高35℃，而裸玻璃温度不变（图4f），证实近红外光高效转化为局部热量。密闭箱体实验显示，涂层使箱内温升降低55%（13℃ vs 29℃）（图4g），显著阻隔热量传入。 图4. TOSNWs涂层热屏蔽性能验证 (a,b) 无涂层石英玻璃覆盖的自制装置实验起始/结束状态（标尺单位：厘米）。 (c,d) TOSNWs涂层石英玻璃覆盖装置实验状态（左下插图：涂层变色前后实物图）。 (e) TOSNWs涂层透光率光谱。 (f) 氙灯照射下（100 mW·cm⁻²）涂层/无涂层玻璃温度随时间变化曲线。 (g) 涂层/无涂层密闭箱体内温度随时间变化曲线。 前景展望 该研究通过亚纳米尺度设计，同步攻克了过渡金属氧化物光致变色材料的加工性与性能瓶颈。TOSNWs的类聚合物加工性、快速光响应及高效热屏蔽能力，为建筑/汽车智能窗提供了新材料解决方案。这种"光照即隔热"的特性有望显著降低制冷能耗，助力碳中和目标实现。
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