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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

北京大学潘锋教授团队2024年在图论结构化学与AI for Materials的代表性研究成果 2025-04-03 潘锋是北京大学讲席教授、国家特聘专家、国家重点研发计划项目负责人，北京大学深圳研究生新材料学院创院院长、中国化学会会士、《结构化学》执行主编。长期致力于发展结构化学方法学及应用于新材料的研发，创建了基于图论和AI的结构化学理论，牵头组织和建设了基于中国（东莞）散裂中子源的超高分辨中子衍射谱仪国家大科学装置，建立了基于中子和同步辐射等大科学装置的原位动态结构表征系统，探索并揭示了材料基因与构效关系的规律，在解决锂电池储能密度、功率密度和稳定性等科学难题取得突破性进展。带领团队以通讯作者在《自然》（2篇）、《自然.能源》（1篇）和《自然.纳米科技》（3篇）等知名期刊发表SCI收录450余篇。入选全球0.05%科学家，获中国电化学贡献奖、深圳市自然科学一等奖、美国电化学学会电池科技奖。 ; Journalof the American Chemical Society: 基于图论的固态电解质材料筛选 ;;;;;;; 拥有相似结构的两种材料往往也拥有某些相似的物理化学性质。基于此，我们可将已知性能优良的一种材料作为原型，通过寻找与该原型材料结构相近的其他化合物来缩小材料搜索范围，从中挖掘可能的高性能新材料。由于无机晶体材料的离子传导性能与材料中骨架原子所构成的空间结构有着密不可分的联系，因此，通过分析不同材料间这种空间结构的相似性，可以帮助我们快速锁定潜在的快离子导体材料，从而避免进行大范围、高通量的实验或计算研究。本文将图论方法应用于锂电池固态电池快离子导体材料的研究中，能够准确描述材料局部范围内的原子间拓扑连接关系，并通过子图同构匹配来客观评估两种化合物的结构相似性，而无需人为设定经验性的阈值。凭借该方法，从自主开发的晶体结构大数据中快速挖掘出了具有高锂离子电导率的无机晶体材料，其中若干材料的离子电导率超过1 mS/cm且电化学稳定窗口超过1.5 V。上述结果表明，基于图论的无机材料结构研究方法可以显著提升对快离子导体材料筛选与设计的效率，为实现从原子尺度探索材料构效关系并开发新型固态锂电池材料提供了一个有力的工具。这篇文章以“Rapid Mining of Fast Ion Conductors via Subgraph Isomorphism Matching”为题，发表于Journal of the American Chemical Society上，DOI: 10.1021/jacs.4c04202。 ; Journalof the American Chemical Society: 基于人工智能的X射线衍射晶体结构解析 在传统的XRD分析过程中，研究人员在面对未知材料时如果无法从数据库中找到其物相的晶体结构，则需要借用相近的结构模型，通过对该模型进行调整以获得实测物质的晶体结构。该过程中所借用的结构模型对应了未知材料的一种可能的结构类型。对未知材料结构类型的判别一般依赖于专家知识，因而实现该过程的自动化十分困难。由于无机材料的结构类型种类繁多，导致训练得到的深度学习分类模型往往难以获得较高精度。对此，本文设计了一个由多个子模型组合而成的模型框架，每个子模型通过残差神经网络对特定数量的结构类型进行判别，通过联合多个子模型的判别结果可以给出未知材料的最可能结构类型。总共选用了100种最常见的结构类型的模拟XRD数据来进行训练，包含了63963种无机化合物，覆盖了元素周期表中的几乎所有元素。模型在模拟数据集上的准确率达到了80.0%，并且在实验数据集中也拥有同样高的准确率。该方法为基于人工智能的自动化XRD分析提供了新的途径。这篇文章以“Crystal Structure Assignment for Unknown Compounds from X‐ray Diffraction Patterns with Deep Learning”为题，发表于Journal of the American Chemical Society上，DOI: 10.1021/jacs.3c11852。 ; Journalof the American Chemical Society: 水分子氢键微环境促进CO2还原反应中的C-C偶联 通过电化学二氧化碳还原反应（CO2RR）生成C2产物，是实现清洁能源经济的一种有前途的方式。调节界面双电层的结构，特别是界面水和阳离子，是促进C–C偶联的一种有效策略，但原子级别的机制理解远远落后于实验观察。本文利用从头算分子动力学（AIMD）研究了界面水和碱金属阳离子对电化学二氧化碳还原反应（CO2RR）中C–C偶联步骤的影响，提出了调节C2途径选择性的阳离子-水-吸附物综合作用的完整图景。较小的阳离子（Li+）倾向于远离界面，使其难以与*CO+*CO配位，在这种情况下C-C偶联主要由周围水分子提供的氢键稳定。然而，除了稳定偶联中间体外，氢键还倾向于促进*COH的形成。虽然*COH和*CO之间的C-C偶联可能性不能完全排除，但其在动力学上比CO二聚化更困难。同时，*COH向C1产物的进一步转化更容易，因为C1途径的速率限制步骤已经被克服。较大的阳离子（K+）能够与*CO+*CO配位，尽管其对C-C偶联的能垒降低贡献微乎其微，但它调节了界面水的分布，创造了一个缺乏氢键的疏水微环境，从而抑制了*CO经C1途径的转化，成为阳离子依赖的C2产物选择性增加趋势的主要因素。这篇文章以“Cation-Induced Interfacial Hydrophobic Microenvironment Promotes the C−C Coupling in Electrochemical CO2;Reduction”为题，发表于Journal of the American Chemical Society上，DOI: 10.1021/jacs.3c13602。 ; Journalof the American Chemical Society: 界面水氢键和阳离子对电化学硝酸盐还原反应（NO3RR）的调控及机理研究 电化学硝酸盐还原反应（NO3RR）为修复硝酸盐污染的废水提供了一种有前景的解决方案，同时促进了氨的可持续生产。鉴于NO3RR在水溶液中进行，界面活性氢、界面水、界面阳离子和反应物种都是影响NO3RR动力学的关键因素，然而它们如何对反应活性产生影响的微观机制仍有待研究。本文利用第一性原理分子动力学方法，对Cu上NO3RR还原过程的微观反应机理进行了详细研究。NO3RR的关键含氧中间体（如*NO3、*NO2和*NO）会与K+阳离子稳定配位，由于空间位阻，这阻碍了它们与氢键网络的结合，导致通过界面水对其进行氢化的能量显著上升；*H可以以较低的能垒在界面迁移，并且其与含氧物种的氢化能垒不受阳离子的影响，为氢化过程提供了有力的补充，成为*H促进NO3RR反应动力学的主要因素。该研究为通过调控离子-水-反应物种相互作用以改善铜基催化剂NO3RR活性提供了底层见解。这篇文章以“The Loss of Interfacial Water-Adsorbate Hydrogen Bond Connectivity Position Surface-Active Hydrogen as a Crucial Intermediate to Enhance Nitrate Reduction Reaction”为题，发表于Journal of the American Chemical Society上，DOI: 10.1021/jacs.4c08256。 ; Advanced Materials: 基于拓扑、渗流与AI的富锂正极材料晶格氧稳定性研究 渗流理论是从随机扩散现象中抽象出的泛化数学模型，能够对渗流与渗流转变过程进行拓扑描述和分析，是处理无序随机结构中物质连通性的有效理论方法。锂电池电极材料存在与外界的物质交换，其晶格中离子的长程迁移需要依赖一个连通至表面的迁移网络，因而可以通过渗流理论对其迁移机制进行分析。富锂层状氧化物中，锂离子替代了部分的过渡金属在过渡金属层储存更多的锂，这带来了更高的容量，因而是一种非常具有前景的高能量密度锂电池正极材料。目前，制约其实际应用的一个重要因素是其充放电循环过程中容量和电压不断衰减，其中主要原因之一是晶格氧流失导致了结构不可逆演化。本文采用拓扑分析与渗流理论，并结合第一性原理计算和蒙特卡洛模拟及AI方法，揭示了不同成分下富锂层状氧化物正极材料存在的拓扑结构对氧流失通道的阻断机制。研究结果表明，在过渡金属层中，若过渡金属离子的含量超过5/6，那么在锂离子脱嵌后，那些可在局域环境内移动的晶格氧便无法通过一个连通的渗流网络迁移至材料表面，导致其最终被束缚在材料内部。这篇文章以“Influence of Li Content on the Topological Inhibition of Oxygen Loss in Li-Rich Cathode Materials”为题，发表于Advanced Materials上，DOI: 10.1002/adma.202403307。 ; CCS Chemistry: 基于AI主动学习和图论的催化反应路径自动化搜索方法研究 电催化是实现可持续能源转化、减碳减排的关键技术。对电催化反应路径的认识是合理设计催化剂的前提，受限于复杂的表面动态效应和庞大的反应网络，这需要发展新的研究范式来实现催化反应路径的高效预测。本文结合人工智能和图论结构电化学，开发了一个主动学习框架，可以实现从包含数百个中间物种反应网络中快速预测最优热力学路径。以尿素电化学催化合成为例，遍历了其催化合成反应中大多数键重排类型及相应的重构模式，通过机器学习方法对反应网络中间体稳定性和形成能进行预测，降低了密度泛函理论的计算成本。以氮掺杂石墨烯作为催化剂为例，该图论结构电化学理论在尿素电催化合成这一反应中得到验证，说明该理论框架的有效性。该反应体系在工作条件下发生显著动态结构重构。整个反应网络包含901个反应物种，利用该框架，只需计算其中的40%就可实现对反应网络能量学的评估并得到过电势。这篇文章以“Automating Discovery of Electrochemical Urea Synthesis Reaction Paths via Active Learning and Graph Theory”为题，发表于CCS Chemistry上，DOI: 10.31635/ccschem.024.202404955。 ; ACS Catalysis:催化剂表面氢覆盖度对CO2还原反应中C-C偶联的影响 可再生电力驱动的CO2还原为多碳(C2+)产物是减轻温室效应，同时生产增值碳氢化合物的有效策略。虽然许多多相催化剂已被开发用于CO2还原，但它们普遍限于特定的C2产品，如乙烯和乙醇，选择性地生成长链碳产品通常是难以实现的。最近，Ni基合金和化合物作为一种有效的电催化剂，对多碳氢化合物表现出前所未有的高选择性。但是，除非与适当的元素混合，否则Ni金属的催化效率较低。这表明Ni和其他原子之间存在关键的相互作用，以引导反应途径产生C2+产物。然而，迄今为止关于Ni基催化剂的有限研究未能使这种相互作用的机制达到与Cu基催化剂相同的理解水平。本文以Ni3Ga为模型催化剂，利用密度泛函理论计算，揭示了表面氢覆盖和吸附质分佈模式在确定Ni基电催化剂上CO2电化学还原反应途径中不可或缺的作用。结果表明，C-C偶联过程在很大程度上取决于相应的*C1参与者最终形成时的氢覆盖率。在低覆盖率如1/2单分子层(ML)时，吸附质的分佈模式是高度对称和有序的，在C-C偶联和随后的还原步骤中几乎没有变化。这种有序结构能够显著提升C-C偶联的效率，从而得到针对C2+产物的高选择性。这篇文章以“Role of Surface Hydrogen Coverage in C−C Coupling Process for CO2;Electroreduction on Ni-Based Catalysts”为题，发表于ACS Catalysis上，DOI: 10.1021/acscatal.4c02126。 ; ACS Catalysis:基于图论结构化学的电化学C-N偶联反应机理分析研究 通过CO2RR合成高附加值的多碳产物一直备受学术界关注，但由于该过程中C-C偶联反应的动力学能垒较高，导致多碳产物的产率始终难以提升。相比于C-C偶联反应，C-N偶联反应往往只需更低的动力学能垒。因此，通过CO2与含N小分子（N2、NO、NO2、NO3-、NH3等）电化学共还原生成C-N偶联产物（甲胺、尿素等），是目前CO2RR领域中的一个具有前景的方向。但是，C-N偶联反应中涉及上千个反应中间物种和可能的C-N偶联途径，其反应路径的复杂性导致传统的计算模拟研究难以实施。本论文针对C-N耦合催化过程首次开发了一种基于图论的高度自动化方法，该方法将原子和化学键转化为分子图，将中间物种和化学反应关系转化为反应网络图，从而能够高通量自动生成反应网络并列举中间物种的所有吸附构型，并通过图连通、图同构算法自动筛选异常和重复构型，再通过图比对识别自动生成和分析复杂催化反应网络，从而帮助实现电化学催化过程的反应机理研究。论文以Cu-N4-C 单原子催化剂上CO2和NO3-的电化学共还原反应为例，证实了该方法的准确性，并结合密度泛函理论计算得到了反应路径中关键步骤的自由能变化，由此挖掘出C-N偶联反应中的物理规律。这篇文章以“Autonomous Exploitation of Reaction Pathways for Electrochemical C−N Coupling on Single-Atom Catalysts”为题，发表于ACS Catalysis上，DOI: 10.1021/acscatal.4c05751。 ; The Journal of Physical Chemistry Letters:基于图论、大数据和AI机器学习力场的MOF气体分离材料设计研究 金属有机框架（MOF）以其较大的表面积，可调控的孔隙几何形状和多功能的位点结构，为乙烯/乙烷分离领域开辟了新的途径。随着高通量计算技术的进步，通过理论计算方法来指导MOF材料的设计已经成为本领域的一个重要方向。传统的力场可以有效描述一些简单气体分子（如CH4、H2和CO2）在MOF中的吸附，但MOF中芳香环和C2H4分子中C=C键的π电子的相互作用则无法达到令人满意的精度。量子化学计算是确保准确性的必要条件，但其巨大的计算成本使我们无法对所有现有的MOF进行高通量筛选。本文采用基于图论与机器学习力场的高通量计算筛选方法，通过对61393个MOF晶体数据结构进行计算模拟，精确预测了乙烯和乙烷在MOF的有机配体上的吸附能。计算结果表明，机器学习力场能够反映出乙烯分子与配体中芳香环的π电子间相互作用对气体选择性吸附的重要性。通过该方法，本研究成功筛选出四种具有高选择性的候选分离材料。该研究思路不仅为MOF材料的设计与优化提供了新的理论视角，而且为实验合成和应用提供了重要的理论支持。这篇文章以“Data-Driven Discovery of Gas-Selective Organic Linkers in Metal−Organic Frameworks for the Separation of Ethylene and Ethane”为题，发表于The Journal of Physical Chemistry Letters上，DOI: 10.1021/acs.jpclett.4c00860。 ;
最新《Nature Materials》：独特的"裂纹自愈合"机制，让二维材料又强又韧！ 2025-04-02 ; 在材料科学领域，材料强度与韧性的倒置关系是长期存在的经典难题。三维块体材料可以通过微结构设计、相变增韧、纤维复合等策略实现强韧协同，但二维材料因其独特的原子层结构面临更严峻挑战：原子级厚度赋予其接近理论极限的高强度（如石墨烯强度达130 GPa），但是超大比表面积却导致裂纹极易萌生和扩展，使其断裂韧性远低于三维结构材料。这种"强而不韧"的特性严重制约了二维材料的器件应用，在大功率器件、柔性电子、可穿戴器件等需承受反复形变场景中的应用。尽管研究者尝试通过引入空位、晶界等缺陷提升韧性，但这些方法往往以牺牲材料的本征电学性能为代价，陷入"顾此失彼"的困局。 基于此，香港理工大学赵炯教授、清华大学徐志平教授与香港城市大学李淑惠教授联合团队在《Nature Materials》发表题为"Twist-assisted Intrinsic Toughening in Two-dimensional Transition Metal Dichalcogenides"的研究论文，开创性地通过扭转工程破解二维材料强韧不可兼得的矛盾。研究团队以二硫化钼（MoS₂，WS2）等典型过渡金属硫族化合物（TMDs）材料为研究对象，通过精准控制双层结构扭转角度，成功实现了断裂韧性的显著提升。原位透射电子显微镜观测显示，当裂纹在扭转双层结构中扩展时，上下层因晶格取向差异形成交错的裂纹路径。首次断裂发生后，上下层裂纹边缘通过跨层自组装形成稳定晶界结构，这种独特的"裂纹自愈合"机制有效抑制了裂纹的进一步扩展。该机制突破了传统断裂力学理论框架，首次在二维体系中实现损伤自抑制功能，为设计强韧一体化二维材料提供了全新范式。 这项跨学科研究成果不仅建立了二维材料力学-电学性能协同优化的新范式，更将扭转工程的应用范畴从电子态调控拓展至力学性能设计领域。随着二维扭角材料制备技术的不断成熟，兼具优异力学性能和奇异电学特性的新一代智能材料有望在柔性电子、仿生传感等领域引发技术革新。 论文第一作者：郑晓东，冯诗喆，曾志成 论文通讯作者：赵炯，徐志平，李淑惠 论文链接： https://www.nature.com/articles/s41563-025-02193-y 图1;原位TEM观察二维扭角MoS2中的断裂过程。 图2;扭角TMDs中的晶界形成机制与裂纹尖端钝化效应 图3;纳米压痕实验和分子动力学模拟确认扭转增韧效果。 ; 图4;扭转角依赖的MoS2断裂韧性
姚晰课题组在Advanced Science上发表多环境形状变形水凝胶研究进展 2025-03-13 近日，河南大学纳米科学与材料工程学院姚晰教授课题组在软机器人智能水凝胶领域取得新进展，该成果以“In Situ Stimuli Transfer in Multi-Environment Shape-Morphing Hydrogels Based on the Copolymer Between Spiropyran and Acrylic Acid”为题，发表在顶级期刊《Advanced Science》上（Adv. Sci. 2025, 2416173, DOI: 10.1002/advs.202416173）。论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202416173 智能水凝胶因其在传感器、微流体、药物输送和软体机器人等领域的广泛应用而成为研究的热点。然而，其刺激响应性能常常受到水交换过程中的慢速扩散限制。此外，水凝胶材料在无水或低水环境中的应用也受到严重制约。这些问题是当前构筑高性能智能水凝胶所面临的主要挑战。图1.原位刺激转移机制使聚丙烯酸水凝胶实现高性能刺激响应和多环境形状变形功能。本研究报道了一种原位刺激转移的光响应丙烯酸-螺吡喃共聚的均相水凝胶。该水凝胶结合了光刺激的快速反应和pH刺激的大幅度响应，能够在不同环境（水相、空气、油相等）中迅速且可逆地实现变形。这种快速的光响应主要归因于螺吡喃的可逆光响应质子化，使聚丙烯酸网络内的氢键相互作用实现原位调节（见图1）。当聚丙烯酸水凝胶的内部pH值调整至聚丙烯酸的pKa附近时，会出现显著的体积收缩或膨胀行为，从而实现最大幅度的形状变换。当凝胶厚度为0.2 mm时，其响应时间为4分钟，恢复时间为15分钟，最大弯曲角度超过70°。在缺水环境（如空气和油相）中的光响应行为是通过水从水凝胶的一个部分转移到另一部分实现的，在此过程中水凝胶的净体积保持不变。通过控制光源，研究者可以方便地操控水凝胶的可逆运动性能，为基于pH响应水凝胶在多种环境中的应用提供了理论依据和技术支持。河南大学纳米科学与材料工程学院为论文第一通讯单位，河南大学纳米科学与材料工程学院吴丽伟硕士研究生为第一作者，纳米科学与材料工程学院张玲玲副教授和姚晰教授为通讯作者。本工作得到了国家自然科学基金委、河南省科技厅、中国博士后科学基金会和河南大学的大力支持。
顶刊（IF：33.6 ）综述：高通量制备测试纳米结构高熵合金！ 2025-03-12 ; https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2025.101429 关键词：高熵合金、纳米结构材料、高通量实验、合成、表征 纳米结构材料因其独特且优异的性能备受关注。然而，在高温条件下，其晶粒尺寸或相通常不稳定，限制了其加工方法及工程应用。近年来，许多新型合金，特别是高熵合金（HEAs）及相关多组元合金，被报道具有优异的热稳定性和力学强度。然而，在广阔的成分空间中筛选出兼具优异力学性能与热稳定性的多组元合金是一项极具挑战性的任务，目前仍主要依赖于耗时且低效的逐步试验与误差方法。因此，亟需高通量策略来加速新型纳米结构高熵合金（Ns-HEAs）的发现。随着Ns-HEAs及高通量方法领域的快速发展，该研究方向蕴含着广阔的探索空间。 多伦多大学邹宇课题组的这篇综述聚焦于过去二十年来关于Ns-HEAs的高通量制备、微观结构表征、相分析、成分测定、力学性能评估及热稳定性测试的相关研究。此外，文章还总结了近期可用于Ns-HEAs及相关多组元合金发现的高通量方法，并探讨了各种高通量数据分析策略，如理论筛选、模拟计算及机器学习等。最后，本文总结了当前高通量方法在复杂合金加速发现中的研究进展、面临的挑战及未来发展机遇。 (a)传统合金与高熵合金在应力-应变曲线中的机械性能对比。（b）纳米晶高尚合计示意图的示意图。 (a)Ns-NbMoTaW高熵合金（HEA）在高温下表现出比纳米晶钨更高的微观结构稳定性。(b);退火一小时后，不同纳米晶合金体系的晶粒尺寸随温度变化的关系。 机器学习在结构和性质预测中的应用。(a);神经网络（NN）架构及第一隐藏层中特征的权重矩阵。(b);每个组成元素对应的稳定五元固溶体数量。(c);高熵合金（HEAs）硬度预测中各特征的皮尔逊相关系数。 高熵合金（HEA）研究中的组成空间与高通量方法。(a);组成数目作为;HEA;体系中组分数的指数函数，以及相应的相图。(b);各种高通量制造方法的示意图及其产品中结构的尺寸。 当前研究的挑战与前景 由于结构和性质的多样性，高通量方法的普适性应当被谨慎考量，尤其是在不同材料或设备的应用中。尽管如此，高通量策略的潜力仍为新型有用材料的加速发现提供了重要启示，并推动了自主实验系统的构建。
Advanced Materials 美国桑迪亚国家实验室&麻省理工学院：开发超低磨损Pt-Au纳米晶合金 2025-03-04 研究背景 近年来研究发现，通过溶质偏析改变晶界能，可使一些二元合金获得热稳定的纳米晶结构。已有研究展示了这类合金卓越的热稳定性，许多合金在长时间接近熔点温度的环境下，晶粒生长现象极不明显。超低磨损材料通常指磨损率在单原子层量级，即特定磨损率低于10−8 mm3 N−1 m−1的材料。像类金刚石碳（DLC）、石墨、金属二硫化物（如MoS2和WS2 ）、金属氮化物、碳化物（如Si3N4和 WC ）、半导体（如 GaN）以及部分聚合物纳米复合材料（如 PTFE - 氧化铝）等都属于此类。但金属材料作为一个类别，以往很少能达到超低磨损标准。 部分材料如石墨和金属二硫化物，依靠形成高度有序、低剪切强度的层状表面膜来降低摩擦和提高耐磨性，不过这种机制仅在特定环境下有效。对于金属而言，表面微观结构细化与摩擦和耐磨性改善相关，这意味着能抵抗热和机械驱动晶粒生长的合金，理论上应比传统合金具备更低摩擦和更高耐磨性。 在金属摩擦过程中，循环接触应力会引发金属变形，进而致使微观结构演变、缺陷成核，最终产生磨损颗粒。对于纳米晶金属，当表面应力不超其流动应力时，磨损主要由疲劳主导，即接触应力反复循环形成裂纹，导致内聚失效产生磨损颗粒，这一过程被称为 “分层磨损机制”。大多数粗晶金属在循环加载下会发生位错介导的塑性变形、胞状结构形成和晶粒细化，而晶界不稳定的纳米晶金属在循环加载时可能出现晶粒生长，这会促进裂纹形成，增加了实现金属超低磨损的难度。 实验方法 材料制备：用直流磁控溅射法在低温下制备Pt90Au10薄膜，膜厚精度达埃级，成分经波长色散光谱验证。 摩擦磨损测试：定制线性往复摩擦计，在特定温湿度条件下，用不同材质球体在薄膜上往复滑动，用扫描白光干涉仪测磨损率。 微观结构表征：用透射电镜观察薄膜微观结构，用能谱仪分析成分，样品退火后用聚焦离子束法制备 TEM 样品。 研究结果与讨论 研究围绕 Pt - Au 合金薄膜的微观结构、摩擦磨损性能及磨损机制展开。通过扫描透射电镜（STEM）和能谱仪（EDS）分析，发现 Pt - Au 薄膜呈现柱状结构，具有较大的晶粒纵横比。Au 在晶界和三重结处偏聚，同时在相邻晶粒内部出现溶质贫化区，且 Au 的分布高度不均匀。该薄膜展现出非凡的纳米晶热稳定性，在 500°C 退火 1 周后，晶粒尺寸无明显变化。 Figure 1. A) STEM-HAADF images of a cross-sectional view of as-deposited Pt–Au films.B) Plan-view EDS composition map showing heterogeneous Au segregation. Also shown is a quantitative line scan of Au concentration across the dashed line showing preferential segregation (i.e., above theglobal mean composition) to grain boundaries. 在实验室空气中，Pt - Au 薄膜的磨损率低至(3×10−9±1×10−9)mm3N−1m−1 ，与类金刚石碳（DLC）和蓝宝石相当，优于传统纳米晶金属，且在磨损实验中，其磨损率比更硬的蓝宝石和Si3N4探针更低或与之相近。退火处理对 Pt - Au 薄膜的磨损率没有影响，这表明其在不同热状态下都能保持优异的耐磨性。摩擦系数在 0.2 - 0.3 之间，与文献中纳米晶金属的报道相符。使用Si3N4球时，摩擦系数会逐渐增加，这是由于Si3N4球表面粗糙度较高，且其磨损颗粒会转移并嵌入 Pt - Au 薄膜中，导致表面粗糙度增加，进而使摩擦系数增大。 Figure 2. A) Cycle average friction coefficients for sapphire and Si3N4 spheres sliding against Pt–Au films in as-deposited and annealed conditions. B) Friction coefficients and specific or volumetric wear rate map of tribological materials including the present results with Pt–Au sliding against sapphire. 由于蓝宝石球表面相对光滑，接触应力在 Pt - Au 薄膜的疲劳 endurance limit 以下，从而抑制了裂纹的形核与扩展、应力诱导的微观结构演变和晶粒生长，有效抑制了疲劳驱动的磨损。而Si3N4球的磨损率较高，是因为其自身的疲劳磨损导致材料转移到 Pt - Au 薄膜中，使得 Pt - Au 薄膜的磨损轨道内出现体积增加的现象。 Figure 3. Surface topographical area scans of: A) the worn sapphire ball and B) the Pt–Au wear track near the middle of the track after 100k sliding passes. C) Representative cross-sectional wear depth plots of the ball and Pt–Au wear track. D) Representative cross-sectional STEM inside the wear track. E) Plan-view back-scattered SEM image of wear track where FIB lift-out was taken. Pt - Au 薄膜的超低磨损率表明，其磨损机制可能主要为原子磨损，这种磨损机制此前仅在如 DLC 等高度耐磨的材料中出现。该研究首次证明了金属材料也能实现这种低磨损机制，意味着通过提高纳米晶合金的热机械稳定性，可以有效抑制传统纳米晶合金中常见的疲劳驱动分层磨损。Pt - Au 薄膜不仅具有超低磨损率和良好的摩擦性能，还具备出色的热机械稳定性。在 500°C 退火后，其摩擦和磨损性能与退火前相比几乎没有差异。此外，该合金的电阻率约为 30 nΩ・m，仅为粗晶纯铜的 1.8 倍，这一特性在需要良好导电性的应用中具有重要意义。 Figure 4. Surface topographical area scans of: A) the worn Si3N4 ball and B) the Pt–Au wear track near the end of the track after 100k sliding passes. C) Representative cross-sectional wear depth plots of the ball and Pt–Au wear track. D) Plan-view BSD and E) EDS of the wear track surface. 该研究成果为未来的研究指明了重要方向。在技术层面，Pt - Au 合金在非润滑滑动条件下的超低磨损率和卓越的热机械稳定性，使其在电气接触领域具有广阔的应用前景，特别是在对能源使用、存储和传输效率要求日益提高的背景下。在纳米和微机电设备领域，该合金有望解决应力和温度驱动的晶粒生长、氧化以及绝缘有机膜形成等问题，推动相关技术的广泛应用。此外，该合金在疲劳抗性和高强度方面的表现，也为其作为结构材料的研究提供了有前景的方向。
上交-港城大联合顶刊《Composites Part B》：石墨烯纳米片增强铝基复材腐蚀行为和强度-延展性协同机制研究！ 2025-03-04 作为一种具有 Al11Ce3 增强相的复合材料，Al-Ce 合金在高温下表现出显著的微观组织稳定性以及可铸性。然而，铸态 Al-Ce 合金在室温下表现出相对较低的抗拉强度，通常约为150 MPa，即使在变形和热处理后也是如此。此外，大尺寸Al11Ce3相与Al基体之间的巨大电位差导致其耐腐蚀性较差。这些在强度和耐腐蚀性方面的限制为 Al-Ce 基合金的工业应用带来了重大障碍。增材制造是工业 4.0 的关键组成部分，能够生产复杂设计的组件，减少浪费，缩短成形周期，并加速产品开发周期。在各种AM技术中，激光粉末床熔融已成为一种突出且成熟的工艺，在航空、航天和汽车等行业中得到指数级整合。然而，在增材制造领域铝合金的发展相对缓慢，主要是由于较低的经济激励和与激光打印相关的挑战，包括更高的激光反射率和相对较大的凝固范围。商业高强度 2000、6000 和 7000 系列铝合金焊接性差，不适合激光粉末床熔融。Al-Ce 合金由于其热稳定性和在铸造过程中对凝固开裂的抵抗性，提供了一种可行的替代方案。先前的研究表明，采用激光粉末床熔融制备的具有原位纳米网络结构的 Al-9.5Ce-0.6Mg合金表现出优异的打印性。然而，尽管实际成形的 Al-9.5Ce-0.6 Mg 合金的强度提高了400 MPa，但在室温下断裂伸长率约为 6%。强度和延展性之间的不可调和冲突需要进一步解决。此外，激光粉末床熔融Al-Ce 基合金的腐蚀行为迄今为止尚未得到充分关注。铝基复合材料（AMCs）通过结合 Al 基体和增强材料的优异性能，提供了一种可行的解决方案。石墨烯纳米片（GNPs）由于其低成形成本、优异的机械性能以及独特的电子和热性能，被认为是金属中很有前途的增强材料。通过广泛的变形以防止氧化和 GNPs 与基体之间的反应，通常可以实现 GNPs 增强铝基复合材料的强度和延展性。然而，制备方法严重限制了铝合金的应用，尤其是在复杂结构组件中。金属基复合材料（MMCs）的传统制备路线，包括液态方法（如液态金属渗透和铸造技术）和固态方法（如粉末冶金），通常会导致在延展性基体中形成团聚颗粒，从而导致不希望的脆性和较差的耐腐蚀性。铝中 GNPs 的均匀分布对于获得优异的耐腐蚀性至关重要。在微米级熔池中粉末的局部熔化，随后快速凝固，防止了 GNPs 的团聚。这个过程为制备具有优异强度-延展性和耐腐蚀性的 AMCs 提供了机会。在这项工作中，上海交通大学和香港城市大学团队采用 LPBF 方法制备了新型 Al-9.5Ce-0.6Mg/0.7GNPs复合材料。随后，对制备的 Al-9.5Ce-0.6Mg/0.7GNPs 复合材料进行了后续热处理。对微观组织进行了细致表征。此外，系统研究了在 3.5 wt. % NaCl 溶液中的力学性能和腐蚀行为。此外，基于多尺度表征揭示了强化和腐蚀机理。主要附图 图 1. (a) Al-Ce 粉末，(b) GNPs 粉末，(c) Al-Ce/GNPs 复合粉末的粉末形态；(d) Al-Ce/GNPs 复合粉末的 EDS图像；(e) Al-Ce 粉末的粒度分布；(f) L-PBF 工艺示意图；(g) 原位 Al-Ce/GNPs 复合样品；(h) 拉伸测试样品示意图。图 2. (a) 成形后的 Al-Ce/GNPs 复合样品中缺陷尺寸的分布；(b) 通过CT 测量的等效直径与球形度的关系。图 3. (a) Al-Ce/GNPs 复合粉末、原位和高温 Al-Ce/GNPs 样品的 XRD 和(b)拉曼光谱。图 4. 沉积态和热处理 Al-Ce/GNPs 样品的扫描电子显微镜图像、反极图（IPF）图和相应的极图（PF）：（a、c、e）沉积态 Al-Ce/GNPs 样品，（b、d、f）热处理 Al-Ce/GNPs 样品。图 5. 沉积态和热处理 Al-Ce/GNPs 复合样品的 HR-TEM 和 FFT 结果：（a、b）沉积态 Al-Ce/GNPs 复合样品，（c、d）热处理 Al-Ce/GNPs 复合样品。图 6. 沉积态和热处理 Al-Ce/GNPs 复合样品的透射电子显微镜（TEM）结果：（a）高角环形暗场（HAADF）图像，（b）MPB 区域放大的 HAADF 图像，（c）MPC 区域放大的 HAADF 图像，（d）沉积态样品中 Al、Ce、Mg 和 C 元素的 STEM-EDS图像，（e）HAADF 图像，（f）MPB 区域放大的 HAADF 图像，（g）MPC 区域放大的 HAADF 图像，（h）热处理样品中 Al、Ce、Mg 和 C 元素的 STEM-EDS图像。图 7. (a) 从制备样品中提取的原子探针Al、Ce、Mg 和 C 原子图；(b) 浓度分布的直方图；(c) 从 HT 样品中提取的原子探针 Al、Ce、Mg 和 C 原子图；(d) 浓度分布的直方图。图 8. 沉积态和热处理 Al-Ce/GNPs 复合样品的拉伸性能：(a) 室温下的工程应力-应变曲线，(b) 与其他报道的增材成形 Al-Ce 和 Al-Si 系合金的强度和延伸率随 YS 的变化比较。图 9. 沉积态和热处理 Al-Ce/GNPs 复合合金的断裂表面图 10. 铸造态 Al-Ce、烧结态 Al-Ce 和高温 Al-Ce/GNPs 复合样品的极化曲线和电化学阻抗谱（EIS）：（a）Tafel 曲线，（b）Nyquist 图，（c）阻抗模量与频率的 Bode 图，（d）相位角与频率的 Bode 图。图 11. 铸态、热处理态 Al-Ce 合金和热处理态 HT Al-Ce/GNPs 复合材料在循环极化测试后的腐蚀形貌 SEM 和 EDS 图像。图 12. 铸造态、沉积态态 Al-Ce/GNPs 和高温 Al-Ce/GNPs 复合合金在 3.5 wt %溶液中浸泡 1 小时、5 小时、3 天和 7 天后的 BSE 显微照片：（a）浸泡 1 小时后的 BSE 图像，（b, b1）浸泡 5 小时后的 BSE 图像和相应的 EDS 图谱，（c）浸泡 3 天后的 BSE 图像，（d, d1）铸造态 Al-Ce 合金浸泡 7 天后的 BSE 图像和相应的 EDS 图谱；（e–h）铸造态 Al-Ce/GNPs 复合合金浸泡 1 小时、5 小时、3 天和 7 天后的 BSE 图像；（i–l）高温 Al-Ce/GNPs 复合合金浸泡 1 小时、5 小时、3 天和 7 天后的 BSE 图像。图 13. 拉伸测试后和高温处理 Al-Ce/GNPs 复合材料的横截面形态和 GND 密度：（a）样品的横截面形态；（b）高温处理样品的横截面形态；（c, d）GND 密度和（e）GND 密度曲线。图 14. 铸态 Al-Ce 合金、制备态 Al-Ce/GNPs 和高温 Al-Ce/GNPs 复合材料的 SKPFM 分析。（a）原子力显微镜（AFM）形貌图像，（a1）电位差分布图，（b）铸态 Al-Ce 合金中沿白色箭头的电位差，（c, c1）对应 MPB 区的 AFM 形貌图像和电位差分布图，（d, d1）对应 MPC 区的 AFM 形貌图像和电位差分布图，（f）制备态 Al-Ce/GNPs 复合材料中 c1 和 c1 沿白色箭头的电位差，（f, f1）对应 MPB 区的 AFM 形貌图像和电位差分布，（g, g1）对应 MPC 区的 AFM 形貌图像和电位差分布图，（h）高温 Al-Ce/GNPs 复合材料中 f1 和 g1 沿白色箭头的电位主要结论该Al-Ce/GNPs复合材料具有优异的加工性能，相对密度为 99.62%，具有细小的 Al/(Al, Mg) 11Ce3 共连续结构。Mg 主要存在于(Al, Mg)11Ce3 相，但倾向于在其边缘发生更多偏析。Al-Ce/GNPs 复合材料在室温下表现出优异的拉伸性能，屈服强度约为 300 ± 2 MPa，抗拉强度约为 452 ± 3 MPa，延伸率约为 5.6 ± 0.3%。热处理提高了延展性至 13.2%，同时强度损失最小。主要强度贡献包括奥罗万强化、载荷转移强化和细化强化。(Al, Mg)11Ce3 网络的断裂可以促进滑移并提高延展性。HT Al–Ce/GNPs 复合材料在 3.5 wt. % NaCl 溶液中表现出优异的耐腐蚀性，显著降低了电化学腐蚀，并在 MPB 处优先发生腐蚀。
今日Science，浙大再“出圈”，开发极端条件下水凝胶！ 2025-02-28 一、【科学背景】 水凝胶因其富含水的交联网络，被广泛应用于组织工程、柔性电子和软体机器人等领域。尽管通过增强聚合物网络提升了水凝胶的延展性和韧性，但其柔韧性仍依赖于可移动的水分子。因此，这种依赖性导致水凝胶在温度变化过程中因蒸发或冻结而失水时变得坚硬和易碎。现有方法通过用离子液体、无机盐溶液等替代水分子以提高相变温度，但这些溶剂存在吸湿性、温度范围有限（通常低于-80 ℃或80 ℃）等问题。水分子在替代溶剂中仍可能冻结或逸出，导致网络脆弱。因此，如何固定水分子并维持其流动性，成为拓宽水凝胶极端温度适应性的关键挑战。 二、【创新成果】 为解决以上难题，浙江大学罗自生教授、李铁风教授和杨栩旭博士等人在Science上发表了题为“Hydro-locking in hydrogel for extreme temperature tolerance”的论文，报道开发了一种“水锁”策略，通过硫酸在聚合物网络中建立水分子与聚合物的强连接，锁定水分子，并引入牺牲网络保护聚合物主网络免于坍塌。在“水锁”策略下制备的海藻酸钠-聚丙烯酰胺双网络水凝胶在-115 ℃至143 ℃的宽温域内保持柔软和可拉伸性。该策略适用于多种水凝胶和溶液，有望实现极端温度下材料甚至生物样本的保存与观测。 ; 图1; S-凝胶的“水锁”策略和相变温度 © 2025 AAAS 图2; S-凝胶中的反应及相互作用 © 2025 AAAS 图3; S-凝胶和原位碳点的结构特性 © 2025 AAAS ; 图4; CS-凝胶在极端温度下的机械性能 © 2025 AAAS ; 三、【科学启迪】 综上，本研究通过“水锁”策略将水分子牢固固定在聚合物网络中，使水凝胶在-115 ℃至143 ℃的极端温度范围内保持柔软和可拉伸性。该策略适用于多种水凝胶（如PVP水凝胶）和溶剂（如DMSO），并通过碳化形成保护层防止网络坍塌。“水锁”水凝胶（如CS-gel）在低温（-100 ℃）和高温（140 ℃）下仍具备导电性和传感功能，展示了在柔性电子和极端环境生物保存中的潜在应用价值。 原文详情：Hydro-locking in hydrogel for extreme temperature tolerance (Science 2025, 387, 967-973) 本文由大兵哥供稿。 ;
镁合金顶刊《JMA》机器学习挖掘基于数据增强和重构的高强高塑性镁合金！ 2025-02-28 ;; 导读：机器学习在合金设计中的应用越来越广泛，但传统模型在处理有限的数据集和复杂的非线性关系时仍然面临挑战。本研究提出了一种基于数据增强和重建的可解释机器学习方法，用于挖掘高性能低合金镁合金。数据增强技术通过高斯噪声扩展原始数据集。数据重建方法对原始数据进行重组和转换，以提取更具代表性的特征，显著提高了模型的泛化能力和预测精度，极限抗拉强度（UTS）模型的决定系数（R2）为95.9%，断裂伸长率（EL）模型的R2为95.3%。提出了一种相关系数辅助筛选（CCAS）方法来过滤低合金靶材合金。设计了一种新型Mg-2.2Mn-0.4Zn-0.2Al-0.2Ca（MZAX2000，wt%）合金，并在给定的加工参数下挤压成棒材，实现了室温强度-延性协同作用，显示出395 MPa的优异UTS和17.9%的高延伸率。这与挤压态MZAX2000合金中的异质结构特性密切相关，该合金由粗晶粒（16%）、细晶粒（75%）和纤维区域（9%）组成。因此，这项工作为优化合金成分和加工参数以获得新型高强韧性低合金镁合金提供了新的见解。 ; ; ; ; ; ; 镁（Mg）及其合金作为重要的高性能轻质金属材料，凭借其低密度、高比强度以及出色的阻尼性能，在航空航天、汽车制造和电子产品等领域备受瞩目。然而，传统镁合金往往需要添加大量昂贵的合金元素来提升性能，这不仅增加了成本，还可能影响材料的可回收性。因此，研发高性能的低合金化镁合金成为热门研究课题。近年来，低含量无稀土的高性能Mg-Al-Ca-Mn-(Zn)合金逐渐受到研究人员的广泛关注，但确定其最佳合金成分和加工参数需要进行大量实验，开发新方法加速其制造迫在眉睫。随着材料科学和人工智能技术的飞速发展，基于数据驱动和计算材料科学的新研究范式逐渐兴起，机器学习方法虽已用于设计多种高性能合金，但传统机器学习方法面临可用实验数据有限和模型缺乏可解释性的挑战。;; ; ; ; ; ; ; ; 在本研究中，扬州大学、云南大学等多所高校及科研机构的团队提出了一种基于数据增强和重构的可解释机器学习方法，旨在挖掘高性能低合金化镁合金。该方法通过高斯噪声扩充原始数据集，运用数据重构方法提取更具代表性的特征，并采用三步特征选择过程降低变量维度，从而提高了模型的泛化能力、预测准确性和合金设计效率。研究对比了8种机器学习模型，发现GB模型在预测极限抗拉强度（UTS）和断裂伸长率（EL）方面表现最优，经随机搜索优化超参数后，其预测准确性超0.95。通过相关系数辅助筛选（CCAS）方法，确定了最佳合金成分和加工参数，制备出的Mg-2.2Mn-0.4Zn-0.2Al-0.2Ca（MZAX2000）合金在挤压态下呈现出由粗晶粒、细晶粒和纤维区域构成的异质结构，实现了强度和延展性的协同，UTS达到395;MPa，EL高达17.9%，与预测值相近，表明GB模型是指导高性能低合金化镁合金设计的有效方法。 该研究还分析了新合金的强化机制和塑性变形机制。除晶界强化、第二相强化和位错强化外，HDI强化对提高UTS有重要贡献；而基面滑移的施密德因子分布均匀、多种滑移系统的参与以及异质结构界面附近的额外应变梯度则共同促进了EL的提高。综上所述，本研究为优化合金成分和加工参数以获得新型高强韧低合金化镁合金提供了新的思路和方法。; ; ; ;; ; ; ;; 相关研究成果以“Interpretable machine learning excavates a low-alloyed magnesium alloy with strength-ductility synergy based on data augmentation and reconstruction”发表在Journal of Magnesium and Alloys上 链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956725000192 图1;高性能低合金镁合金的可解释机器学习设计策略。 ; ; ; ; ; ; ;; ; 图2;数据分布 (a)显示Al、Zn、Ca和Mn的合金成分； (b-f)分别包含ST、ST、ET、ES和ER的处理参数； (h-i)分别包括UTS和EL的机械性能。; ; ; ; ; ; ;; ; 图3;高斯增强：(a)高斯噪声分布，比较原始数据集和增强数据集的UTS；(b)原始样本和增广样本集中的数据情况。 ; ; ; ; ; ; 图4;增广数据集和普通数据集的比较：(a)UTS；(b)EL。 ; ; ; ; ; ; ;; ; 图5;PCC相关筛查结果。 ; ; ; ; ; ; ;; ; 图6;(a,b)分别为UTS和EL的RFE筛选结果； (c,d)UTS和EL的ES筛选结果。 ; ; ; ; ; ; 表1 理化参数三步特征筛选。;; ; ; ; ; ; ; ; 图7 模型预测结果： (a,b)8个ML预测模型对UTS和EL的比较； (c,d)分别为超参数优化后GB模型的UTS和EL预测结果。 （读者可参阅本文的网页版本，以了解此图例中有关颜色的解释。） ; ; ; ; ; ; 图8 相关系数辅助成分筛选。 ; ; ; ; ; ; ;; ; 图9 (a)挤压态MZAX2000合金的OM观察； (b) (a)中框的扫描电镜放大图； (c)由粗晶、细晶和纤维区组成的异质结构示意图； (d)杆数，包括(0001)、(11-20)和(10-10)。ED和RD分别代表挤压方向和径向。 ; ; ; ; ; ; 图10 挤压态MZAX2000合金的XRD结果。;; ; ; ; ; ; ; ; 图11 挤压态MZAX2000合金的相组成： (a)SEM图像显示出一些微尺度的颗粒状相； (b)TEM图像显示一定量的纳米级颗粒状相； (c,d)微/纳米尺度相尺寸分布；;; ; (e)映射扫描结果显示Mg、Mn、Zn、Al、Ca元素分布； (f)高分辨率TEM图像， (g,h)相A和相B对应的快速傅里叶变换(FFT)图； （i-1)TEM图像显示部分纳米级相在晶界(GBs)分离。 ; ; ; ; ; ; 图12 (a)挤压态MZAX2000合金的工程拉伸应力-应变曲线及拉伸性能； (b)收集的Mg-Al-Ca-Mn-(Zn)数据和新开发的MZAX2000合金的UTS与EL的关系。 ; ; ; ; ; ; ;; ; 图13 (a)加载-卸载-再加载(LUR)拉伸工程应力-应变曲线； (b) (a)中黑色虚线框的放大视图； (c)HDI应力随工程应变的函数。;; ; ; ; ; ; ; ; 图14 (a)挤压态MZAX2000合金沿ED施加拉伸载荷时基底滑移的施密德因子分布图； (b,c)分别在g=0001和g=10-10条件下，采用双光束衍射的拉伸应变为5%时的TEM暗场图像； (d,e)分别为(b)、(c)对应的原理图。 ; ; ; ; ; ; ;; ; 图15 (a,d)逆极图(IPF)图， (b,e)基滑移的Schmid因子图， (c,f)粗/细粒结构和纤维/细粒结构的核平均取向偏差(KAM)图。 ; ; ; ; ; ; 本文通过提出基于数据增强和重构的可解释机器学习方法挖掘高性能低合金化镁合金，取得了多项成果： （1）利用高斯噪声和数据重构方法，有效扩展了数据集并提取出更具代表性的物理化学参数。经三步特征选择，减少了变量维度，提升了模型预测精度和合金设计效率。在8种机器学习模型中，GB模型预测UTS和EL的效果最佳，经随机搜索优化超参数后，预测性能进一步提升，R2均超0.95。 （2）运用CCAS方法挖掘出最佳合金成分（0.2wt% Ca、2.2wt% Mn、0.4wt% Zn、0.2wt% Al）和加工参数（25 ER、300°C ST、3m/min ES、48 h St、250°C ET），能使挤压态合金实现高强度（UTS≥380 MPa）和高延展性（EL≥20%）。;; ; （3）制备的MZAX2000合金在挤压态下呈现异质结构，包含粗晶粒（16%）、细晶粒（75%）和纤维区域（9%），实现了强度与延展性的协同，UTS达395 MPa，EL为17.9%，与预测值接近，表明GB模型可有效指导高性能低合金化镁合金设计。 （4）明确了新合金的强化机制除了晶界强化、第二相强化和位错强化外，HDI强化也对提高UTS有重要贡献。均匀的基面滑移Schmid因子分布、多种滑移系统（包括锥面共同提高了合金的EL。
Materials Today：分层异质结构的铸造多主元素合金的卓越强度-延展性协同效应 2025-02-27 ; 引言 在过去的几十年中，多主元合金（MPEAs）或多组分合金，通常以中到高的构型熵为特征，因其多样且优异的性能而成为传统金属材料在结构应用中的极具前景的替代品。迄今为止，通过复杂的热机械加工，一些MPEAs已经解决了强度和延展性之间的矛盾。例如，Co34.46Cr32.12Ni27.42Al3.00Ti3.00、FeCo0.8V0.2、Al0.2CoNiV、Fe58.98Ni31.70Al6.00Ti3.00Zr0.10C0.20B0.02、Al0.5Cr0.9FeNi2.5V0.2和AlCoCrFeNi2.1合金。Fan等人设计了一种Ni32.8Fe21.9Co21.9Cr10.9Al7.5Ti5.0 MPEA，具有一致的纳米层状结构，表现出超过2 GPa的屈服强度和16%的均匀拉伸延展性。MPEAs的持续进展突显了其作为下一代超强且延展性材料在结构应用中的潜力。总体而言，MPEAs的显著机械性能依赖于四个核心强化机制，即固溶强化、晶粒细化强化、第二相强化和加工硬化。其中，第二相强化机制在提高拉伸载荷下的强度方面表现出特别高的有效性。通过操控合金成分和优化热机械处理，可以在饱和固溶基体中引入亚微米至纳米级析出物，以促进变形过程中的位错堆积和增殖。 与包括MPEAs在内的人造合金相比，自然界进化的生物材料通常在多个长度尺度上表现出大的成分和结构异质性。一个典型的例子是皮质骨，其中胶原分子和羟基磷灰石纳米晶体在纳米尺度上组装成矿化胶原纤维。纤维进一步组装形成纤维（直径约1 μm）、层板（厚度约5 μm）和骨单位（直径约200 μm），这些结构特征在多个长度尺度上协同作用以增强和增韧。这种分层异质结构赋予生物材料在不同区域和长度尺度上产生良好的强度和断裂韧性组合。最近的研究表明，引入类似的分层异质性在提高应变硬化和促进金属和合金的均匀拉伸延展性方面具有良好的有效性。在这种情况下，热机械加工（如均质化、热轧、热锻、热挤压、退火和时效）已被证明是一种构建此类结构的可行方法，以触发一种或多种强化机制，从而规避强度-延展性权衡。然而，现有的在MPEAs中创建分层异质性的策略通常涉及复杂且耗时的多阶段热机械处理。相比之下，直接铸造无需后续变形加工，通过实现复杂形状部件的成本效益高的批量生产，展示了独特的优势。然而，铸态MPEAs在拉伸中通常表现出高强度但低延展性，或反之亦然。因此，如何在不采用复杂热机械加工的情况下，通过直接铸造开发高性能MPEAs仍然是一个挑战。 在本研究中，通过用廉价的Fe替代昂贵的Co，并同时在CrFeNi系统中引入Al和Ti元素，成功解决了上述问题。基于系统的热力学计算对相形成的评估，优化了5 at.% Al和5 at.% Ti添加的合金成分，以在合金中构建分层异质结构，其中包括在FCC基体内形成一致的L12纳米颗粒以及在BCC晶粒内析出多层次颗粒。通过制造的Cr30Fe30Ni30Al5Ti5铸造MPEA（1R < 混合熵（ΔSmix = 1.38R）< 1.5R）验证了这种设计策略，由于位错与多尺度析出物之间的协同作用，提供了卓越的强度-延展性组合。进一步研究了结构和变形行为的细节，以阐明微观结构的形成和强化/延展机制。 图文导读 图1 Cr30Fe30Ni30Al5Ti5铸造多主元合金的成分设计与相分析。a-c) 相形成与计算热力学参数的关系：a) VEC与δ的关系，b) Ω与δ的关系，以及c) ΔHmix与δ的关系，在(CrFeNi)100-x-yAlxTiy合金中。d, e) VEC、ΔHmix及相组成对(CrFeNi)100-xAlx和(CrFeNi)100-xTix合金中Al或Ti含量的依赖性。f) Cr30Fe30Ni30Al5Ti5多主元合金的计算平衡相图，展示了相体积分数与温度的关系。 图2. Cr30Fe30Ni30Al5Ti5铸造多主元合金的分层异质结构。a-d) 随着放大倍数的增加，显示MPEA的复合结构及BCC区域内的分层沉淀物的SEM和明场(BF)透射电子显微镜(TEM)图像。e) FCC区域的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像（插图：快速傅里叶变换(FFT)模式）。f) L12颗粒的重建逆傅里叶变换(IFFT)图像。g) BCC基体中核心-壳结构NL颗粒的BF-TEM图像（插图：沿[100]和[110]区轴的选区电子衍射(SAED)模式）。h) g)中框选区域的HRTEM图像（插图：BCC基体、η-Ni3Ti壳和L21核心的FFT模式）。i) 核心-壳结构NL颗粒的元素分布（壳结构由青色箭头指示）。j-m) j, k) B2 (NM)和l, m) η-Ni3Ti (NS)颗粒的HRTEM和重建IFFT图像（插图：FFT模式）。n) NM和NS颗粒的元素分布。IFFT图像是使用其对应FFT图像中的圈定空间频率重建的。 图3. Cr30Fe30Ni30Al5Ti5铸造MPEA的单轴拉伸性能与其他合金的比较。a) Cr30Fe30Ni30Al5Ti5铸造MPEA与具有FCC和FCC + BCC结构的CrFeNi合金的拉伸工程应力-应变曲线，以及含有纳米沉淀物的CrFeNiNb0.158和(CrFeNi)96Ti4合金的比较。b) Cr30Fe30Ni30Al5Ti5铸造MPEA与在CrFeNi体系中经过复杂多步热机械处理的其他MPEA的σu与εe的比较。c，d) c) Cr30Fe30Ni30Al5Ti5铸造MPEA与其他铸造MPEA（IMC：金属间化合物）的σu与εe的比较，以及d) σu × εe与σy的比较。 图4. Cr30Fe30Ni30Al5Ti5铸造多主元合金在断裂后的形态及微米至纳米级结构。a, b) a) 侧面和b) 断裂表面的宏观至微观断裂形态。c) 断裂后多主元合金的扫描电子显微镜(SEM)图像及相应的d) 带对比度图，e) 相图，f) 取向分布函数(IPF)图和g) 关键区角度分布(KAM)图。HAGB: 高角度晶界。h) 变形面心立方(FCC)框架的透射电子显微镜(BF-TEM)图像（插图：包含缠绕位错区域的相应快速傅里叶变换(FFT)模式）。i) 沿[110]方向拍摄的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像。j) i) 中框定区域的放大图，显示3个晶格位错的伯杰斯回路。k, l) 变形体心立方(BCC)晶粒的BF-TEM图像。m) 微带剪切L21颗粒的示意图。n) HRTEM图像及o) BCC/η界面处的相应广义位移场(GPA)应变场（由k)中的红框框定）。n) 中的插图为BCC（上）和η（下）相的FFT图像。p) HRTEM图像及q) BCC基体的相应GPA应变场（由l)中的蓝框框定）。 图5. 示意图展示了铸造多主元合金中分层异质结构的演变及其机械作用。a) 在固化过程中形成包含多尺度析出物的异质结构的过程。b) MPEA的变形机制示意图以及分层异质结构在增强材料和分散应变中的机械作用。阶段I：弹性-塑性变形；阶段II：塑性变形；阶段III：损伤至断裂。 结论 本研究设计并制造了一种多组分Cr30Fe30Ni30Al5Ti5铸造多主元合金（MPEA），其具有经过精心调控的分层异质结构，涉及微米到纳米级的析出物。这种结构赋予了MPEA在铸造状态下卓越的机械性能，其强度-延展性组合超过了其他多组分CrFeNi合金，即使经过复杂的热机械处理和其他铸造MPEA。多尺度析出物在阻碍位错运动、促进位错增殖和堆积以及诱导大规模位错网络和堆垛缺陷方面发挥了重要作用，从而显著增强了强度，同时有助于良好的延展性。本研究为设计高性能MPEA提供了一种新策略，使得最终组件能够直接铸造，而无需复杂的加工工艺，这在锻造合金中是必需的。这项研究进一步有助于理解此类异质结构材料中的塑性变形。 文献链接 Materials Today：Exceptional strength-ductility synergy in a casting multi-principal element alloy with a hierarchically heterogeneous structure https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.10.009
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