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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

学科探索

金属顶刊《Acta Materialia》氢气“炼钢”！氢气竟能强化合金！新型高强耐磨合金诞生！合金硬度耐磨性双双提升！ 2025-01-07 ; 1研究背景 氢作为一种绿色能源载体，因其在减少化石燃料使用过程中产生的二氧化碳排放方面的潜力而备受关注。然而，氢的广泛应用需要开发能够在高温下耐受富含氢环境的先进金属合金。难熔复杂浓合金（CCAs），尤其是TiNbZrHfTa家族，因其在高温下优异的力学性能和广阔的设计空间，被认为是潜在的候选材料. 例如，这类合金在1000°C时的屈服强度约为300 MPa. 在设计CCAs时，一个关键挑战在于如何稳定单相固溶体，这通常依赖于最大化配置熵. 然而，在一些难熔CCAs中，经过热处理后，通过第二相析出和有序相形成而导致的相分解现象也时有发生.氢在多种化学物质中存在，如H2、NH3和烃类等。氢原子的尺寸非常小，其玻尔半径仅为0.529 Å，这使得氢能够轻易地进入金属晶格，尤其是对于像难熔CCAs这样的体心立方（BCC）金属，其堆积密度仅为68%。这一特性促进了氢在材料中的扩散和与宿主金属原子的相互作用。此外，氢的中等电负性（2.2）使其能够与金属元素形成多种化学键（如离子键和共价键）。长期以来，氢被视为对结构材料有害的元素，可能导致金属构件的灾难性失效，即氢脆现象。另一方面，氢与多种碱金属（如Li、Na、K）、碱土金属（如Mg）和难熔金属（如Ti、Zr、Hf）形成金属氢化物，通过可逆的相变过程，这是氢储存材料的基础。因此，深入了解氢与难熔CCAs中组成金属元素之间的相互作用对于优化其成分和微观结构，使其适用于氢富集环境中的结构材料或氢储存材料至关重要. 2成果简介 在这项研究中，研究人员揭示了在500°C下，TiNbZrHfTa等原子比复杂浓合金在暴露于H2时，纳米尺度上发生的氢辅助斯宾纳尔分解现象。该分解路径通过三维原子探针断层扫描技术探测到，表现为在H2气氛中经过长时间处理（从0.5小时到2小时）后，主要金属元素的上坡扩散行为和周期性成分调制。分解后的合金由富含Zr和Ti的针状相和富含Nb和Ta的相组成。从晶体学角度来看，斯宾纳尔特征优先沿基体相的<001>方向排列，以最小化弹性应变能。为了更好地理解氢在斯宾纳尔分解中的作用，研究人员进一步开发了一个统计热力学模型，通过引入氢来预测TiNbZrHfTa-H系统的相稳定性。分析表明，氢通过扩展斯宾纳尔区域来破坏单相固溶体的稳定性。这种纳米尺度的斯宾纳尔分解增强了所研究合金的硬度和抗磨性能。因此，这项研究不仅为氢对相稳定性的影响提供了基础见解，还展示了一种通过引入氢作为间隙合金元素来调节微观结构的新型合金设计策略. 3图文导读 图1：(a) 未处理、HT-Ar和HT-H2样品的高能X射线衍射（HEXRD）图谱和 (b) BCC211峰的放大视图。(c) 通过HEXRD峰的(sinθ)²与(h²+k²+l²)的关系图来确定未处理和HT-Ar样品的晶格参数。(d) HT-H2样品BCC211峰的去卷积放大图像. 图2：(a, d) 未处理，(b, e) HT-Ar和 (c, f) HT-H2样品的背散射电子（BSE）图像及其代表性放大图像。(f)中的插图显示了具有暗（黑色）和亮（红色）对比度的区域的宽度分布. 图3：(a) 典型的明场透射电子显微镜（TEM）图像，以及对应的 (b) 选区电子衍射图，显示单个BCC相。电子束沿[001]晶带轴。(c) 原子探针断层扫描（APT）三维重建图，显示Ti分布、Zr分布和叠加的Ti和Zr分布。(d, e) APT图显示基体中的Ta富集纳米特征。使用含22 at.% Ta的等浓度面突出显示Ta富集纳米特征。(f) 沿(e)中标记的青色圆柱体计算的一维浓度分布图，柱体的binning大小为0.5 nm. 图4：(a) 未处理样品和 (b) HT-Ar样品中Ti和Zr分布的三维APT图。(c) 未处理样品和 (d) HT-Ar样品中主要元素沿黄色圆柱体的浓度分布图。(e) 未处理，(f) HT-Ar和 (g) HT-H2样品中Ti原子的第五近邻分布（NND）. 图5：在H2中处理的样品的APT重建的Zr等浓度面，处理时间为 (a) 0.5小时，(b) 1小时和 (c) 2小时，以及对应的二维等高线图。(d) 沿(a-c)中标记的黄色圆柱体的Zr一维浓度分布图，误差条表示每个柱体计数统计的标准偏差。(e) 在H2下退火时间下斯宾纳尔波长的演变. ; 4小结 研究表明，氢可以作为一种有效的工具来改变TiNbZrHfTa等原子比复杂浓合金在500°C下的局部热力学环境，促进斯宾纳尔分解。形成了一种周期性调制的化学模式，波长约为13 nm，由富含Ti和Zr的一个相和富含Nb和Ta的另一个相组成。针状的斯宾纳尔特征优先沿<001>方向排列，以最小化系统的弹性应变能。这种氢辅助的斯宾纳尔分解通过氢改变系统的局部热力学景观而得到合理化，从而扩展了斯宾纳尔区域。此外，研究人员还展示了这种氢辅助的斯宾纳尔分解可以提高合金系统的硬度和耐磨性。因此，这项研究展示了一种通过从热处理环境中引入氢作为获得的合金元素来触发斯宾纳尔分解的新型策略，为设计亚稳态合金和提高力学性能开辟了新的途径. ; 文献： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120707
【ACS Nano】轻质高刚度纤维素摩擦电气凝胶 2025-01-05 【研究背景】可穿戴电子产品在实时人体运动数据采集、人体健康评估和疾病诊断等方面展现了巨大的应用潜力。如可穿戴的人体外骨骼可以帮助人体康复训练和提高残障人士的生活质量。通过传感设备进行数据监测，可以有效反馈身体损伤患者的康复过程，用以帮助用户更好地理解他们的运动和姿势。基于接触起电和静电感应耦合机制的摩擦纳米发电机可实现自供电可穿戴传感，这将避免了笨重外部电源的使用。轻质摩擦电材料的使用将有效减轻设备重量，这将提高用户的运动能力，有利于人体姿势的准确评估。然而，长期的高应力运行易导致摩擦电材料的结构损坏，这将导致材料传感性能下降和信号误差。通常，提高材料的机械性能将不可避免地增加材料的密度和质量，构建具备轻质特性和高鲁棒性摩擦电材料的过程仍是缺乏经验的和复杂的，因此，目前亟待解决低密度和高刚度不可兼得的问题。【文章概述】近日，王双飞院士团队基于一种跨尺度强化机制的设计策略，赋予了纤维素摩擦电材料高刚度特性，使得其能够承受自身16600倍以上的重量而不发生任何形变。首先通过定向冰模板法得到具有“墙-隔膜”微米级仿生多孔结构，然后通过盐析作用促进了聚合物分子链之间形成更多的氢键。这使得摩擦电材料的杨氏模量为130.3 MPa，比模量为409.0 kN m/kg，即使在735.5 kPa压强冲击下仍能稳定工作。这项成果以题为《Lightweight and Mechanically Robust Cellulosic Triboelectric Materials for Wearable Self-Powered Rehabilitation Training》发表在最新一期《ACS Nano》期刊上，博士后蔡晨晨为本研究的第一作者，聂双喜教授为通讯作者，刘涛、蒙香江、罗斌、迟明超、王金龙、刘艳华、张松、高聪、白亚宇等参与研究。【图文导读】1. 摩擦电材料的设计策略 在本研究中，摩擦材料的设计策略基于一种跨尺度强化机制。首先通过冰模板法构建“墙-隔膜”仿生结构，赋予材料有序网络结构；进一步通过盐析作用增强了分子链之间氢键作用，最终赋予纤维素气凝胶基摩擦电材料高刚度特性。仿生结构受到了墨鱼骨的启发，墨鱼骨是墨鱼内部的一种轻质多孔的生物矿化壳，主要是由背盾和腹侧的腔体组成。在背腹垂直剖面中，每个腔室都由复杂的水平隔膜及垂直壁组成，这种结构组成赋予墨鱼骨优异的耐损伤性。 图1. 摩擦电材料的设计策略2. 摩擦电材料的制备 首先，将纤维素纳米晶（CNC）聚合物悬浮液进行定向冷冻，然后直接浸入柠檬酸钠盐溶液中；将盐析后的凝胶进行冷冻，再经冷冻干燥得到Salting-out/SCMC/CNC气凝胶。在定向冷冻过程中，移动的水-冰晶将推出聚合物，并将其限制在冰晶间隙区域（以及冰晶中），从而实现“墙-隔膜”仿生结构的构建。在随后的盐析过程中，盐析效应进一步引起聚合物分子链之间的氢键作用的改变，强化了有序网络结构，显著提高了材料的力学性能。“墙-隔膜”有序网络结构是通过控制悬浮液中聚合物运动速率实现的。通过羧甲基纤维素钠（SCMC）调控了悬浮液的粘度，其中添加SCMC（质量分数仅为0.8%）后，聚合物悬浮粘度明显增大。粘度的增加抑制了聚合物的运动速率，在同样的冷冻温度条件下，“墙-隔膜”的仿生结构更易生成。 图2. 摩擦电材料的制备3. 摩擦电材料的力学性能 作为轻质多孔的气凝胶基摩擦电材料，在循环测试过程中材料结构的稳定性是确保输出性能准确的重要条件。摩擦电材料的压缩测试应力-应变曲线主要包括三个阶段：线性弹性状态<6.8%的应变，非线性弹性状态在6.8%和50.2%应变之间，以及50.2%的应变后的致密化过程。摩擦电材料的力学性能（杨氏模量为130.3 MPa，比模量~409.0 kN m/kg）明显高于另外两种气凝胶基摩擦电材料，且也高于先前报道的具有刚度性能的气凝胶。 图3. 摩擦电材料的力学性能4. 力学性能的强化机制 摩擦电材料首先获得了微米尺度下的有序网络结构，盐析处理进一步赋予材料纳米尺度以及分子水平的强化，这种协同作用最终实现了其优异的刚度性能。对不具有仿生结构的气凝胶进行盐析处理，其机械性能与CNC气凝胶相近。因此，仿生结构和盐析的共同存在才能够实现跨尺度的强化，这是摩擦电材料获得优异刚度的关键。利用这种跨尺度的强化机制制备了多种生物基聚合物气凝胶。如纤维素纳米纤丝、壳聚糖、明胶、聚乙烯醇和淀粉气凝胶的机械性能在不同程度上都得到提升，有效证明了该设计策略与强化机制的通用性。 图4. 跨尺度强化机制5. 摩擦电材料的应用 结构的稳定性确保了摩擦电材料输出性能的稳定和准确。图5展示了基于摩擦电材料的传感器组成和应用。传感器具有较高的响应和恢复速度，响应与恢复时间分别为68 ms和72 ms，且在工作压强高达735.5 kPa时依旧可以工作。通过传感器对不同人体运动状态进行监测，以实现康复训练过程中数据的采集。如在康复训练的过程中，可以通过传感器响应时间反馈手部负载情况。同时，传感器表现具有良好的可重复性，每个弯曲角度的几个周期循环测试中具有均匀输出。 图5. 摩擦电材料的应用【结论】在这项工作中，展示了一种构建轻质高刚度摩擦电材料的通用策略。通过定向冰晶生长和盐析的协同作用，构建了微米级的仿生有序网络结构，这种“墙-隔膜”的仿生结构赋予了材料优异的力学性能；通过盐析作用进一步强化了该结构的力学性能。摩擦电材料被用于构建高鲁棒性的TENG与自供电人体运动姿势传感器，即使在高压强冲击下仍能稳定工作。实现了康复训练过程中人体运动状态信号的准确采集。这不仅为定制坚固轻质材料提供简单的策略和参考的机制，也为自供电的可穿戴电子产品提供更宽材料选择范围和应用领域。原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c08445
Adv. Mater.：MOF衍生的碳基材料在能源相关的应用 2025-01-04 【背景介绍】 金属有机骨架（Metal-Organic Frameworks，MOFs）以其具有高比表面积、高孔隙率、优异化学物理性质和热稳定性已成为构建新型纳米材料的热门前驱体。高温热解处理的MOF衍生的碳基材料（Carbon-based materials，CMs）不仅地继承MOF前体的多孔特性，还实现了活性组分的灵活功能集成，已在高效能源相关的应用中取得令人瞩目的发展势头。基于此，面向活性成分的精确筛选、结构调控和功能化等方面的MOF衍生的CMs设计，可以将微纳结构和活性成分的协同作用与电化学性能之间的内在关联和进化行为集成一体，拓展其应用，成为化学和材料科学领域的新兴研究热点。 图1. MOF衍生的不同类型的CMs的功能化应用概述 【成果简介】 近日，北京化工大学潘军青教授和新加坡南洋理工大学周琨教授的团队在材料综述的顶刊《Advanced Materials》上发表了题为“MOF-derived carbon-based materials for energy-related applications”的综述性论文（DOI: 10.1002/adma.202413658），博士研究生柴路路为第一作者。本综述从组成成分的角度去系统总结了不同类型MOF衍生CMs的合成策略与结构演变，详细阐述了成分设计和结构调控对电化学性能之间的内在关联和演变规律，并全面地分析了MOF衍生CMs在最新电化学储能（超级电容器，锂离子电池、钠钾离子电池等）和电催化（ORR、OER、CO2RR等）领域中的优异反应性能，强调了不同材料在各种场景中的优势（图1）。最后，总结了目前MOF衍生CMs面临的挑战和现状，并对未来研究方向与挑战进行了指导性的展望。 【图文导读】 1. MOF衍生CMs设计中的合成策略 从MOF前驱体的成分设计控制考虑，如金属节点和有机配体的合理选择、配位方式选择以及碳化条件选择，可以有效地定制高效的多功能的碳材料，在与能源相关的领域中展现出重要的应用前景。从不同MOFs衍生的CMs主要分为四大类：无金属的纯碳材料、无金属的杂原子掺杂的CMs、金属掺杂的CMs（如金属纳米颗粒和单/双原子）以及金属化合物掺杂CMs（金属氧化物、金属磷化物、金属硫化物和LDH等）（图2）。 图2. 由MOF衍生的的各种CMs的结构图。 1.1 无金属碳基材料 MOF衍生的无金属CMs通常是将MOFs前驱体进行高温热解、原位蒸发或浸出金属物种等方法来获取。其中无金属CMs包括纯碳和杂原子掺杂碳材料。 图3. 各种MOF衍生的纯碳材料的合成策略 对于纯碳材料的制备，大多都选择常见的羧酸配体H2BDC和H3BTC等配体与低沸点的金属盐（Zn：907 oC，Cd：767 oC等）配位形成低沸点的金属基MOFs，随后MOF在高的碳化温度（800-1200 oC）下直接碳化，其中有机骨架分解，金属物种被原位蒸发。另外，高沸点的金属基MOFs，例如Al、Mg、Fe、Co、Ni、Cu、In等在碳化过程中容易形成金属氧化物或金属颗粒，可以通过酸或碱刻蚀进一步去除来得到具有丰富孔隙结构的无金属CMs。此外，对获得的无金属CMs还可以通过化学活化手段与KOH和KNO3进行额外的氧化还原反应，生成更大比表面积的活性碳（AC），同时释放出一些气体（CO、H2、CO2和H2O等）（图3）。 对于杂原子掺杂碳材料的制备，主要通过原位热解掺杂和反应性杂原子源进行后处理掺杂的合成工艺来获得单一或多种杂原子的有效掺杂（图4）。 图4. 各种MOF衍生的无金属杂原子掺杂CMs的合成策略 1.2 金属掺杂碳基材料 通过高温热解，MOFs中的金属阳离子被还原形成金属纳米颗粒或单原子均匀地锚定在多孔碳基底上。相比于原位热解、空间约束、吸附还原、配位设计、两步热解等多种合成策略 其中金属纳米颗粒因较大的尺寸和丰富的表面活性位点，显著地提升了电化学反应中的电流密度，但在反应过程中易团聚导致较差的长期稳定性。传统的金属NPs/合金相比，金属单原子（SAs）或双原子（DAs）由于明确的电子结构和极高的原子利用率，可以减少金属资源的使用，有利于有效降低催化剂成本。目前已有原位热解、空间约束、吸附还原、配位设计、两步热解等多种合成策略被报道，从而为催化剂设计开辟了新的方向，促进了高效、低成本催化剂的发展（图5）。 图5. 各种MOF衍生的单原子/双原子负载的CMs的合成策略 1.3 金属化合物掺杂碳基材料 金属化合物如金属氧化物（MxOy）、金属硫化物（MxSy）、金属磷化物（MxPy）和LDHs等也可以嵌入在多孔碳基底中，形成稳定的杂化结构。这些CMs是MOFs通过热解和后续处理工艺中金属离子与引入的氧、硫、磷、尿素等物质反应生成相应的金属化合物，从而赋予材料优异的导电性、催化活性以及稳定性，展现出在能源和其他领域的应用前景（图6）。 图6 各种MOF衍生的MxPy/CMs的合成策略 综上所述，上述MOF衍生的CMs合成策略是涉及MOF前体的选择性制备和MOF基前体/模板经过一系列后处理（例如碳化、表面修饰和化学改性）的转化，以实现高孔隙率、高导电网络、丰富的活性位点和多样化的结构特征。尤其是在组分调控、形貌控制和结构工程方面的上述合成策略为先进的MOF衍生的CMs在能源相关的应用中带来了难以想象的机会。 2. MOF衍生碳基材料在能源相关领域中的应用 如上述所述，通过不同合成策略获得的MOF衍生的CMs赋予高导电性、良好的润湿性、充足的活性位点、快速的电子/离子转移以及高的整体稳定性的多重优势，成为替代商业化的活性碳的环境友好的电极材料或催化剂。本节将讨论利用纳米结构的MOF衍生的CMs在电化学转化与储存等方面的应用 2.1 电化学储能（EES）应用 在EES系统中，具有独特微结构的电极材料决定了离子/电子的传递途径、活性位点的数量和分布以及材料的稳定性，在新型储能领域具有至关重要的地位。目前，通过合理的设计和调控，MOFs衍生的碳复合材料在超级电容器（SCs）、锌离子电池（ZIBs）、锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）等储能领域具有很大的应用潜力（图7和图8）。 图7. 各种MOF衍生的CMs在SCs中的电化学性能。 图8. 各种MOF衍生的CMs在LSBs中的电化学性能。 2.2 电化学能源转换（EEC）应用 高效合理的电催化剂是降低能量壁垒和提高催化性能的迫切要求，对EEC装置的实际应用具有重要意义。MOF衍生的CMs具有丰富的多孔结构、丰富的活性成分、优异的导电性和机械强度等优点，已被证明是EEC领域（如ORR、OER、HER、CO2RR、NRR）的优异活性材料（图9和图10）。 图9. 各种MOF衍生的CMs在ORR/OER中的电化学性能。 图10. 各种MOF衍生的CMs在CO2RR和NRR中的电化学性能。 2.3 环境可持续性应用 工业废水和化石燃料燃烧等各种来源产生的污染物已成为一个紧迫的环境问题。MOF衍生的CMs因其固有功能化结构和优异的催化活性，在解决日益紧迫的环境危机中也得到了迅速发展，尤其是在通过高效吸附和催化降解有机污染物和重金属等方面发挥了举足轻重的潜力，从而利于废水净化和环境修复（图11）。 图11. 各种MOF衍生的CMs在环境可持续性领域中的电化学性能。 以上提及的不同组分和结构的MOF衍生的CMs在能源相关的应用中均展现出优异的电化学性能和长期循环稳定性。其中高比表面积、等级孔道结构和金属/非金属掺杂能够提供丰富的活性位点，显著提升电荷传输效率和催化活性，赋予材料高容量、高倍率性能及优异的催化反应选择性。 【总结与展望】 本文综述了近五年来MOF衍生的CMs在能源相关的应用中结构功能优化设计和电化学性能之间的关系。我们详细地描述了由MOF前驱体通过各种可控的合成策略来制备不同功能化的多孔CMs。而且，通过结构与固有性能之间的关系，继续探索了这些CMs在能源相关领域中的具有优异的电化学性能和循环稳定性，推动了其在未来可持续新能源技术的发展和创新。虽然MOF衍生的CMs在电池和电催化过程中取得了重大进展，但在未来的研究中仍需要探索和解决一些未探索的机遇和挑战，例如设计和开发新型MOF结构和其衍生的CMs，深入研究其在电池和电催化过程中的应用；其次，优化的制备策略、理清结构反应机理、发挥协同多功能性能和中试放大效应等挑战推动其进一步发展和在更多领域的实际应用（图12）。 图12. MOF衍生的CMs在未来面临主要的挑战。 文献信息 Lulu Chai, Rui Li, Yanzhi Sun, Kun Zhou*, and Junqing Pan*, MOF-derived carbon-based materials for energy-related applications, Adv. Mater., 2025, DOI: 10.1002/adma.202413658 https://doi.org/10.1002/adma.202413658
《Science》子刊：揭示滑移对氢致裂纹萌生的作用机理！ 2025-01-02 因此，目前尚不清楚滑移是否会导致裂纹萌生？裂纹萌生是否会导致滑移？裂纹萌生和滑移是否有共同的原因？或者它们的共存只是偶然的？此外，氢（H）在滑移辅助裂纹萌生中的作用仍然不清楚。 日前，美国德州农机大学的研究人员进行了原位拉伸应变实验，以研究氢和滑移在镍基合金725裂纹萌生中的作用。实验表明，氢没有增强局部滑移的趋势，也不需要滑移来引发裂纹。使用电化学充电将氢引入样品中，熔融提取测量氢含量，数字图像相关性（DIC）分析扫描电子显微镜原位拉伸试验中的局部塑性应变。裂纹在有和没有附近局部滑动的区域都会出现。此外，在较高的氢含量下，没有附近滑移的裂纹萌生比例更大。滑移辅助裂纹萌生通常发生在阻止晶间滑移的位置，特别是在滑移相干孪晶边界与薄孪晶薄片的交叉处。在没有附近滑移的情况下开始的裂纹出现在更广泛的微观结构特征上，包括夹杂物、三重结和表面缺陷。 因此，目前尚不清楚滑移是否会导致裂纹萌生？裂纹萌生是否会导致滑移？裂纹萌生和滑移是否有共同的原因？或者它们的共存只是偶然的？此外，氢（H）在滑移辅助裂纹萌生中的作用仍然不清楚。 相关成果以“Role of slip in hydrogen-assisted crack initiation in Ni-based alloy 725”为题刊登在Science Advances上。 原文链接： https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado2118 ; 图1. 拉伸试验和断裂表面 图2. 不同氢含量下的偏应变 图3. 裂纹萌生 图4. 有/无滑移区域内的裂纹萌生 图5. 晶界处滑移 图6. 沿小角度晶界的裂纹扩展
东北大学李松教授ACS Mater Lett：向极端条件迈进，创造新材料 2025-01-01 材料科学研究结构（structure）、制备（processing/synthesis）、性质（property）与效能（performance）之间的四面体关系，其中，制备将其它三项关键要素紧密联系起来。制备技术的创新不仅推动发现新材料，还扩展材料科学的研究边界，是现代材料发展的核心动力。无论是自下而上的化学合成，还是自上而下的处理过程，材料制备是原子系统向平衡态趋近的过程。由于制备条件的限制，传统材料制备通常在热力学近平衡的条件下进行，严重限制了新材料的发现速度。正如习近平总书记在全国科技大会上讲话中所指出，“当前，新一轮科技革命和产业变革深入发展。科学研究向极宏观拓展、向极微观深入、向极端条件迈进、向极综合交叉发力，不断突破人类认知边界”。近年来，材料科学家将材料制备条件不断推向更加远离平衡的状态，在极端条件下制备新材料、考察结构演化新路径并获取非凡功能，创新了多种极端条件制备策略，包括超快合成、焦耳脉冲速热、碳热冲击、极端温度梯度和快速凝固等，突破热力学平衡对新颖材料结构的限制，获得了一大批与平衡态结构显著不同的结构和功能材料，代表了材料制备科学的新范式。近日，东北大学材料学院与杭州电子科技大学、天津大学等单位合作，在ACS Materials Letters在线发表评述论文“Far-From-Equilibrium Processing Opens Kinetic Paths for Engineering Novel Materials by Breaking Thermodynamic Limits”，总结了近年来在材料远平衡（FFE）制备领域取得的进展，指出其共同特征是利用远平衡极端条件动力学捕获材料的非平衡结构，进而实现前所未有的材料功能或性质。以自由能在时空维度上的梯度为主要出发点，论文提供了在理解远平衡材料合成过程的统一观点和指导策略1. FFE制备基本原理远平衡现象在自然界和材料体系中普遍存在。著名物理学家普利高津甚至称：“远平衡乃有序之源”。在材料制备过程中，无论是前驱体到产物的转变还是相变过程，系统的自由能都受到温度、压力和电势等热力学参数的显著影响（如图1）。尽管热力学决定了材料的平衡态原子构型，但动力学过程主导了构型形成的路径。在非平衡条件下，系统自由能的降低驱动着成核、晶体生长等过程。图1 材料结构演化过程的能量变化，显示了热力学产物与动力学控制产物之间的区别如图1，系统最终会趋向于占据自由能势垒图中的局部或全局最小值，分别对应于亚稳态和热力学稳定态。至少在材料功能使役的时间尺度上，这两种状态的成分和结构相对稳定，不会进一步演变。然而，在合成过程中，材料体系往往会经历一系列的亚稳态，最终获得何种结构的材料在很大程度上取决于动力学因素。通过控制热力学条件，研究人员将合成条件推向远平衡状态，通过动力学过程捕获具有优异性能的非平衡态结构，如高熵纳米材料和块体不固溶的纳米合金。2. FFE制备和处理的策略时间维度的温度调控（∆T）远平衡过程使材料处于偏离热力学平衡的条件下，从而为创造具有常规平衡方法无法实现的材料新特性提供了独特途径。在众多热力学参数中，温度是一个基本参数，它显著影响原子间的相互作用，决定了材料在不同温度范围内的稳定结构和组成。材料制备是一项关于平衡的艺术。传统的材料合成或加工中，精确控温至关重要。这是因为在时间尺度上，材料内部总是存在多个受温度控制的原子运动过程，材料最终所呈现的成分/结构正是这些过程所平衡的结果。远平衡制备方法在更短的时间尺度上、更宽范围内调控过程温度，可望解耦材料内部的子过程，使材料生长过程朝着希望的方向发生。无论是传统合金还是新型纳米材料，都大幅拓宽材料探索空间。图2 通过在时间维度上操纵温度来加工远平衡材料如图2所示，利用温度实现远离平衡加工的关键在于在时间和/或空间维度上施加显著的温度梯度，从而实现自由能的陡峭梯度。遵循这一原则，人们成功开发了各种加工策略，如合金的超快热处理获得软硬双相组织、瞬热制备高熵合金纳米颗粒材料等。空间维度的温度调控（∆T）大多数材料加工技术通过辐射、对流或传导等方式使用外部能量将材料加热至高温。由于热源与加热区域之间的空间不匹配，在材料内部产生空间温度梯度。当温度梯度足够大时，会为材料的组成原子建立远平衡热力学环境，从而通过调控依赖过程（如原子扩散、晶粒生长和元素合金化）的相对动力学，促进形成非常规微观结构。图3 通过在空间维度上操纵温度来加工远平衡材料图3展示了在结构材料以及功能材料领域中，操控温度梯度进行材料加工和制备的典型例子，包括增材制造和表面强化处理，以及通过在固液界面建立陡峭的温度梯度来制备结构化催化剂和高熵合金纳米粒子的方法。以传统铸造铝合金为例，受热转移过程限制，容易生长为粗大晶粒。东北大学秦高梧教授等人提出“双冷场”铸造技术，通过在热顶上部连续浸入与锭坯同成分的铝合金，耗散锭坯中心的凝固潜热，大幅减小了结晶器“外侧单一冷却”温度场不均匀性，诱导大量同成分的细小凝固核心，得到初生相细小、晶粒均匀的优质铝合金铸锭。电化学调控（∆E）电化学过程中，电极电势的作用类似于热激活过程中温度的作用，通过调节电极电势可以显著且快速地改变合成系统的热力学条件。更为重要的是，电极电势可以轻松产生电子系统在eV量级上的自由能变化（∆G），远大于室温下的热能（kBT，约26 meV），因此通过调节电极电势可以方便地创造远平衡的环境。图4 通过控制电压（∆E）获得的远平衡材料图4展示了电化学过程在制备通过热化学方法难以获得的亚稳材料方面的能力，以及通过调节电极电位来创造FFE环境，从而合成具有均匀元素分布的高熵合金和固溶纳米合金。3. 总结展望总结而言，传统的近平衡态材料处理技术限制了材料微观结构和性能的定制空间。远平衡（FFE）方法代表了材料制备科学的范式转变，它克服了材料生长动力学的热力学限制，开辟了新材料设计崭新空间。本评述论文聚焦通过温度和电势来创造FFE环境，进而调节系统自由能（ΔG）的原理和应用。特别值得关注的是极端电化学条件调节制备条件的重大潜力，弥补了仅通过热化学方法（ΔT）合成材料的不足。尽管进展显著，FFE合成和材料的研究仍处于早期阶段。众多科学和技术挑战需要关注和解决，作者建议关注精确控制FFE过程、FFE过程的电气化、FFE合成材料的稳定性以及与AI驱动的材料设计等方向。
浙大郭庆辉联手诺奖得主Nat. Sustainability.：将生物质在室温下一步转化为还原氧化石墨烯 2024-12-28 一、【科学背景】石墨烯是一种由SP2碳原子组成的二维（2D）材料，对其物理化学性质的研究在材料科学和凝聚态物理学中非常重要。石墨烯和石墨烯相关二维材料（GR2Ms）的研究为其他二维材料的研究提供了渠道，有着十足的研究潜力。还原氧化石墨烯（RGO）是一种GR2Ms，具有与石墨烯相似的良好导电性。RGO表面含有大量的空位和官能团，例如羧基、羟基和环氧基等，在诸多领域有着宝贵贡献。尽管有关制备方法的研究了已经持续了二十年，但大规模生产却并不容易。目前的生产方法依赖于石墨矿物的剥落，如高度定向的热解石墨。不幸的是，这些方法成本高昂，而且不可持续，因为它们涉及在恶劣和危险条件下执行实验的多个步骤。生物质储存太阳能并通过植物光合作用吸收二氧化碳，是一种天然的可持续富碳有机物来源。然而，由于其化学复杂性，生物质的利用程度有限，甚至被视为废物。尽管生物质或类似的富碳有机物可用于生产碳质材料，但它必须在800°C以上的温度下碳化，并在2000°C以上石墨化。其中一些转化需要催化剂来降低反应温度。不幸的是，这些要求加起来是一个高度不可持续的能源和耗时的过程，以及将生物质绿色和多功能地转化为碳的过程。因此需要找到新的出路来解决生物质转化为RGO的难题。二、【创新成果】基于上述挑战，近期浙江大学郭庆辉研究员与美国西北大学诺奖得主J. Fraser Stoddart教授联合报告了一种一步脱水-冷凝方法，该方法仅使用浓硫酸在室温常压下从生物质中经济、绿色地制备克级GR2Ms。该方案已成功应用于各种类型的生物质和碳水化合物，GR2Ms产品的质量收率为33%。该产品的性能与经典的还原氧化石墨烯（RGO）的性能一致，但它不需要由石墨矿物生产。温和的反应条件大大降低了能量输入，同时为监测RGO成核和生长的动力学提供了一个简单的平台。与传统方法相比，能耗降低了98%。总体而言，这项研究的结果为可扩展和可持续的GR2Ms生产铺平了新的道路。图1室温下生物质转化为石墨烯和D-C RGO的表征；© Springer Nature Limited 2024首先，如图1所示，研究人员对生物质中的纤维素和葡萄糖实验表明，所涉及的反应类似于葡萄糖在浓硫酸（H2SO4）中的经典脱水缩合（D-C）反应。基于这一观察，研究人员提出了一种纯碳范式，并将其成功应用于各种碳水化合物。研究人员在室温下将生物质直接在浓H2SO4中脱水时，意外地获得了一种黑色的RGO粉末。由于D-C产物的性质与传统RGO相同，研究人员将其命名为D-C RGO。图1b显示了生姜衍生的D-C RGO的球面像差校正透射电子显微镜（AC-TEM）图像，石墨烯的平面晶格清晰可见，明确的选区电子衍射（SAED）图表明，该研究获得了高质量的RGO。富碳有机物的传统石墨化涉及密集的热解过程，传统过程的能耗估计为7.62×106 kJ g−1，D-C方法的能耗为2.28×102 kJ g−1，具有更低的能耗。图2 生物质衍生的D-C RGO的表征；© Springer Nature Limited 2024随后，如图2 所示，在室温下，白杨木、麦秸、毛竹粉、茅草、生姜和亚麻都通过一步D-C法转化为石墨烯。研究人员通过拉曼光谱对不同生物质来源的D-C RGO样品进行了鉴定。拉曼光谱中观察到的1345 cm-1的D峰和1590 cm-1的G峰分别代表石墨烯的缺陷和规则晶格特征。表征实验证明，D-C法转化合成的还原氧化石墨烯要比商业石墨烯更好。图3 在分子水平上探索反应机理和提出的纯碳范式； © Springer Nature Limited 2024如图3所示，研究人员通过对生物质的三种主要成分，即纤维素、半纤维素和木质素进行对照实验，逐步分解这些化学成分，并确定纤维素(C6H10O5)n是D-C反应中的反应性成分。淀粉(C6H10O5)n是纤维素的异构体，也可以转化为高质量的D-C RGO。从结构角度来看，纤维素和淀粉都由d-吡喃葡萄糖单元组成,鉴于纤维素可以被H2SO4水解为葡萄糖（C6H12O6），研究人员假设D-C反应中的反应性化合物是葡萄糖。后续研究表明，葡萄糖经过脱水和缩合形成石墨烯。研究人员提出的纯碳范式表明：只有分子式为Cx(H2O)y的碳水化合物才能通过D-C方法生产RGO。图4 D-C法与常规方法制备GR2M的比较； © Springer Nature Limited 2024在图4中研究人员进一步证明了D-C方法与其它方法相比的优越性，即：1、反应条件常规，避免了高温高压苛刻环境。2、降低能耗节约时间。3、可以方便进行产量和中间体的监测。总而言之，D-C是一种绿色可持续制备RGO的方法。图5对D-C反应中石墨烯成核和生长行为的新认识； © Springer Nature Limited 2024图5中，研究人员对对D-C反应中石墨烯成核和生长行为有了新认识，体现在：1、D-C RGO成核的AFM图像清楚地显示了成核簇的形成；2、逐层生长结构表明D-C RGO倾向于使用已经形成的薄片作为模板生长；3、D-C RGO的顶层是在作为模板的下层晶格上生长的，十字形带状生长模式引人注目；4、提高温度会增加大面积D-C RGO形成的概率；该研究介绍的D-C方法的特点是其极低的能耗、低成本和克级的可扩展性。此外，与这种方法相关的温和条件提供了一种几乎达到理论最低能耗的可持续石墨化策略。以“One-step conversion of biomass to reduced graphene oxide at room temperature”为题发表在国际顶级期刊Nature Sustainability上，引起了相关领域研究人员热议。三、【科学启迪】综上所述，研究人员发明了一种温和有效的方法，从可持续生物质中制备D-C RGO。该方法涉及一步D-C过程，可以在室温下大规模进行。毫无疑问，鉴于生物质和碳水化合物供应充足，D-C方法的范围将在不久的将来扩大。这种简单的方法将简化GR2Ms的制备，并降低与其大规模制造相关的危险实验风险。研究结果表明，可持续的生物质废物和温和的D-C方法显示出替代化石原料和高温石墨化的潜力。农业和林业生产和加工留下的生物质将获得新的生命：它们将不再产生温室气体，而是将为制备GR2Ms提供一种替代方法。这种低能耗、低成本的方法生产的D-C RGO将比石墨烯更具可持续性，并将彻底改变商业应用。使用这种方法，生物质的石墨化温度可以从2000°C以上降低到25°C ，展示了科学进步对生态、环境和社会效益的强大推动作用。文献链接：One-step conversion of biomass to reduced graphene oxide at room temperature，2024，https://doi.org/10.1038/s41893-024-01480-x） 本文由LWB供稿。
华科黄云辉、姚永刚AEM综述：基于快速高温技术的废旧电池材料循环利用研究进展 2024-12-27 【研究背景】锂离子电池回收不仅能避免废弃电池引起的环境污染问题，而且对于实现关键电池材料的闭环制造至关重要。传统的结构破坏式元素循环策略，以火法和湿法冶金回收技术为代表，普遍存在高能耗和高污染的问题，尤其是面对大规模废旧电池的回收时，该问题尤为突出。相比之下，直接材料回收策略旨在修复失效材料的结构和性能，实现材料的循环利用，是一种高效且环境友好的替代方案。此外，电池活性材料的失效形式主要表现为表面相变、界面连接失效、颗粒内部原子尺度缺陷等，其结构修复是实现材料性能再生的关键。然而，废旧材料的组成复杂且同时存在多种失效机制，实现其高效且精准的直接回收仍存在巨大挑战。快速高温回收技术具有突出的技术优势，例如：（1）超快的反应动力学：极高的温度提供了足够的能量驱动化学反应；（2）极短的反应时间：通过界面、表面或相界面的时空限域反应，制备动力学中间态产物，实现材料结构的靶向再生或升级；（3）能耗低、效率高且碳排放量低，使得其在锂离子电池材料循环利用领域发展迅速且得到了广泛的应用。然而，快速高温回收技术的前期研究仍缺乏系统地总结和归纳，同时由于失效电池材料的复杂性以及电池级活性材料的高标准要求，使得快速高温回收技术在实际工业应用中仍充满挑战。【内容简介】近日，华中科技大学黄云辉教授、姚永刚教授等人，在Advanced Energy Materials上发表了题为“Kinetics dominated, interface targeted rapid heating for battery material rejuvenation”的综述，总结了基于快速高温技术的锂离子电池回收策略的最新进展，主要内容包括活性材料的高效回收、再生和再利用，重点强调了时空限域的界面化学反应及快速的反应动力学过程；同时，指出了快速高温回收技术的环境经济效益优势，分析了快速高温回收技术规模化可行性、潜在的商业模式及挑战；最后，面对日益增长的应用需求，作者概述了快速高温回收技术的未来重要的发展方向。【数据概览】图1 （A）废旧电池材料失效机制的空间分布，（B）快速加热技术的技术特点和优势，（C）高温且低活化能驱动的快速反应动力学，（D）原子扩散距离与时间的关系，（E）基于快速加热技术的废旧电池材料循环利用应用图2 不同的快速焦耳加热模式及其控制方法图3 基于快速加热技术的活性材料分离回收图4 基于快速加热技术的废旧石墨表面SEI重构图5 基于快速加热技术的石墨及钴酸锂表面结构修复图6 基于快速加热技术的体相缺陷修复图7 快速加热技术辅助的湿法回收及再制造图8 快速加热技术的规模化装置示意图及潜在的工业化路线图9 基于快速加热技术的电池材料循环利用的环境经济效益分析【结论与展望】 尽管快速加热技术在电池材料再利用方面取得了一系列成果，但面对复杂且不断变化的电池材料体系，其在材料直接回收方面仍处于起步阶段且有很大的探索空间。重要的研究方向如下：（1）快速加热技术的调控参数多（例如：加热温度、加热时间、加热周期数以及加热和冷却速率等），使得我们很难仅通过一次尝试就找到最佳的反应参数。因此，我们需要引入人工智能、机器学习方法来加速参数寻优过程。（2）文献中报告的退化材料通常只来自一种或同一类型的电池。然而，在大规模应用中，退化的活性材料在形态和尺寸上会有很大差异且存在各种失效状态（如：不同的锂含量）。针对混合退化活性材料的一致性再生或升级对其电化学性能至关重要。为了应对这一挑战，废旧电池的筛选可能是一种潜在的有效方法，可以根据使用过的电池的物理属性（如尺寸、重量和形状）、化学成分（如金属含量）或电子属性（如电压和电阻）对电池进行分类，以减少来料差异。这一过程有助于后续精准的快速加热再生，从而实现失效材料高效且一致性修复。此外，虽然通过单次快速高温热处理难以同时修复多种失效状态（例如：裂纹、锂空位和锂镍混排、锂铁反位），但该技术具有精细的时间和温度分辨率和独特的可编程性，可实现动态的温度调控，有望通过合理设计的多步骤快速热处理过程逐步修复多种失效机制并存的废旧活性材料。（3）废旧活性材料通常来源于5到10年前生产的电池，在容量、速率等方面落后于当前的商业电池。因此，仅恢复结构和组成的再生活性材料难以满足当前和未来的应用需求。有必要根据活性材料的发展方向进行升级制造。迄今为止，以金属化合物为前驱体，基于快速加热技术已经成功合成了包括单晶三元正极、高熵正极和表面改性活性材料在内的多种先进正极材料。然而，如何以废旧材料为前驱体，实现升级制造仍缺乏经验。（4）考虑到锂电池巨大的体量，除了高价值的正极和负极活性材料外，其他材料（如电解液、隔膜、集流体等）的回收和再利用对锂离子电池行业的可持续性也具有重要意义。此外，钠离子电池、固态锂离子电池和锂金属电池是非常有前景下一代储能电池。考虑到它们与锂离子具有相似的结构和组成，目前在锂离子电池上已取得的经验和策略或可平行转移至上述新型电池的回收应用。Authors: Hao Zhang#, Yaduo Song#, Jiale Zhao, Zhiheng Cheng, Jinming Guo, Minglei Cao, Haijun Yu, Hao Wang, Long Qie, Lixia Yuan, Yonggang Yao*, and Yunhui Huang*Title: Kinetics dominated, interface targeted rapid heating for battery material rejuvenationPublished in: Advanced Energy Materials, doi: 10.1002/aenm.202404838
密歇根大学：含钛高熵合金在航空发动机涡轮中的应用 2024-12-26 导读：对高熵合金（HEAs）的持续研究为开发相对较轻的合金提供了机会，特别是含钛高熵合金，其具有优异的性能组合，有望取代较重的高温合金。我们采用了一种新颖的数据驱动方法，从文献中筛选和选择含钛高熵合金，通过多属性决策（MADM）评估其在航空发动机涡轮中的潜在应用。不同 MADM 方法评估的合金排名具有一致性。数据驱动方法确定了以下排名前五的含钛高熵合金：ONS - BCC - Ti17.8、EF - BCC - Cr20 - Ti20、ONS - BCC - Ti27.9、ONS - BCC - Ti27.7和 ONS - BCC - Ti20；该方法为进一步开发已确定的含钛高熵合金提供了指导，有望替代航空发动机涡轮中的传统高温合金。排名第一的合金比当前行业基准 Inconel 718 轻约 13%。所有排名前五的含钛高熵合金的构型熵均大于约 13.3 J/mol・K，且具有体心立方晶体结构。通过为特定航空发动机涡轮应用选择合适的性能权重，可以进一步发挥该方法的潜力。 论文链接： https://doi.org/10.1590/1980-5373-MR-2022-0213 <1. 引言> 据估计，未来 20 年航空旅行的乘客增长预测为 40 亿至 80 亿人次。预计将需要约 40,000 架新飞机来满足需求，飞机采购和维护费用估计约为 16 万亿美元。其中约 30% 的业务在航空发动机领域。飙升的航空燃油成本和环境问题要求发动机提高燃油效率以维持这种增长。此外，燃油效率高的发动机需要减轻发动机和整个飞机的重量。另外，零排放燃料飞机也在研发中。无论燃料类型如何，使用更轻、更强、耐腐蚀的材料来减轻航空发动机重量的努力迫在眉睫。传统钛合金密度低（约为钢和高温合金的一半），在室温和高温（高达约 600°C）下均具有良好的机械性能、耐腐蚀性和可锻性，其在各种航空发动机风扇和压缩机（轴、盘、叶片、机匣等）部件中的使用比例已从 1950 年的约 0% 增加到如今的超过 30%。在低压涡轮叶片中，与传统钛合金相比密度更低、高温性能更优异的金属间化合物 TiAl 合金（Ti - 48Al - 2Cr - 2Nb 及其他变体）已取代了较重的高温合金。航空发动机涡轮需要轻质、高强度、耐高温的材料，并在极端服役环境中具有高可靠性和耐久性；对该应用具有重要意义的材料性能组合是低密度、高的室温和高温屈服强度、极限拉伸强度、疲劳强度以及高温抗氧化和抗蠕变性能。随着人们对取代较重高温合金的兴趣日益浓厚，十多年来对新型高熵合金的持续研究为相对较轻的含钛高熵合金提供了机会，这种合金具有优异的性能组合，潜力巨大。因此，有必要对文献中的含钛高熵合金进行筛选，并与当前行业基准（如 Inconel 718）进行比较。随后，确定并关注少数性能与基准相当或更优的高排名高熵合金，并为预期应用进行进一步开发。材料选择是一种从材料列表中选择最佳材料的整体方法，通常涉及各种性能、成本、可用性、环境影响等之间的权衡。多准则决策（MCDM）是决策的一个重要分支，有两个不同的子分支：多目标决策（MODM）和多属性决策（MADM）。MODM 侧重于决策空间连续的决策问题，即具有多个目标函数的数学规划问题；而 MADM 则专注于决策空间离散的问题，即决策备选方案集已预先确定。多属性决策（MADM）在许多行业中得到广泛应用，包括制造业、物流、建筑、运输和材料选择等，它涉及对以矩阵格式表示的具有多个通常相互冲突属性的可用备选方案做出偏好决策。决策矩阵由根据属性评估的备选方案组成，同时为每个属性分配权重，且所有权重之和为 1。本文应用 MADM 对文献中的含钛高熵合金进行排名，以用于航空发动机涡轮应用。随后，通过基本和高级统计技术汇总不同 MADM 方法评估的排名。最后，确定排名前五的含钛高熵合金，并推荐用于进一步开发的合金，以潜在替代航空发动机涡轮中的传统高温合金。<2. 方法>图 1 展示了从文献中数据驱动筛选和选择含钛高熵合金的新方法流程图。该方法包括三个不同的程序：（i）文献数据（编译文献数据），（ii）排名 - 应用多属性决策（MADM）方法对合金进行排名，以及（iii）统计分析（通过基本和高级统计技术汇总排名）；随后，识别 / 推荐在航空发动机涡轮应用中具有优于传统合金的性能组合的潜在含钛高熵合金。下面将更详细地解释当前研究背景下的不同程序： <2.1 文献数据>第一个程序（图 1）是文献数据的编译。我们从文献（包括会议论文集和同行评审期刊）中编制了含钛高熵合金（备选方案）及其性能（属性）的列表。表 1 列出了合金化学成分（原子百分比）、加工条件、合金的微观结构以及为当前研究分配的唯一标识符 - 合金名称，表 2 列出了它们的性能。本研究确定的性能为密度（ρ）、室温屈服强度（0.2% YS - RT）和 800°C 屈服强度（0.2% YS - 800°C）。对于目标航空发动机涡轮应用，需要低密度和在环境温度及高温下的高屈服强度的组合。因此，在 MADM 术语中，ρ 是一个最小化属性（越低越好），而 0.2% YS - RT 和 0.2% YS - 800°C 是最大化属性（越高越好）。因此，备选方案（合金名称）和属性（ρ、0.2% YS - RT 和 0.2% YS - 800°C）构成了研究的数据矩阵。 <2.2 排名>第二个程序（图 1）是通过应用 MADM 方法评估排名。我们使用几种 MADM 方法评估决策矩阵（表 2 中的合金名称、ρ、0.2% YS - RT 和 0.2% YS - 800°C 列）的排名。MADM 是对通常具有多个且通常相互冲突属性的可用备选方案做出偏好决策。MADM 的不同组成部分包括（i）决策矩阵，它由备选方案和属性组成，以及（ii）属性权重，用于量化属性的相对重要性。属性权重有两种类型：（a）客观 - 应用数学模型来量化属性的相对权重；（b）主观 - 采用专家意见（基于预期应用的合理判断）和设计师意见（设计约束）来量化属性的相对权重。在本研究中，我们采用了客观和主观属性权重。客观属性权重通过香农熵方法评估；另一方面，对于主观权重，为每个属性（ρ、0.2% YS - RT 和 0.2% YS - 800°C）分配相等的权重（1/3）。本研究确定的十种 MADM 方法如下：简单加权加法（SAW）、简单多属性评级技术（SMART）、乘法指数加权（MEW）、逼近理想解排序法（TOPSIS）、基于加权欧几里得距离的方法（WEDBA）、基于比率分析的多目标优化（MOORA）、操作竞争比（OCRA）、多准则优化和折衷解法（VIKOR，西伯利亚缩写）、加性比率评估方法（ARAS）和价值范围法（ROVM）。MADM 的操作方式在 Microsoft Excel 中进行了软编码。虽然文献中有许多 MADM 方法，但由于这些方法在各行业中的广泛应用，我们选择了上述十种 MADM 方法。<2.3 统计分析>第三个也是最后一个程序（图 1）是通过评估平均值和应用主成分分析（PCA）来汇总排名。每种 MADM 方法都采用独特的数学聚合程序对备选方案进行排名；因此，不同方法评估的排名可能会有所不同。我们评估了斯皮尔曼等级相关系数，以量化十种 MADM 方法排名之间的相似性（或差异）。通过基本和高级统计技术汇总各种 MADM 方法获得的排名。在前者中，通过取平均值（平均）来汇总排名，而在后者中，通过主成分分析（PCA）来汇总排名。PCA 是一种多元技术，它通过正交变换将由多个变量组成的数据集的维度降低到一组新的变量。新的变量集，通常称为主成分（PC），按顺序排列，使得前几个 PC（通常为一两个）保留原始数据中的大部分变化。统计分析在商业软件 Minitab® 20 上进行。<3. 结果与讨论>表 3 给出了文献中含钛高熵合金的描述性统计数据。Inconel 718 是航空发动机涡轮应用的当前基准，它是一种传统合金（不是高熵合金），其 ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;、0.2% YS - RT 和 0.2% YS - 760°C 分别约为 1.30 mol⁻¹、8.28 g/cm³、1034 MPa 和 758 MPa（在 760°C 时）。将 Inconel 718 的性能与含钛高熵合金文献数据的描述性统计数据进行比较可知，含钛高熵合金的密度平均值（约 7.43 g/cm³）小于基准值，0.2% YS - RT（约 1319 MPa）大于基准的 0.2% YS - RT。Inconel 718 在相对较低温度 760°C 时的屈服强度（约 758 MPa）大于文献数据中 0.2% YS - 800°C 的平均值（约 721 MPa），而文献数据的测试温度更高，为 800°C。因此，可以合理地假设 Inconel 718 在 800°C 时的 0.2% YS 可能与含钛高熵合金的 0.2% YS - 800°C 平均值相似。所以，某些含钛高熵合金的性能组合可能优于基准。 图 2 展示了属性（性能）的客观和主观权重。基于香农熵方法的数据驱动的属性客观权重评估结果为：ρ 为 0.05、0.2% YS - RT 为 0.33、0.2% YS - 800°C 为 0.62。对于预期的航空发动机应用而言，客观权重似乎存在偏差。然而，所有三个属性（ρ、0.2% YS - RT 和 0.2% YS - 800°C）同等重要；因此，主观权重为 ρ、0.2% YS - RT 和 0.2% YS - 800°C 均分配 0.33。所以，我们采用主观权重通过 MADM 方法评估排名。 图 3 展示了十种 MADM 方法评估的合金排名。排名为 1、2 等的合金被视为顶级或最佳合金。由于每种 MADM 方法都采用独特的数学聚合程序对备选方案进行排序，因此不同方法评估的排名可能会有所不同，如图所示。例如，所有 MADM 方法都将 ONS - BCC - Ti17.8 确定为排名第一的合金。相反，各种 MADM 方法对 NDS - BCC - Ti25.1 评估的排名差异很大。表 4 揭示了斯皮尔曼等级相关系数（ ; ; ; ; ; ; ; ;），用于量化十种 MADM 方法评估的排名之间的相似性（或差异）。例如，SMART 和 SAW 之间的相关性为 0.941，呈强相关。另一方面，WEDBA 和 OCRA 之间的 ; ; ; ; ; ; ; ;为 0.617。总体而言， ; ; ; ; ; ; ; ;范围从 0.617 到 1，这是预期的，因为每种 MADM 方法都采用独特的数学聚合程序对备选方案进行排名；因此，不同方法评估的排名可能会有所不同。 ; ; ; ; ; ; ; ;的如此大的范围也使分析具有稳健性。然而，在 45 种组合中，约 80% 的，其余的；这种强相关性表明汇总不同 MADM 方法的排名是合理的。图 4a 说明了基于十种 MADM 方法对含钛高熵合金排名的平均值汇总。合金的汇总排名（实心黄色点和虚线绿色线）叠加在如图 3 所示的单个 MADM 排名上。排名前五的合金是：ONS - BCC - Ti17.8（排名 #1）、EF - BCC - Cr20 - Ti20（排名 #2）、ONS - BCC - Ti27.9（排名 #3）、ONS - BCC - Ti27.7 和 ONS - BCC - Ti20（均排名 #4）。图 4b 显示了基于 PCA 对含钛高熵合金排名的汇总（得分图）。得分图展示了前两个主成分（PC1 和 PC2），将数据维度（10，即来自十种 MADM 方法的排名）降低到二维空间后。表 5 列出了捕获每个主成分分布变化的特征值（及其比例）。新轴捕获了原始数据中约 99% 的变化。因此，这种表示方式有资格称为排名图。第一主成分（PC1）捕获了原始数据中约 90% 的变化或分散，而第二主成分（PC2）描述了约 9% 的变化。由于 PC1 捕获了初始十个维度（即排名集）中近 90% 的变化，它近似于含钛高熵合金的汇总排名。一条想象的参考线（垂直于 PC1）从左到右（ - 5 到 5）穿过，表示合金的总体排名。Miracle 和 Senkov 将用于高温结构应用的高熵合金分为 3d 过渡金属复合浓度合金（CCAs）和难熔金属 CCAs。当前研究中的含钛高熵合金属于难熔金属 CCAs。一些合金在室温和高温强度方面表现优于当前基准 Inconel 718 及其他合金。此外，文献数据中的合金主要是经过热处理（以减少化学偏析）的铸造合金，只有少数经过热机械加工以获得微观结构演变。应研究具有晶粒细化和其他强化机制的锻造微观结构，以有针对性地进一步提高性能。此外，文献中的大多数数据是压缩测试数据；然而，拉伸数据也是必需的，特别是对于更清晰地了解延展性而言。此外，蠕变、疲劳、断裂韧性和抗氧化性研究也是理想的。一些关于理解固溶强化的研究与对经典硬化概念的调整一致。虽然还需要大量数据，但目前的工作将有助于使用排名方法选择排名靠前的合金，从而可以集中精力对一些选定的合金进行研究，以在所需方向上生成大量数据。本研究确定了一些与当前基准匹配的含钛高熵合金，推荐了高熵合金替代航空发动机中传统合金的潜力，并提供了指导方针和指令，以专注于进一步开发已确定的含钛高熵合金。<4. 总结与结论>十多年来对新型高熵合金这一类别持续的研究为开发相对更轻的合金提供了机会，尤其是含钛高熵合金，其具备优异的性能组合，有很大潜力取代较重的高温合金。我们采用了一种新颖的数据驱动方法，从文献中筛选并挑选含钛高熵合金，通过多属性决策（MADM）来评估它们在航空发动机涡轮中的潜在应用。不同 MADM 方法所评估的合金排名具有一致性；基本和高级统计技术对这些排名进行了汇总。数据驱动方法确定了以下排名前五的含钛高熵合金：ONS - BCC - Ti17.8（(Al₂₀.₄ - Mo₁₀.₅ - Nb₂₂.₄ - Ta₁₀.₁ - Ti₁₇.₈ - Zr₁₈.₈)）、EF - BCC - Cr20 - Ti20（(Ti₂₀ - Zr₂₀ - Hf₂₀ - Nb₂₀ - Cr₂₀)）、ONS - BCC - Ti27.9（(Al₁₁.₃ - Nb₂₂.₃ - Ta₁₃.₁ - Ti₂₇.₉ - V₄.₅ - Zr₂₀.₉)）、ONS - BCC - Ti27.7（(Al₅.₂ - Nb₂₃.₄ - Ta₁₃.₂ - Ti₂₇.₇ - V₄.₃ - Zr₂₆.₂)）和 ONS - BCC - Ti20（(Nb₂₀ - Cr₂₀ - Mo₁₀ - Ta₁₀ - Ti₂₀ - Zr₂₀)），并推荐它们进一步开发，以用于潜在替代航空发动机涡轮中的传统高温合金。排名第一的合金（(Al₂₀.₄ - Mo₁₀.₅ - Nb₂₂.₄ - Ta₁₀.₁ - Ti₁₇.₈ - Zr₁₈.₈)）比当前行业基准 Inconel 718 轻约 13%。所有排名前五的含钛高熵合金的构型熵均大于约 13.3 J/(mol・K)，且具有体心立方晶体结构。本研究提供了指导方针和指令，以聚焦于进一步开发已确定的含钛高熵合金。通过为特定航空发动机涡轮应用有效且适当地选择性能权重，能够进一步挖掘该方法的潜力。
New development of 'impossible' polymer capable of increasing both stiffness and flexibility 2024-12-20 Scientists have developed something long thought impossible: a polymer that's both stiff and stretchable, without one quality compromising the other. Materials research has shown that the stiffer a polymer, the less flexible it will be — but no longer.; The findings are published in the journal Science Advances and supported by the U.S. National Science Foundation. The University of Virginia research team behind these findings shows that strength and "stretchability" don't necessarily have to be opposites when it comes to polymers.;; Liheng Cai, assistant professor of materials research and principal investigator of an NSF Faculty Early Career Development award, says, "We are addressing a fundamental challenge that has been thought to be impossible to solve since the invention of vulcanized rubber in 1839." The research was led by doctoral student Baiqiang Huang.;; University of Virginia assistant professor Liheng Cai (right), Ph.D. graduate student Baiqiang Huang (left) and UVA alumnus and former postdoc Shifeng Nian (not pictured) have solved a dilemma that has flummoxed polymer engineers since Charles Goodyear invented vulcanized rubber: How to make polymer networks that stretch as needed without sacrificing stiffness. Credit: Matt Cosner, University of Virginia School of Engineering and Applied Science Says Huang, "This limitation has held back the development of materials that need to be both stretchable and stiff, forcing engineers to choose one property at the expense of the other.";;; He adds, "Imagine, for example, a heart implant that bends and flexes with each heartbeat but still lasts for years."; Cai and team discovered that polymer qualities of stiffness and flexibility have the same molecular basis. What they have in common: They're both based on cross-linked polymer strands.;; The more cross-links are added the stiffer the material becomes. But it also grows more fragile, and less supple or "stretchable," the more cross-links are added in the process. That is only when they are added in a linear fashion.;; Instead of linear cross-links, Cai and colleagues tried for a "bottlebrush" structure. This nonlinear network of material is made up of "core" cross-link strands branching out into polymer "side chains.";; On a molecular level, these allow the material to have a foldable or accordion-like structure when it moves — imbuing the polymer with qualities of firmness and flexibility simultaneously and independently of each other.;; Andrew Lovinger, program director in the NSF Division of Materials Research, says, "This very clever polymer architecture by Professor Cai opens the door to materials with unprecedented combinations of properties and exemplifies the very rich design potential offered by polymers.";; Materials with this capability show promise for medical, health care and robotics innovations, such as implants, prosthetics, electromechanical devices and more.;;
Researchers observe fundamental mechanism causing material 'work hardening' 2024-12-20 Researchers have directly observed the microscopic mechanism involved in;"work hardening," a process by which materials like metals become stronger when deformed by hammering or stretching. The research provides a deeper understanding of how this process strengthens materials and could have wide-ranging impacts on material design and manufacturing, where work hardening techniques are used to strengthen everything from car frames to overhead power wires.; Much like the blacksmiths of the Iron Age understood, hammering metal can improve its strength. Researchers at the U.S. National Science Foundation Materials Research Science and Engineering Center at Harvard University used a;confocal optical microscope to observe the detailed hardening mechanism in colloidal crystals — particles 10,000 times larger than atoms that spontaneously form a crystal structure at high concentrations — which they used to mimic smaller atomic systems that are more difficult to observe. Their findings, published in Nature , showed that colloidal crystals exhibited far stronger work hardening potential than other materials while allowing scientists to gain better understanding of the particle "defects" that enable the hardening processes. Previous research has shown that imperfections in the structure, known as dislocations, form a network of defects which cause the work hardening.; "What hasn't been clear is the full complexity of the interactions between the defects in these atomic crystals that lead to hardening," said Ilya Svetlizky, a postdoctoral fellow and co-first author of the paper. The results reveal that the process is governed primarily by the geometry of the particles and the defects. The crystals became stronger because of how their dislocation defects interact and entangle with one another. These observations reveal the universal mechanisms of work hardening that also apply more generally to all materials. Soft colloidal crystals can contain a very high density of these defects, giving them a high capacity for hardening. "This research tells us something fundamental and universal about how materials get stronger," said researcher and co-author David A. Weitz. "These are amazing materials: Even though they are very soft, work hardening makes them into the strongest materials known."
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