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机械工程学会摩擦学分会润滑材料全国重点实验室摩擦学学报

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学科探索

Nature Communications：新型分层结构助力NiTi合金疲劳寿命，实现3000倍提升！ 2026-08-12 在经历变形后，通过温度变化自动恢复到原始形状对的拥有天然响应能力的记忆合金，在诸多精密设备中是理想的智能材料体系，其中应用较为广泛的NiTi形状记忆合金体系存在一个长期的困扰，即疲劳寿命不足以支撑其长期稳定服役，目前的主流改善方法，即便获得了更稳定的疲劳稳定性，整体的疲劳性能提升依然有限。近日《Nature Communications》上在线发表了一篇题为“Bending-fatigue-resistant hierarchical NiTi shape memory alloy”的研究论文。在该论文中，团队采用“预应变-温激光冲击喷丸”的表面处理工艺，在商用纳米晶NiTi合金表面构建了能够抑制裂纹萌生与扩展的分层结构，使材料在1.94%的最大表面拉应变下，弯曲疲劳寿命超过500万次，相较于未处理的材料寿命提升超过三个数量级，且材料性能仅轻微退化。该论文以‌孙庆平教授、Robert O. Ritchie教授以及任富增教授作为通讯作者。文章链接： https://doi.org/10.1038/s41467-026-72857-z 【核心内容】该研究中核心的“预应变-温激光冲击喷丸”工艺，本质上是绕过了加工过程中的应力诱导相变，直接以10%的预应以确保样品完全马氏体相变，随后加热到150 ℃保持10分钟，再进行激光冲击喷丸。最终，该处理策略在材料表面约40 μm的深度范围内，构建了一个化学与结构梯度相结合的分层微观结构，该结构对裂纹的萌生及后续的扩展上起到极大地抑制作用，从而使材料的弯曲疲劳性能实现突破。【研究成果】 ① 构筑多层次协同强化的表面微结构处理层伴随着超过1GPa的深层压残余应力场，同时，在合金的表层，其主要由能够提高表面硬度和模量的富含梯度分布的TiN、Ti2N硬质颗粒的纳米复合组成，而5-40 μm的中间层则由具有逆向晶粒尺寸梯度和B19'-R-B2相梯度的超细晶层构成。 pw-LSP处理的NiTi SMA分层微观结构 ② 实现数量级跨越的疲劳性能经过pw-LSP处理的分层NiTi样品，在最大表面拉应变±1.94%的弯曲疲劳测试中，超过500万次循环后仍未断裂，与未处理的对比合金样品相比，分层NiTi合金的疲劳寿命提升达到了惊人的3000倍，并且，在高周次循环之后，材料仅表现出轻微的功能退化，表明其具有极高的疲劳损伤极限。纳米晶与分层NiTi SMA的循环弯曲疲劳行为 ③ 揭示“抗萌生”与“阻扩展”的协同强化机理团队通过多尺度的表征后，将如此巨大的疲劳性能突破归因于多种机理的共同作用，首先裂纹的萌生是失效的源头，对于这方面，表面的氮化物硬化层和超过1 GPa的深层压残余应力场抑制了位错活动和裂纹形核，使材料在加载周期内表面仍保持净压应力状态。分层NiTi SMA的微观力学行为其次，在裂纹萌生之后，其扩展也会面临巨大阻力，这是因为超细晶亚层具有比内部纳米晶基体更高的断裂韧性，裂纹在相界和晶界处会发生分叉和偏转，且裂纹尖端存在非晶剪切带以及R相与B19'马氏体的共格界面，这些结构有效地钝化了裂纹尖端，降低其扩展驱动力，因此，在微观表征中，能够观察到裂纹仅扩展约20 μm后即被有效阻止。分层NiTi SMA的疲劳机制【总结与展望】这项研究成功在NiTi形状记忆合金表面构筑了一个集化学硬化、梯度微结构和深层压应力于一体的分层体系，实现了弯曲疲劳寿命的跃升，该策略为开发高性能、高可靠性的形状记忆合金提供了可扩展的工程路径。

日内瓦国际发明展金奖｜给混凝土注入“生命”：微生物自修复技术前沿解析 2026-08-10 近日，在第51届瑞士日内瓦国际发明展上，天津城建大学荣辉教授、王海良教授团队牵头完成的“负载多元微生物的陶砂自修复混凝土设计制备应用成套技术”，从全球35个国家和地区的千余项发明中脱颖而出，一举摘得金奖。这项为冰冷混凝土注入“生命”的原创成果，正从实验室走向工程一线，让建筑拥有“自愈”能力。日内瓦国际发明展由瑞士联邦政府、日内瓦州政府、日内瓦市政府与世界知识产权组织共同主办，是全球历史最悠久、规模最大的发明盛会之一，被誉为“发明界的奥林匹克”。本届评审团由包括诺贝尔奖得主和知名院士在内的80余位国际专家组成，金奖代表了国际发明领域的顶尖水准。裂缝，一直是水泥基材料难以根治的“顽疾”。在荷载、温湿变化和侵蚀介质的作用下，混凝土结构不可避免地会产生微裂缝，如同建筑的“慢性伤口”，不断削弱结构耐久性、缩短服役寿命。传统修复方式往往在裂缝扩大后进行人工修补——表面封闭、压力注浆、膨胀重建，不仅成本高、效率低，更难以从源头阻止损伤扩展。微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术提供了一条全新的解决路径：让混凝土拥有自主感知裂缝并主动修复的能力。技术原理：微生物如何“愈合”裂缝？微生物自修复混凝土的核心原理，是利用特定微生物在生理代谢过程中分解尿素，生成氨气和碳酸根离子，进而与环境中的钙离子反应，沉淀出碳酸钙晶体（方解石、文石或球霰石），形成具备结构胶结能力的致密填充物。具体而言：混凝土开裂后，水分和氧气渗入裂缝，激活原本处于休眠状态的微生物孢子。微生物开始代谢活动，产生CO₂，同时细胞表面带负电荷，能够吸附Ca²⁺并作为成核位点，在碱性环境下CO₂与Ca²⁺反应形成CaCO₃晶体。这一生物矿化过程将裂缝逐步填充密实，实现结构的自主修复。研究表明，巴氏芽孢杆菌等脲酶型微生物在代谢过程中pH值从7.0逐渐升高至8.3，碱性环境对碳酸钙矿化沉淀起关键促进作用，矿化产物主要为方解石型CaCO₃晶体。核心突破：四大关键技术天津城建大学荣辉、王海良教授团队围绕微生物自修复水泥基材料多年攻关，逐一突破了微生物分布不均、修复速率慢、复杂环境适应性不足等行业共性技术难题。（一）精准修复：磁性微生物定向迁移针对微生物难以精准富集在裂缝区域的难题，团队创新开发出磁性微生物自修复材料。以巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii）为菌株，通过原位磁化构建，使Fe₃O₄纳米片附着于细菌表面，形成磁性微生物。在磁场作用下，磁性微生物能够主动“奔赴”裂缝区域并高效矿化沉积。实验数据表明：磁性微生物组的修复速率显著优于纯微生物组——将面积修复率达90%以上所需的修复时间从28天缩短至14天，修复速率提升一倍。在7天、14天和28天的面积修复效率分别比纯微生物组提高了50.3%、11.2%和4.6%。对于0.2～0.4 mm宽的裂缝（3天龄期开裂），磁性组3天内即可达到97.8%的面积修复率，是纯微生物组的10倍；对于0.4～0.8 mm的较宽裂缝，修复速度提升5～14倍。（二）长效保护：陶砂固载技术微生物在水泥基材料中面临两大生存威胁：一是混凝土拌合时的机械挤压摩擦会直接损伤微生物细胞；二是混凝土内部强碱性环境（pH≈13）会大幅降低微生物的存活率与长期活性。团队利用陶砂固载微生物的适用性与优越性，研发出陶砂固载微生物自修复材料。陶砂的多孔结构为微生物提供了物理庇护所，有效隔绝碱性环境的侵蚀。通过真空负压吸附工艺将菌液导入陶砂孔隙内部，再以水泥浆或偏高岭土浆液进行包覆封装。研究表明，偏高岭土浆液包覆的微生物14天存活率可达86.63%，有效保证了固载微生物的长期活性。在此基础上，裂缝28天面积修复率达100%。（三）协同增效：多元微生物共生体系单一菌种的代谢通路和修复能力存在天然局限。团队突破单一菌种的技术瓶颈，构建了多元微生物协同矿化体系：菌株A：主要负责提供碳酸根离子（CO₃²⁻）；菌株B：优化局部微环境并提供成核位点，为深层裂缝修复持续供给CO₂；菌株C：高效催化碳酸盐生成，加速矿化沉积。三者优势互补、协同联动。研究证实，多元微生物体系在裂缝出现时被水、O₂和CO₂激活，菌株间的协同作用可加速矿化产物生成。采用混合菌群的自修复混凝土能够在14天内自主封堵宽度达0.50 mm的裂缝，团队开发的多元体系使裂缝14天面积修复率达100%。（四）极端环境适应性面向高海拔、高寒及大温差等极端服役环境，团队对耐碱的脲酶型芽孢杆菌进行了系统的低温驯化和低气压驯化。在高海拔模拟舱中完成材料制备与性能验证，成功解决了高原高寒环境中微生物失活导致自修复失效的难题。在严寒地区的研究表明，以膨胀珍珠岩为载体的自修复混凝土在冻融循环条件下仍能保持较好的裂缝愈合能力。经过300次冻融循环后，采用0.6～1.2 mm粒径载体的试件质量损失仅1.18%，相对动弹性模量仍达91.7%。标准规范与工程应用标准先行： 2025年，全国标准信息公共服务平台已公示混凝土自修复材料相关国家标准制定计划，由中国建筑科学研究院等权威机构主导。团体标准T/CCTAS 243-2025《水泥混凝土裂缝微生物修复技术指南》已发布实施，涵盖微生物菌株固载、修复浆液制备、施工工艺和修复质量控制等全流程技术要求。新版国标首次定义了混凝土结构“自修复能力”的技术要求和试验方法。国家发展改革委公布的《产业结构调整指导目录（2024年本）》中已明确鼓励混凝土自修复材料的开发和应用。工程实践：目前，该技术已在广东东莞示范工程中得到应用，并入选天津市国资委高校重点待转化项目清单。据市场分析报告预测，2030年全球自修复混凝土市场规模预计将达到2300万美元（约合人民币1.6亿元）。技术价值与行业意义微生物自修复混凝土技术的核心价值体现在三个层面：延长结构寿命：裂缝自主修复有效阻断侵蚀介质（水、氯离子、CO₂等）的渗透路径，延缓钢筋锈蚀与结构劣化。修复后的混凝土抗水渗透性、抗氯离子渗透性和护筋性均得到大幅提升。降低全生命周期成本：减少传统修复材料消耗和频繁维护带来的人力、物力与能源投入，为基础设施低碳运维提供技术支撑。绿色低碳：微生物矿化过程本身环境友好，无需化学合成类修补材料。该技术能够延长结构服役周期、减少维修与更换需求，从源头降低资源消耗。当前我国正深入推进城市更新和交通强国建设，大量基础设施进入养护维修期，市场对长寿命、绿色化智能修复技术的需求日益增长。从实验室的方解石晶体到工程一线的自愈混凝土，微生物自修复技术正在为建筑行业打开“结构长寿、运维低碳”的新想象空间。随着标准体系逐步完善与工程实践的持续深入，这项“给混凝土注入生命”的技术，有望成为我国基础设施耐久性提升的重要技术支撑。

韩国高丽大学ACTA：原子级实锤 L1₂相捕氢机制，破解高强材料氢脆瓶颈 2026-08-03 氢能作为零碳清洁能源，储运、增压、动力装备等核心结构件长期在高压氢气氛下服役，氢致开裂、氢脆失效是限制高强金属长期安全服役的核心瓶颈。对于传统沉淀强化合金，纳米析出相虽能显著提升基体强度，但析出相与基体界面极易成为氢富集、裂纹萌生的优先位点，普遍存在“强度越高、氢脆敏感性越强”的固有性能权衡矛盾，难以同时满足构件高承载与抗氢损伤双重需求。当前主流改性手段如晶界工程、单一元素合金化、细小碳化物析出等，仅能单方面改善抗氢或力学性能，无法从微观结构根源打破二者此消彼长的制约关系，难以适配高压氢能装备轻量化、长寿命发展需求。 CrFeCoNi基高熵合金本征具备优良抗氢基础，但单相体系屈服强度普遍不足1 GPa，承载能力偏低；通过Al、Ti微合金化引入L1₂有序析出相可大幅提升强度，然而常规连续析出形成光滑平直晶界，氢致沿晶裂纹极易快速扩展，依旧无法规避高强与抗氢脆的冲突。现有研究对L1₂相的氢捕获行为认知仅停留在宏观拉伸、热脱附间接表征层面，缺少原子尺度直接观测证据，且尚未厘清析出相形貌、晶界构型协同调控氢扩散与裂纹扩展的耦合机理，存在两处关键科学空白：其一，连续与非连续L1₂析出相在氢捕获能力、氢扩散阻滞效率上的定量差异尚不明确；其二，锯齿化晶界、纳米棒状L1₂双微观结构协同抑制氢致裂纹的完整作用机制未被系统揭示，缺少一套可同步实现超高强度与优异抗氢脆的微观调控方案。针对上述难题，本文以Cr₁₈Fe₁₈Co₂₈Ni₂₈Al₄Ti₄高熵合金为研究对象，采用冷轧直接时效工艺诱导全域非连续L1₂析出，构建锯齿晶界+纳米棒状相干L1₂复合微观组织，同步制备单相参考合金、连续析出对比合金作为参照体系。综合电化学充氢慢拉伸、氢渗透、热脱附光谱、低温原子探针（Cryo-APT）氘同位素原子示踪、第一性原理DFT氢溶解能计算、多尺度TEM裂纹形貌表征等多手段，从宏观力学、氢传输动力学、原子氢分布、位错-裂纹演化多层级系统开展研究。实验直接可视化L1₂有序相内部氢富集行为，阐明有序结构双八面体位点带来的本征高氢捕获能力，同时揭示锯齿晶界迫使氢致裂纹多次偏转、延长扩展路径的增韧机制，建立“非连续L1析出—锯齿晶界阻裂+有序相捕氢双协同”设计逻辑。本研究突破高强合金与抗氢脆不可兼得的传统瓶颈，为氢能工况用高性能沉淀强化高熵合金、镍基高温合金提供全新微观结构设计思路。文章以Reconciling ultrahigh strength and hydrogen embrittlement resistance via discontinuous L12 precipitation in a high-entropy alloy为题发表在Acta Materialia杂志上。创新点 1. 提出全域非连续L1₂析出微观调控新策略，同步构建锯齿晶界与纳米棒状相干L1₂双结构，打破高强金属“强度-氢脆”固有权衡；目标合金抗拉强度达1730 MPa，氢致塑性损失相较单相基体降低33%，首次在L1₂强化高熵合金中实现超高强度与优异抗氢脆协同匹配。 2. 采用氘同位素标记低温原子探针(Cryo-APT)实现氢原子原子级原位可视化，直接证实氢优先富集于L1₂有序相内部而非相界面；结合DFT理论计算阐明L1₂晶格内O1、O2两类八面体位点氢溶解能差异，从原子有序构型层面揭示其本征强氢捕获、阻滞氢扩散的底层机理，弥补现有间接表征的研究短板。 3. 对比连续析出合金、单相基准合金完整厘清双协同抗氢机制：纳米L1₂相捕获游离氢、大幅降低基体可扩散氢浓度；锯齿化晶界迫使氢致裂纹多次偏转、显著延长裂纹扩展路径，二者耦合大幅提升临界致脆氢浓度，完善沉淀强化合金氢损伤抑制理论。 4. 明确冷轧直接时效可全域诱导非连续析出的工艺路径，无需分段固溶预处理，工艺简洁易规模化，为CrFeCoNi系、镍基γ'强化合金通用微观增韧抗氢设计提供可复制的制备与成分调控思路。图1. DP合金的微观结构表征图2. 氢致裂纹扩展行为图3. 通过低温原子探针断层扫描（cryo-APT）对DP合金中氢的直接观察总结本工作以Al-Ti共掺杂CrFeCoNi基高熵合金为研究载体，通过冷轧直接时效工艺实现全域非连续L1₂析出，构建锯齿晶界与纳米棒状相干L1₂复合微观组织，并设置单相参考合金、连续L1析出对照合金形成完整对比体系。结合电化学充氢拉伸、氢渗透、热脱附光谱、氘标记低温原子探针、第一性原理DFT及多尺度TEM表征，系统阐明非连续析出体系同步实现超高强度与优异抗氢脆的双重协同机制。力学与氢损伤测试结果表明，非连续析出合金抗拉强度可达1730 MPa，氢诱导塑性损失较单相合金降低33%，临界致脆氢浓度提升近1.5倍，彻底突破传统沉淀强化材料“高强必高氢脆敏感性”固有矛盾。原子尺度表征直接观测到氢原子优先富集于L1₂相内部而非相界面，DFT计算证实有序晶格存在O1、O2两类八面体间隙位点，O1位点氢溶解能更低，赋予L1₂相本征氢捕获能力，有效降低基体可扩散氢含量；微观断裂观测揭示锯齿晶界可多次偏转氢致沿晶裂纹，大幅提升裂纹扩展阻力，两种微观效应耦合作用共同抑制氢致断裂。同时研究证实，无需分段固溶的冷轧直接时效工艺可全域生成非连续析出组织，简化热处理流程。本研究完整建立“非连续L1₂析出—有序相原子级捕氢—锯齿晶界多级阻裂”一体化抗氢设计理论，为氢能工况服役高强沉淀强化多主元合金提供全新微观调控范式。后续研究可从材料体系、表征方法、工程化、多工况适配四大维度拓展：第一，拓展多元合金体系，调整Al、Ti、Nb、Ta等析出元素配比，定量建立元素含量、析出形貌与氢捕获效率、力学性能关联数据库，将该非连续析出调控策略迁移至镍基高温合金、中熵合金等主流氢能结构材料；第二，引入原位充氢透射表征，动态捕捉充氢-拉伸全过程氢原子迁移、裂纹萌生演化，结合相场模拟构建氢扩散-裂纹扩展耦合预测模型，实现微观组织抗氢性能定量预判；第三，开展热轧、增材成型等不同制备工艺下非连续析出行为研究，优化工业化热处理窗口，消除大尺寸构件组织不均匀问题，推进板材、锻件等工程试样试制；第四，开展高压气态长时充氢、高低温氢循环耦合服役性能测试，评估合金长期氢老化、疲劳氢脆行为，同步配套高温氧化、腐蚀性能评测，完善极端氢能工况材料综合评价体系；第五，基于本研究有序相捕氢、锯齿晶界阻裂双机制，开发梯度析出复合结构设计思路，进一步平衡强度、塑性与长周期氢耐久性，加速高性能抗氢合金在储氢容器、氢内燃机、航空氢能管路等装备落地应用。

金属顶刊《Acta》给核材料做“透视”：科学家看清辐照损伤的“真面目”，发现多主元合金并不“耐造” 2026-07-30 摘要：多主元素合金（MPEAs）在核工业中的潜在应用正在被评估。在这项研究中，我们比较了面心立方（FCC）非等原子的Fe37Ni34Cr16Mn13，浓缩二元Fe60Ni40合金，和316 L不锈钢，所有暴露于相同的原位离子辐照条件下，在550℃的透射电子显微镜（TEM）在JANNuS奥赛设施的辐照下的微观结构演变。我们提出了一种基于位错环尺寸分布函数分析辐照诱发微观组织的新方法，借此推导出反应速率。借助该方法，可明确三种研究材料各自的主导作用机制：生成主导型、空位团诱发长大主导型，或是粗化诱发长大主导型。结果表明，MPEA具有比Fe60Ni40和316 L更大的环和更高的生长速率，这主要是由于环粗化速率的增加。这挑战了MPEA在辐照下固有地经历更慢的微观结构演变的假设。在Fe60Ni40和MPEA中，粗化贡献了30-40%的表观环生长速率—如果忽略粗化，则将完全忽略该效应。我们强调了样品几何形状在原位微观结构演变中的关键作用，还表明靠近表面放大了溶质再分布——特别是通过辐射诱导的偏析——在自由表面和演变的微观结构之间的相互作用。成分不仅决定环道反应速率，而且影响空位和自间隙原子（SIA）的分配位错环的磁通背景：多主元素合金（MPEAs），其中高熵合金（HEAs），代表了对传统合金设计策略的偏离，该策略以主要基础元素为中心。自21世纪初出现以来，HEAs因其兼具联合收割机的高强度，热稳定性，等原子的CoCrFeMnNi“Cantor合金”首次显示出优异的机械性能，特别是在低温下，最初人们认为这些性能仅仅取决于合金元素的数量和成分的复杂性。然而，在Cantor合金中，在500 ℃的温度下观察到第二相沉淀。特别是，在500 ℃下等温退火500天后，检测到L10-NiMn和富Cr BCC相。尽管早期研究主要聚焦等原子比高熵合金，但如今将成分作为材料设计参数的研究兴趣正日益增长。放开成分变量虽开辟了全新的研究领域，却也大幅增加了合金组分的可能组合数量——尤其在纳入杂质效应考量后更是如此。基于第一原理计算的动力学建模方法很快就会变得难以管理，并且计算扩散系数等基本属性目前几乎是不可能的。仍然以扩散为例，对CANTOR合金的大量实验研究已经产生了广泛的原子扩散系数CALPHAD数据库。然而，钴因会嬗变为放射性同位素，在核工业领域应用价值极低；若将钴剔除，并调整铁、镍、铬、锰的元素含量，原则上就需要开展新一轮完整的扩散研究。这是因为各元素对扩散激活能的影响并非简单的线性叠加。此外，自间隙原子这类点缺陷在辐照环境下会达到不可忽略的浓度，而常规扩散方法无法对其进行表征。由于目前缺乏完备的扩散参数数据，我们选取成分与性能表征完善的参比材料，开展微观组织对比研究。为研发可耐受核反应堆极端工况的新型材料，面心立方（FCC）铁—镍—锰—铬基多主元高熵合金（MPEA）已成为极具潜力的材料体系。针对这类多主元合金，研究中通常选用316不锈钢作为参比基准。虽然这种广泛用于核反应堆的钢具有优异的机械性能和耐腐蚀性，但它们在高温下表现出显著的溶胀、相不稳定性和辐射诱导的偏析，这会在高辐射剂量下降低其机械和腐蚀性能。人们对MPEAs进行了广泛的研究，以减少这些缺点。发现HEAs表现出明显更小的缺陷簇，延迟的缺陷生长，与不太复杂的合金相比，减少了空隙膨胀和减少了辐射诱导的偏析。然而，这种比较研究需要完全控制实验条件，包括辐射粒子的能量，材料的初始冶金状态，与标准合金一样，MPEA对辐照的响应是由辐照损伤、微观结构和点缺陷性质（如结合能和迁移率）之间的复杂相互作用引起的，因此高度依赖于合金成分。现有多数研究将多主元合金独特的辐照性能，归因于其点缺陷扩散速率缓慢。这种慢速扩散会降低点缺陷在缺陷阱处的湮灭速率，最终促进空位与自间隙原子发生相互复合，而该复合过程仅需短程扩散即可实现。然而实际情况并非单一绝对，目前关于辐照诱导微观组织的研究报道仍存在矛盾结论。研究发现，相较于组分复杂度更低的合金，多主元合金往往生成数量密度更高、尺寸更小的位错环；但也有其他研究得出了相反规律。需要重点说明的是：各项研究的辐照条件（如离子类型、辐照剂量）均不相同，这表明此类实验条件对微观组织的影响，作用程度可与合金成分相当。因此，亟需建立辐照效应模型，以阐明合金成分如何影响辐照诱发微观组织演化。现有模型主要依赖与成分相关的晶格点缺陷扩散系数。将位错环长大速率理论模型，与位错环半径长大速率随温度变化的直接实验测量结果相结合，可为定量表征辐照诱发微观组织演化动力学提供强有力的研究框架。针对铁—镍—铬—锰基合金潜在抗辐照性能的前沿理论研究表明：锰元素可通过提高层错能（SFE）与空位迁移率发挥关键作用。在已知剪切模量和泊松比的前提下，可通过测量不全位错分解实现层错能的定量表征。有研究提出一个值得关注的规律：锰含量降低会导致层错能下降，这也可以解释为 Fe–35Ni–15Cr–15Mn合金相比Fe–28Ni–18Cr–27Mn合金，会形成更高密度的层错型位错环。但必须考虑，辐照诱发偏析（RIS）等非平衡机制会显著改变位错环的各项特性，包括其稳定性、迁移能力，以及对位错和自间隙原子的捕获效率。在点缺陷扩散特性方面，即便是Fe–Ni二元合金、Fe–Ni–Cr三元合金这类简单体系，相关实验数据也十分匮乏。关于空位与自间隙原子（SIA）的迁移特性，已有研究对电子辐照后的三元Fe–16Cr–Ni合金及纯镍试样开展低温电阻率测试，推导得到了有效迁移能。对于自间隙原子，研究发现其有效迁移能随镍含量降低呈线性升高：纯镍中为0.15 eV，Fe–40Ni合金中约为0.6 eV；而在所研究的成分范围内，空位有效迁移能的变化幅度不超过0.1 eV。由于点缺陷会遇到大量局域原子组态，且居里温度以上会发生磁态转变，很难直接通过第一性原理计算得到这类高浓度合金的热力学与扩散参数。已有研究基于特殊准随机结构（SQS），对等原子比Fe–Ni–Cr–Mn合金开展了0 K下空位形成能与迁移能的第一性原理计算。结果普遍表明：空位与锰、铬原子换位的迁移能相对更低；但需注意，宏观空位扩散是多轮空位—原子换位过程的综合结果，同时还受原子短程有序、磁短程有序，以及随成分和温度变化的动力学关联效应共同影响。目前已有前沿建模方法，可用于探究磁效应与化学相互作用如何调控Fe–Ni二元合金中的空位介导扩散行为。综上，现有针对该类合金热力学与动力学性能的建模理论尚不完善，还不足以对不同合金的辐照服役行为对比提供可靠的理论支撑。另一种方法是开发简化的动力学模型，利用单个微观结构特征及其群体动态的先进原位表征。例如，当与平均场速率理论模型结合时，跟踪位错环的增长作为温度的函数，为量化空位迁移的激活能提供了一个强大的框架。然而，跟踪种群的平均半径可能无法反映单个环的平均增长率。此外，现场观察揭示了环之间的合并事件，这可以显着提高有效环生长率。除了跟踪单个位错环的增长之外，我们还可以测量辐照引起的缺陷的尺寸分布。因此，我们的目标是在实时跟踪单个环半径的同时，对不断变化的位错环分布进行原位测量。虽然我们可以将模型合金中的这些数据与316钢中的测量数据进行比较，隔离组成对回路反应速率的影响需要反应-一种动力学模型，忠实地捕捉单个环动力学和环尺寸分布的演变。环尺寸分布的演变是由竞争引起的。环的产生、生长和粗化反应之间的关系。环的产生、生长和粗化的速率是我们在合金之间进行比较的相关动力学量。为了从分布动力学中提取这些速率，我们引入了环反应模型（LRM）它只包括三个反应：在这项工作中，我们跟踪了Fe-Ni基奥氏体合金在相同的原位离子辐照条件下的微观结构演变。选择二元Fe60Ni40合金和四元Fe37Ni34Cr16Mn13MPEA，可以直接评估添加Cr和Mn的综合影响，以及化学复杂性的增加。注意，所选择的MPEA的组成非常接近已经研究过的Fe-35Ni-15Cr-15Mn体系。此外，高Ni含量的Fe60Ni40合金与316 L商用合金之间的比较使得能够研究Ni含量和杂质的作用。同时，与316 L的比较将MPEA与该既定工业参考进行定位。对于316 L钢，可以在三种不同的温度下进行生长速率测量，使我们能够提取活化能并将我们的发现与之前对同一系统的研究进行比较。在第2节中，我们介绍了不同的材料、辐照条件和表征技术。然后，我们提出对循环群体的观察和测量，并对材料进行比较（第4节）。最后，在第5节中，我们介绍了循环反应模型（LRM），该模型使我们能够对循环生成、增长和粗化机制进行解卷积。该项研究成果以“Extracting Radiation-Induced Defect Dynamics in concentrated austenitic alloys: Insights from In-Situ TEM and Modeling”为题，在线发表于国际期刊《Acta Materialia》。巴黎萨克雷大学Estelle Meslin为该论文通讯作者。该研究工作得到INNUMAT项目（裂变与聚变用新型结构材料，资助协议编号：101061241）以及ANR-PRCEHERIA 项目（法国国家研究署项目编号：ANR-19-CE08-0012-01）的经费支持。文章链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645426003320?via%3Dihub 图一：a）JANNuS-Orsay的原位TEM，b）原位辐照下TEM薄箔的图示。θ是箔法线与离子束之间的角度。图二：在快速计算模式下使用APDINA计算最终辐照的损伤轮廓。四个元素的位移能量为艾德=40 eV。较亮的线表示分析的中间辐照。图3：三种合金在不同剂量辐照过程中的X射线场TEM图像。放大倍数相似，以便于目视比较。图4：三种合金的最终剂量环尺寸分布。垂直线表示估计的最小分辨环尺寸。图五：测量的环数密度随剂量的变化。误差线计算为基于泊松分布的标准差/V，其中N为计数的环数，V为分析体积。图六：测量的线圈直径随剂量的变化。误差条显示为平均值的标准误差（SEM）σ/。由于测量的线圈数量较多，316 L和Fe60Ni40的标准误差小于0.5 nm，因此无法显示。彩色区域界定了5%分位数（q0.05）和95%分位数（q0.95）。图七：本研究的三种合金中的环体积分数和下沉强度。环体积计算为它们的表面乘以{111}晶面间距d111的乘积。水平线表示表面下沉强度，用于比较。图8：Fe37Ni34Cr16Mn13中的单个回路跟踪。平均回归系数为R²= 0.98。图9：最终测量剂量的模拟和实验分布。对于Fe37Ni34Cr16Mn13，直方图箱宽为7 nm，对于316 L和Fe60Ni40，直方图箱宽为2 nm。图10：模拟曲线与实验测量的环密度和平均尺寸的比较。彩色区域和误差条分别对应于模拟和实验测量的平均值的标准误差。图11：反应常数从环尺寸分布的模拟中获得。误差计算为模拟的标准偏差，得出C < 0.05（公式9）对于316 L和Fe60Ni40，除了Fe37Ni34Cr16Mn13之外，其误差是最佳地使C最小化的三个模拟的标准偏差。a）环生成速率（fgen），与循环计数斜率（f effLoop）相比。对于Fe37Ni34Cr16Mn13，该值不是从该模型导出的，而是代表在0.15 dpa下第一次观察之前的生成速率的最小估计值。b）点缺陷诱导的环生长速率（vgrowth）和表观环生长速率（vloop）之间的比较。显示在条上方的值表示vgrowth对测量的生长速率vloop的相对贡献。c）粗化常数（ϕr）。图12：表面处RIS诱导的吸收偏置的示意图。a）高RIS，表面处增强的空位吸收; B）低RIS，降低的偏置。图13：与数据相比，316 L中的生长速率与计算的活化能（EA）的Arrhenius图。结论：在本研究中，我们跟踪了三种铁基FCC合金在550 ℃原位离子辐照过程中的微观结构演变。与二元Fe60Ni40和316 L相比，Fe37Ni34Cr16Mn13MPEA表现出更大的位错环，其环密度与Fe 60 Ni 40相似，但高于316 L。Fe37Ni34Cr16Mn13> Fe60Ni40> 316 L，这与通常引用的MPEAs的特征相矛盾，其表现出降低的缺陷生长速率和缓慢的扩散。环尺寸分布的演变是环生成、生长和粗化反应之间竞争的结果。环生成、生长和粗化的速率是我们比较合金之间的相关动力学量。为了从演变的尺寸分布中提取这些速率，我们引入了一个只包含环生成、生长和粗化三个过程的环反应模型（LRM）。然后，我们通过将测量的环尺寸分布和观察到的环半径生长速率拟合为辐射剂量的函数来校准相应的速率系数。结果表明，MPEA具有较大的平均环半径，环粗化速率较大，有利于环化反应的进行;Fe60Ni40和316 L的对环粗化概率相似，环粗化机制相似组成对环迁移率和环相互作用的影响很小。该模型还提供了环生成和点缺陷诱导生长速率，排除了环粗化反应的贡献，从而使点缺陷诱导生长速率的直接比较成为可能。我们发现，在Fe37Ni34Cr16Mn13和Fe60Ni40中，观察到的环生长速率的近一半来自粗化反应。在这样的合金中，仅仅依赖于单个环半径相对于温度的生长不会产生可靠的空位迁移能量。结果表明，在所研究的剂量区间内，MPEA遵循环生长为主的机制，环生长受环粗化反应的影响，可能受空位扩散控制的生成和生长机制控制，而316 L则似乎处于环生长为主的机制。而Fe60Ni40处于高级动力学状态，受到环粗化反应的强烈影响。即使微结构下沉强度显著增加，也与它们在离子辐照诱导的位移级联中的形成一致。与Fe60Ni40和Fe37Ni34Cr16Mn13相比，316 L不锈钢中位错环中存储的自间隙原子的量显著更少，这可能与其较低的镍含量有关，这可能限制了表面空位的优先吸收，以及其较不先进的微观结构状态。一种可能的解释是，镍-富集的表面作为偏向的汇，有利于空位吸收而不是SIA，从而间接地增强位错环对SIA的吸收。Cr16Mn13——其特征在于可比镍含量是一致的，在表面和SIA存储在循环中的空位吸收之间的可比平衡。在316 L和Fe60Ni40中观察到的类似的空位扩散介导的生长速率与低温电阻率测量结果一致，其显示在模型Fe-Ni-Cr合金中空位迁移率仅随Cr和Ni含量发生轻微变化。我们得到了一个大约为1.15 eV的空位迁移能，这与Dimitrov的结果一致。虽然316 L中的杂质可以减缓空位扩散并因此提高表观迁移能，我们观察到我们的测量值与Fe-Ni-Cr模型合金的测量值之间没有显著差异。Fe37Ni34Cr16Mn13中的介导环生长必须反映较低的空位迁移能。根据Fe37Ni34Cr16Mn13与316 L中的环生长速率的比率，我们推断Fe37Ni34Cr16Mn13的迁移能约为1.05 eV。此外，根据最近的DFT研究，与空位的交换比Fe或Ni更快，并可能解释增强的空位迁移率。我们的研究结果挑战了Fe37Ni34Cr16Mn13的化学复杂性固有地导致上级抗辐照性的假设。MPEA中位错环的体积分数相对较高，与二元Fe-Ni中的位错环相当。然而，如果这种大量的环密度是由于表面空位的偏置消除造成的，注意，富镍晶界还可以充当空位的有效汇，从而减少空隙形成，这是溶胀的主要贡献者。未来的工作应进一步探索杂质，成分和合金元素的再分布机制的辐射诱导的微观结构演变的协同效应。

《JMST》：振动疲劳强度提高24.04%！电磁冲击诱导CSL晶界形成提高钛合金疲劳性能 2026-07-23 背景：Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si由于其优异的综合性能而广泛应用于航空航天、生物医学、化学工程、海洋工程等各个领域。特别是，它在航空发动机的压缩机叶片等关键部件中占有重要地位。叶片处于高频振动的工作环境中，其振动疲劳寿命成为影响叶片在役性能的关键因素。多晶材料中的损伤经常沿沿着晶界（GB）引发和传播。Yang等人通过激光表面熔化改变304不锈钢的GB特性，优化了其性能。Pogrebnjak等人通过强流电子束处理增强了Ti-Al合金微区的GB取向，并形成了各种近表面晶粒结构，从而提高了抗疲劳裂纹萌生的能力，并显著改变了薄膜的机械性能。Meisner等人证实，通过低能量、高电流电子束处理改善Ni-Ti合金的疲劳性能也源于表面层结构变化。Hémery等人研究了几种具有不同微观结构的钛合金的低周疲劳裂纹形成机制，观察到早期疲劳裂纹沿沿着（0001）扭曲GBs萌生。在双相钛合金中，α相晶界（αGB）对疲劳裂纹扩展行为有显著影响。同时，特定的αGB可以通过诱导频繁的裂纹偏转来实现最低的疲劳裂纹扩展速率，从而导致上级疲劳裂纹扩展阻力。Kadoi等人证明，与重合位置晶格（CSL）边界相比，随机边界处的裂纹形成更频繁;另外，裂纹从随机边界扩展常常受到CSL边界的阻碍。通常把CSL边界看作低能边界，而把随机边界看作高能边界。Lam等人证明低GB具有优异的抗晶间裂纹性能。然而，目前对钛合金内部CSL边界在微观水平上影响疲劳性能的机制的研究有限。在六方密堆积（HCP）材料中，CSL理论的应用是复杂的，因为理想的CSL通常需要合理的（c/a）值。因此，HCP结构中的CSL边界通常指近CSL边界。关于定制钛的CSL边界的方法，目前的研究主要集中在表面处理、轧制和热处理等方法上。这些研究的关键结果总结见表1。传统的操作方法总是会引起相变。至关重要的是，这些相变过程不可避免地在随机GB处产生显著的应力集中，从而严重限制了高性能材料的制造。因此，我们提出了电磁冲击处理（EST），能够在不改变基体微观结构的情况下进行有针对性的GB操作，目的是进一步提高材料性能。EST显示出了希望，研究表明它能够显着改变材料的内部微观结构并减少内部微观缺陷。例如，Zhou等人研究了EST对Al-Cu-Li合金的影响，发现EST诱导了螺旋位错的演化，显著增加了蠕变速率和蠕变应变。Hou等人发现EST不仅促进了Mg-Al-Ca-Mn合金的快速溶解，而且还加速了时效过程并细化了基体晶粒。Hua等人发现EST可以修复冷轧过程中形成的孔隙，证实孔隙愈合主要由孔隙形状决定，与电磁能量施加方向无关。Cai等人观察到磁场对45钢晶粒的选择性影响，其中只有特定晶粒发生变形。尽管取得了这些进展，但EST影响CSL边界结构的潜在机制仍不清楚，其改善疲劳性能的机制的研究仍然不足。本文通过原位表征和第一性原理计算研究了EST作用下α相CSL边界结构的演化。同时，详细分析和验证了该GB影响疲劳性能的机理，从而揭示了EST提高Ti-6.5Al-3.5 Mo-1.5Zr-0.3Si疲劳寿命的内在机理。这些结果提供了一种强有力的手段来选择性地调整微观结构，从而从根本上提高多晶材料的抗疲劳性。该项研究成果以“Electromagnetic shock induced CSL boundaries formation to enhancefatigue properties of Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si”为题，在线发表于国际期刊《Journal of Materials Science & Technology》。该研究工作得到国家自然科学基金（No.U23A20624和52305414）、湖北省自然科学基金创新研究群体项目（No.2025AFA014）和111项目（No.B17034）的支持。文章链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030226003166?via%3Dihub 图1 （a）扫描电子显微镜（SEM）形态和（b）相图，（c）KAM图，（d）Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金的反极图。（e）EST过程示意图，（f）原位电子背散射衍射（EBSD）测试位置，（g）EST实验参数，（h）EST过程中的温度监测，（i）振动疲劳示意图，（j）疲劳试件尺寸。图2 在各种（a）EST和（b）处理条件下的疲劳强度和疲劳寿命的比较。图3 振动疲劳裂纹萌生和扩展过程。（a、c、e和g）未进行EST的疲劳试样相似位置区域的IPF和（b、d、f和h）SEM形态。（i、k、m和o）EST后疲劳试样相似位置区域的IPF和（j、l、n和p）SEM形态图4 在不同电流密度下通过原位EBSD分析Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si的晶粒取向：（a-c）S1-80 A/mm2，（d-f）S2-90 A/mm2，（g-i）S3-100 A/mm2。（a、b、d、e、g和h）IPF图和（c、f和i）方位角图示。图5 （a和b）GB和（c和d）边界图与KAM图（有和没有EST）的现场比较。（e-k）电流密度为S2-90 A/mm 2时的ACTEM结果。（e、f、i）局部GB的晶粒旋转过程分析，（g、j）对应的电子衍射斑点图案，（h、k）几何相分析。图6 利用EBSD原位研究了不同电流密度下Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金的CSL晶界分布和含量：（a-c）S1-80 A/mm2，（d-f）S2-90 A/mm2，（g-i）S3-100 A/mm2。图7 （a）在EST之后通过原位EBSD在Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si的CSL边界处的晶粒旋转角和所有晶粒的旋转角的统计结果：（b）S1-80 A/mm2，（c）S2-90 A/mm2，和（d）S3-100 A/mm2。图8 （a）和I-边界的GFE和（b）EFV，（c）GFE和EFV的相对关系，（d和e）7个边界的FPCTT，（f）和I-边界的理论强度。图9 I-转换为原子结构模型的示意图和势垒能，其中i = 3，5，7，11，13。图10 CSL的形成机制和有无EST的疲劳裂纹形核机制示意图。结论：在这项研究中，EST被提出来选择性地修饰GBs而不同时改变相组成。通过原位微观结构表征和第一性原理计算，研究了EST对GBs转变和强化机制的影响。（1）初始的随机晶界通过EST诱导的局部晶粒旋转向CSL晶界转变，不发生再结晶和相变，这是能量竞争的结果。晶粒旋转轴一般靠近晶粒区轴。（2）与随机边界相比，CSL边界具有更低的能量、更稳定的结构和更低的应力集中。电磁能为克服MEBs提供了必要的动力。因此，具有更高地层能量的CSL边界的形成需要更大的电磁能量输入。（3）振动疲劳试验结果表明，经EST处理后，Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金的振动疲劳强度提高了24.04%。形成的CSL边界阻碍裂纹扩展，导致从沿晶断裂到主要穿晶断裂的过渡。这应归因于新形成的CSL边界表现出明显更高的分离能和理论强度，从而增加了它们对疲劳裂纹萌生和扩展的抵抗力。

麻省理工学院《Corrosion Science》：沸水堆用Cr-Nb包覆燃料包壳的高温行为与耐蚀性 2026-07-13 随着福岛核事故发生，耐事故燃料（ATF）成为核燃料包壳材料的重点研究方向。目前应用于压水堆（PWR）的纯Cr涂层在沸水堆（BWR）高溶解氧环境中易发生氧化产物溶解，出现涂层失效问题，无法满足沸水堆的长期使用要求，行业亟需可适配沸水堆工况的新型包壳防护涂层。来自美国麻省理工学院等的研究人员制备了两种不同铌含量的Cr-Nb合金涂层，系统探究其在沸水堆常规运行工况与冷却剂丧失事故（LOCA）工况下的高温性能、微观结构演变及腐蚀行为，验证Cr-Nb涂层作为沸水堆耐事故燃料包壳涂层的可行性。相关研究成果已发表在近期的Corrosion Science期刊上。研究选用Zircaloy-4、优化型ZIRLO™、LK3三种锆基包壳合金作为基体，采用非平衡磁控溅射技术在基体表面沉积纯Cr涂层、13 at% Nb和24 at% Nb两种Cr-Nb涂层。沉积温度为250 ℃，腔体工作压力0.2 Pa，氩气流量90 sccm，通过调控铬、铌靶材功率精准控制涂层成分，涂层厚度约6.2~8.3 μm。沉积前对锆基管材进行超声清洗与氩等离子体刻蚀，去除表面氧化物和杂质。利用惰性气体熔融法（IGF）检测材料氢含量；同时开展沸水堆高压釜腐蚀测试以及800 ℃、1100 ℃高温蒸汽氧化测试，评估涂层在不同工况下的耐腐蚀与抗氧化能力。图1. 300 ℃、10 MPa纯水体系中铬的电位-pH图，标注了轻水堆相关运行工况图2. 铬-铌二元体系相图，标注了本研究测试的涂层成分区间图3. 长期流动式高压釜腐蚀测试装置示意图与实物照片图4. 高温蒸汽氧化实验装置示意图、实物照片及样品夹具细节图5. 沉积态涂层的外表面与截面扫描电子显微镜形貌图图6. 沉积态铬-铌涂层的波谱仪元素分布线扫描结果图7. 铬-铌涂层与锆合金基体的掠入射X射线衍射图谱及主峰局部放大图图8. LK3基体上沉积态76Cr-24Nb涂层的透射电子显微镜形貌图与选区电子衍射花样图9. 不同载荷下纯铬涂层与铬-铌涂层的维氏硬度压痕扫描电子显微镜形貌图图10. 沸水堆高压釜长期测试后的样品质量变化、截面扫描电镜-能谱映射图及元素线分布曲线图11. 经过123天沸水堆高压釜腐蚀测试后各类涂层的表面扫描电子显微镜形貌图图12. 1100 ℃蒸汽氧化条件下样品的增重量变化曲线图13. 1100 ℃氧化动力学拟合曲线与防护阶段的抛物线速率常数图14. 1100 ℃下不同氧化时长样品的宏观外观照片图15. 1100 ℃下蒸汽氧化5分钟与120分钟后涂层表面扫描电子显微镜形貌图图16. 1100 ℃蒸汽氧化后纯铬涂层的扫描电镜与能谱元素分布图像图17. 1100 ℃蒸汽氧化2小时后纯铬涂层样品的能谱元素线扫描结果图18. 1100 ℃蒸汽氧化后87Cr-13Nb涂层的扫描电镜与能谱元素分布图像图19. 1100 ℃蒸汽氧化后76Cr-24Nb涂层的扫描电镜与能谱元素分布图像图20. 1100 ℃蒸汽氧化120分钟后铬-铌涂层界面处的能谱元素线扫描结果图21. 1100 ℃蒸汽氧化30分钟后76Cr-24Nb涂层样品的30 kV高能能谱元素线扫描结果图22. 沉积态以及1100 ℃蒸汽氧化1分钟、5分钟后铬-铌涂层的X射线衍射图谱图23. 800 ℃蒸汽氧化条件下样品增重量变化曲线与不同氧化时长样品的宏观外观图24. 800 ℃蒸汽氧化后76Cr-24Nb涂层的扫描电镜与能谱元素分布图像图25. 800 ℃蒸汽氧化不同时长后铬-铌涂层与基体界面的扫描电子显微镜形貌图图26. 1100 ℃和800 ℃蒸汽氧化后涂层样品的氢含量测试结果图27. 铬-铌涂层防护性能逐步失效的演化机理示意图研究表明，两种配比的Cr-Nb涂层在模拟沸水堆长期工况下可保持结构完整，有效规避了纯Cr涂层氧化产物溶解、涂层脱落的问题；在800 ℃高温蒸汽环境中，Cr-Nb涂层耐蚀性与纯Cr涂层相当，历经长时间氧化也未出现涂层剥离；在1100 ℃冷却剂丧失事故工况下，Cr-Nb涂层可维持45分钟的有效防护能力，虽防护时长短于纯Cr涂层，但足以覆盖沸水堆典型事故的关键阶段；高温环境下涂层仅出现微观裂纹，未发生分层脱落，且能显著抑制氢向锆基基体渗入，综合性能证明Cr-Nb涂层可作为适配沸水堆的新型耐事故燃料包壳涂层，具备进一步开展堆内辐照与力学性能测试的价值。

Acta Mater.：普渡大学突破陶瓷脆性难题！高熵氧化物实现600℃下10.7%塑性变形 2026-06-02 陶瓷材料凭借其高硬度、耐高温、耐腐蚀等优异性能，在航空航天热障涂层、高温结构件、电力电子封装等领域有着不可替代的应用价值。然而，与生俱来的室温脆性和高温软化问题，一直是制约其作为高性能结构材料广泛应用的核心瓶颈。近日，美国普渡大学汪海燕教授团队在材料领域顶级期刊《Acta Materialia》发表最新研究成果。团队采用放电等离子烧结（SPS）技术制备了致密细晶的 (Co₀.₂Cu₀.₂Mg₀.₂Ni₀.₂Zn₀.₂) O高熵氧化物，系统揭示了该材料从室温到 600℃的温度依赖塑性演化机制，首次原位观测到富Cu针状第二相在高温变形中的关键作用，成功实现了陶瓷材料在600℃下超过10%的塑性变形，为突破陶瓷脆性难题提供了全新的熵稳定设计思路。论文链接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122212 【核心内容】研究针对传统陶瓷脆性大、高温塑性差的关键问题，以典型岩盐结构高熵氧化物 (Co,Cu,Mg,Ni,Zn) O 为研究对象，采用"高能球磨-预烧-放电等离子烧结"的多步工艺制备了相对密度达95.7%、平均晶粒尺寸1.03μm 的致密单相样品。研究发现，随着温度升高，材料从室温下的脆性穿晶断裂逐步转变为 600℃下的显著塑性变形，断裂应变从1.8%提升至 10.7%，同时仍保持2.1GPa的高抗压强度。微观机制分析表明，热激活位错运动、晶界滑动以及变形诱导析出的富Cu针状第二相的协同作用，是实现高温强韧协同的核心原因。图形摘要【研究结果】 ① 制备致密细晶单相高熵氧化物，基础力学性能优异研究团队首先优化了高熵氧化物的制备工艺，将等摩尔比的CuO、MgO、NiO、ZnO和CoO纳米粉末进行15小时高能球磨，900℃预烧形成单相固溶体，再通过放电等离子烧结在800℃、35MPa下保温5分钟完成致密化。形成了单一的岩盐结构，无明显杂相；平均晶粒尺寸为1.03±0.17μm，晶粒分布均匀，仅存在少量微孔和预存穿晶裂纹。维氏硬度测试结果7.44±0.27GPa，断裂韧性为1.42±0.02MPa·m^0.5，弹性模量约180GPa，与文献报道的同类材料性能相当，且优于多数传统氧化物陶瓷。微观结构和相分析 SPS高熵氧化物显微组织 ② 原位观测到显著的温度依赖塑性转变，实现高温大塑性变形团队系统研究了材料在不同温度下的力学响应，发现了清晰的脆性 - 塑性转变行为，400℃塑性明显提升，裂纹萌生延迟至3.6%应变，断裂应变达4.9%，变形过程中出现明显的微柱膨胀和剪切局部化，裂纹呈波浪形扩展而非突然失稳。600℃展现出显著的塑性变形能力和加工硬化行为，微柱可承受10.7%的应变而无突然载荷下降，裂纹扩展缓慢，断裂以沿晶开裂和弥散微裂纹为主，避免了整体脆性破坏。 SPS高熵氧化物力学行为 ③ 揭示变形诱导微观结构演化规律，量化位错密度演变室温变形后，平均晶粒尺寸从初始的1.03μm细化至135±80nm；400℃时进一步细化至103±23nm，且晶粒尺寸分布更窄；600℃时仍保持明显的晶粒细化特征，同时出现低角度晶界，表明动态回复机制开始发挥作用。室温变形后平均GND高达3.4×10¹⁶/m²，远高于传统氧化物陶瓷，说明尽管宏观表现为脆性，但微观上仍存在显著的位错活动；400℃时GND降至2.24×10¹⁶/m²，这是由于热激活导致位错攀移、交滑移和部分湮灭；600℃时GND回升至2.63×10¹⁶/m²，表明位错增殖速率超过了动态回复速率，从而产生加工硬化。室温压缩后对SPS高熵氧化物微柱的TEM分析变形高熵氧化物中GND的温度依赖性变形过程中会诱导析出富Cu的针状第二相，且其含量随温度升高显著增加：400℃时第二相面积分数为8%，600℃时增至23%。Cu 原子具有较高的扩散速率和较低的氧化物形成焓，同时其强畸变导致在高熵固溶体中热力学不稳定，在热激活和变形诱导的缺陷处优先偏聚析出。富Cu第二相内部存在大量堆垛层错，表明其可通过不全位错运动发生塑性变形，从而协调基体的变形，缓解局部应力集中。 400℃/600℃压缩后对SPS高熵氧化物微柱的TEM分析【总结与展望】研究通过原位实验结合先进表征技术，首次系统揭示了 (Co,Cu,Mg,Ni,Zn) O 高熵氧化物从室温到 600℃的变形机制演化规律，证明了熵稳定设计结合微观结构工程是克服陶瓷脆性的有效途径。研究表明，通过调控变形诱导析出的富 Cu 第二相的形态、尺寸和分布，可以同时实现陶瓷材料的高温塑性和强度，为设计下一代耐高温结构陶瓷提供了新的范式。

东华大学AM：新型超弹性陶瓷气凝胶，可在1300℃火焰下完好无损 2026-05-25 在航空航天、能源系统和先进制造等极端条件下，热绝缘材料面临着严峻的挑战。陶瓷气凝胶因其超低热导率和耐高温特性而成为关键材料，然而传统陶瓷气凝胶存在固有的结构脆性、易掉粉以及不适合连续大规模生产等问题。这些限制主要源于传统陶瓷气凝胶中纳米颗粒组装或非晶骨架的脆性本质。尽管近年来通过构建一维纳米纤维互连网络的结构范式，在增强柔韧性和损伤容限方面取得了进展，但实现兼具可规模化制备、优异高温热机械稳定性和 robust 弹性的陶瓷纳米纤维气凝胶，仍然是科学和工程领域的巨大挑战。针对这一难题，东华大学闫建华教授课题组合作开发了一种创新的共晶界面工程策略，成功制备出三维弹性钛酸铝（Al₂TiO₅）纳米纤维气凝胶。该材料密度仅为25 mg·cm⁻³，在25℃和1000℃下分别实现了0.033和0.103 W·m⁻¹·K⁻¹的超低热导率。更为重要的是，该气凝胶能够抵抗1300℃的直接火焰冲击而不发生结构破坏，并在50%应变的重复压缩后仍能保持90%的弹性恢复。这项研究不仅展示了可规模化生产弹性陶瓷气凝胶的可持续路径，更建立了一种全新的材料设计范式，将脆性共晶氧化物转化为用于航空航天和能源领域的轻质弹性热超绝缘体。相关论文以“A Eutectic-interface Engineered Al_{2TiO_{5 Nanofibrous Aerogel for Superinsulation Under Extreme Conditions”为题，发表在Advanced Materials上。研究人员开发了一种全水相、可卷对卷规模化生产的制造范式，将水性无机铝溶胶合成与线性静电纺丝技术和三维卷曲堆叠技术相结合。这一方法直接形成了共晶Al₂O₃-TiO₂（Al₂TiO₅）纳米纤维气凝胶，绕过了传统陶瓷气凝胶对复杂模板、冷冻干燥或超临界干燥的长期依赖。通过在溶胶中精确调控pH值和络合剂比例，并添加0.5 wt%的聚氧化乙烯（PEO）以增强链缠结和可纺性，实现了稳定的射流。该线性静电纺丝装置通过电压和收集距离的动态匹配，促进了纳米纤维在收集器上的可卷曲三维卷曲堆叠（图1b），形成了孔隙率超过95%、高比表面积的轻质分级多孔结构。经过煅烧处理后，纤维内部的TiO₂和Al₂O₃原位反应生成Al₂TiO₅。该工艺实现了6 m/min的单线生产速度，厚度偏差小于±3%，并可精确控制密度梯度在0.023-0.27 g/cm³范围内。值得注意的是，退火后的气凝胶表现出卓越的弹性和韧性，可直接用作独立的阻燃毯，并制成各种形状的规则块体（图1d）。材料内部的协同效应体现在：TiO₂主要作为热辐射阻挡层，Al₂TiO₅的共晶界面层确保高温稳定性，Al₂O₃骨架提供机械增强，而整体纳米纤维结构有效抑制热对流和传导（图1e）。在热导率测试中，该气凝胶在1000℃下热导率仅为0.103 W·m⁻¹·K⁻¹（图1f），与其他材料对比显示其兼具超低热导率和优异热稳定性（图1g）。图1.共晶Al₂TiO₅陶瓷纳米纤维气凝胶的卷对卷制造及其热传输机制。(a) 全水基线性静电纺丝工艺示意图，用于连续生产三维纳米纤维气凝胶。(b) 纳米纤维在收集器上形成可卷曲、三维卷曲堆叠的照片。(c) 经煅烧处理后的Al₂TiO₅纳米纤维气凝胶卷材。(d) 独立式阻燃毯的柔韧性和可加工性展示。(e) 材料多级结构中的热传输机制图解：TiO₂作为辐射阻挡层，Al₂TiO₅共晶界面提供高温稳定性，Al₂O₃骨架提供机械增强，纳米纤维网络抑制对流和传导。(f) 气凝胶在25°C至1000°C范围内的热导率测试结果。(g) 本工作Al₂TiO₅气凝胶与其他已报道隔热材料在最高使用温度与热导率方面的性能对比。通过扫描电子显微镜观察，气凝胶呈现出由随机堆叠、相互连接的纳米纤维构成的三维网络结构（图2a）。能谱分析证实了Al和Ti元素在整个纤维基质中的均匀分布（图2b）。高分辨透射电子显微镜对900℃退火的纤维进行分析，识别出晶格间距为0.477 nm，与Al₂TiO₅理论（021）晶面间距（0.476 nm）相匹配，这证实了Al₂TiO₅的原位形成（图2c）。溶胶的流变学表征显示，添加PEO后黏度显著提升并表现出剪切变稀行为（图2d和2e）。孔隙率测试进一步确认了材料的高孔隙特性（图2f）。X射线衍射分析支持了相转变过程：700℃时Al₂O₃和TiO₂衍射峰清晰可辨且无Al₂TiO₅，而在900℃退火后，特征性的Al₂TiO₅峰出现，前驱体峰减弱（图2g）。傅里叶变换红外光谱显示了900℃下Al-O-Ti振动的增强，证实了向目标共晶相的逐步结晶过程（图2h）。热重分析阐明了热分解路径，900℃以上质量稳定，表明有机物完全去除并形成热力学稳定的Al₂TiO₅相（图2i）。图2.共晶纳米纤维气凝胶的结构与功能表征。(a) 光滑共晶纳米纤维的扫描电镜形貌，插图为气凝胶照片。(b) 透射电镜及能谱面分布图。(c) 共晶纳米纤维的高分辨透射电镜形貌。(d) 有无PEO的两种溶胶的粘度演变曲线。(e) 有无PEO的两种溶胶的流变剪切变稀行为。(f) 气凝胶的孔隙率测试结果。(g) 两种不同温度煅烧后纳米纤维的X射线衍射图谱。(h) 两种不同温度煅烧后纳米纤维的傅里叶变换红外光谱图。(i) 热重分析显示前驱体纳米纤维的热分解路径。在机械性能方面，当1 cm厚的气凝胶被压缩至50%应变时，纤维间空隙减小，结构致密化，而力释放后气凝胶迅速回弹，纤维网络基本恢复原始结构，表现出显著的结构弹性和抗塑性变形能力（图3a-3c）。大规模生产的气凝胶在持续压缩下保持结构完整性和优异的形状恢复能力，没有永久塌陷的迹象（图3d）。经过短暂热压后，气凝胶形成了具有良好内聚力和可操作性的气凝胶毡，仍保持优异的柔韧性和拉伸强度，能够悬挂100 g的重物；原始状态的气凝胶超轻，可轻松置于树叶等 delicate 基底上而不引起变形（图3e）。该材料在宽温度范围内展现出卓越的热机械稳定性：既能承受1300℃的直接火焰冲击并保持可压缩性和完全弹性恢复，也能在液氮（-196℃）浸泡后实现可恢复压缩，展示了从低温到超高温的可靠弹性（图3f）。疲劳测试表明，在50%压缩应变下，最大压缩应力在首次循环时约为25 kPa，并在第50和100次循环时稳定在17-18 kPa范围内，显示出机械性能约在50次循环后趋于稳定（图3g）。弯曲测试显示最大弯曲曲率达到50%，远超典型脆性陶瓷（图3h）。拉伸测试表明，TiO₂纳米颗粒的掺入显著增强了拉伸强度（图3i）。图3.力学表征。(a-c) Al₂TiO₅陶瓷纳米纤维气凝胶在压缩下的微观结构响应。(d) 大规模生产气凝胶的宏观力学测试进一步证实了其优异的回弹性。(e) 热压后形成的内聚且可处理的块体气凝胶毡展示，以及Al₂TiO₅气凝胶的超轻特性。(f) Al₂TiO₅气凝胶从低温到超高温宽温域内卓越的热-力学稳定性展示。(g) 不同应变下气凝胶的循环压缩应力-应变曲线。(h) 弯曲测试。(i) 不同应变下气凝胶的拉伸应力-应变曲线。在阻燃和热绝缘性能的定量评估中，一块3.5 mm厚的气凝胶毡在承受700℃热侧和0.9 MPa压力（模拟机械载荷）的条件下，10分钟后冷侧温度稳定在仅98.59℃，展示了优异的温度梯度（图4a）。同时，气凝胶在0.9 MPa压力下保持结构完整性，未发生压实或塌陷（图4b和4c），证实了其在严苛工程应用中的优异抗压强度和稳定性。在模拟锂离子电池热失控的 nail 穿透测试中，用气凝胶包裹的电池模块成功抑制了随之而来的爆炸，保持完好无损，有效阻隔了火灾和热传播（图4d-4f）。红外热成像提供直接证据：气凝胶包裹模块的表面温度显著低于未保护模块，裸电池的平均温升速率高达60.27℃/s，而气凝胶保护电池仅为12.79℃/s，突显了气凝胶在抑制温度升高和控制热危害方面的重要作用（图4g）。进一步地，在模拟焊接操作的极端工业场景中，将气凝胶毡直接放置在约1800℃的熔融钢渣下方，它承受住了这种强烈的热冲击，没有熔化或结构破坏，表现出卓越的隔热性能（图4h-4j）。钢渣温度评估进一步确认了气凝胶的隔热效果（图4k）。图4.阻燃和隔热性能：从实验室测试到实际应用过渡。(a) 评估气凝胶隔热性能的标准防护热板测试。(b) 施加0.9 MPa压力持续10分钟后观察到的冲击效应。(c) 0.9 MPa压力下气凝胶的厚度变化。(d-f) 利用气凝胶包裹的电池针刺安全测试。(g) 有无气凝胶包裹的电池温度对比。(h-j) 涉及气凝胶的焊接钢渣演示。(k) 有无气凝胶情况下的钢渣温度评估。总而言之，通过溶胶-凝胶化学、低温共晶工程和可规模化纤维加工的集成，研究人员成功创造了连续纳米纤维Al₂TiO₅气凝胶。该材料兼具超低高温热导率、卓越的热机械韧性、结构均匀性以及批次间一致性，并已在大规模样品上得到验证。这项工作不仅为工业高温绝缘和电化学存储安全领域的重大挑战提供了即时解决方案，更从根本上为共晶氧化物陶瓷开创了一种全新的形态范式（纳米纤维气凝胶）和颠覆性的合成路径（低温化学合成），为设计耐用的柔性热超绝缘体开辟了新前沿，具有重要的科学价值和广阔的工程应用前景。}}

内外氢协同作用：揭秘高强Al-Zn-Mg-Cu合金应力腐蚀开裂的新机制 2026-04-29 高强Al-Zn-Mg-Cu合金因其优异的比强度与加工性能，广泛应用于航空航天关键结构件。然而，其在使用过程中面临的应力腐蚀开裂（SCC）问题，始终是制约其服役安全性与寿命的关键瓶颈。长期以来，氢脆被认为是SCC的重要诱因，但氢的来源——究竟是外部环境渗入的“外氢”，还是材料自身携带的“内氢”——以及二者如何协同作用，始终缺乏系统性认识。近日，日本九州大学唐建伟团队在 Scripta Materialia 发表的研究成果，首次通过4D原位同步辐射X射线断层扫描与有限元模拟相结合的手段，系统揭示了内外氢在SCC萌生与扩展过程中的协同机制。本文将从行业专家视角，对这项研究进行深度解读。图1. (a) HW、(b) LW、(c) HAr 和 (d) LAr 试样通过原位拉伸试验获得的名义应力-应变曲线及对应的断口 SEM 形貌。名义应力-应变曲线中的红色圆圈表示进行 XMT 扫描的时刻。断口形貌中的黄色区域显示了准解理断裂（QCF）区域的分布，HW、LW、HAr 和 LAr 试样的 QCF 面积分数（）经计算分别为、、和。每次试验中进行卸载的原因在补充材料中予以说明。一、研究背景：内外氢并存，SCC机理亟待厘清在传统SCC研究中，外界环境中的水分子与铝基体发生反应生成原子氢，并扩散进入材料内部，即“外氢”，被认为是主要致裂因素。然而，高强铝合金在熔炼、热处理等制造过程中也会不可避免地引入一定量的“内氢”，这些内氢在后续服役过程中是否会参与SCC过程、其作用机制如何，长期以来缺乏定量研究。本研究通过调控Al-9.9Zn-2.3Mg-1.4Cu-0.15Zr合金的内氢含量（低氢：4.5 mass ppm，高氢：8.3 mass ppm），并结合不同测试环境（蒸馏水 vs. Ar气氛），构建了四种实验条件，系统评估了内外氢对SCC行为的独立与协同作用。图2. (a) HW、(b) LW、(c) HAr 和 (d) LAr 试样在不同施加应变下 QCF 的三维渲染图像。二、核心发现：内外氢协同主导SCC全过程 1. 内外氢共同加速SCC，外氢作用更为显著实验结果表明：在蒸馏水环境中，无论内氢含量高低，试样的断裂应变均显著低于Ar气氛中，说明外氢对SCC具有强烈促进作用。在相同环境下，高内氢试样表现出更低的断裂应变与更高的准解理断裂（QCF）面积分数。 QCF面积分数在蒸馏水环境中较Ar气氛提升3~4倍，而内氢含量提升使QCF面积分数再增加约50%。这表明，SCC行为并非单纯由外氢主导，内氢同样发挥着不可忽视的贡献。 2. 内外氢协同影响裂纹萌生与扩展通过4D原位X射线断层扫描（图2），研究团队首次实时追踪了QCF的萌生与扩展过程：在Ar气氛中，低内氢试样（LAr）在应变达5.5%时仍未出现QCF，而高内氢试样（HAr）在2.5%应变时已出现微小QCF。在蒸馏水环境中，低内氢试样（LW）在1.5%应变时出现QCF，且初始裂纹面积显著大于HAr。高内氢+蒸馏水（HW）条件下，QCF萌生最早、面积最大、扩展最快。这一系列结果清晰表明：外氢主导了裂纹的早期萌生与快速扩展，内氢则在裂纹扩展中后期提供持续推动力。图3. (a) HW 和 LW 试样在裂纹萌生阶段于蒸馏水中暴露 60 分钟后的氢扩散模拟结果；(b) (a) 中黑色矩形框所示区域 HW 和 LW 试样的氢分布放大图；(c) 初始裂纹长度分布。三、机理剖析：氢致η-MgZn₂界面脱粘是核心研究团队结合热力学平衡理论与第一性原理计算，进一步揭示了微观机制： η-MgZn₂沉淀相与Al基体界面具有较高的氢陷阱能，是氢优先聚集的位置。当该界面氢浓度超过21 mass ppm时，界面脱粘发生，形成纳米尺度裂纹，进而演化为宏观QCF。通过有限元模拟，研究者成功预测了HW与LW试样在萌生阶段的QCF长度（5.6 μm vs. 4.3 μm），与实验观测值（6.3 μm vs. 4.3 μm）高度吻合。这说明，氢致η-MgZn₂界面脱粘是SCC萌生的关键微观机制，而内外氢共同决定了局部氢浓度是否达到临界值。四、内外氢的协同路径研究进一步揭示了内外氢在SCC过程中的协同路径：外氢：从环境渗入，在材料表面形成梯度分布的“氢影响区”，使表层区域更容易达到临界氢浓度，成为裂纹萌生的高风险区。内氢：在塑性变形过程中，内氢随位错迁移至裂纹尖端区域，与局部应力场共同作用，进一步扩大“潜在裂纹区”，为裂纹扩展提供持续氢源。这种“外氢主导萌生、内氢驱动扩展”的协同机制，为理解高强铝合金在潮湿环境中的SCC行为提供了全新的理论框架。

新型热双屏障涂层让发动机效率飙升20% 2026-03-18 在高温工业领域，热障涂层（TBCs）是燃气轮机和航空发动机的“守护神”，能保护涡轮叶片免受超过1700°C的燃烧气体侵蚀。然而，传统TBCs主要关注降低热传导，却在高温下忽视了辐射热传递的威胁——而辐射热随着温度升高呈四次方增长，成为效率的“隐形杀手”。近日，一项研究提出热双屏障涂层（TDBCs），通过引入金属硅化物超材料，首次实现传导与辐射热量的双重阻断。这项技术不仅让涂层在1200°C高温下保持稳定，更模拟出20K的温度梯度提升，有望将发动机效率提高10-15%！ 01 传统TBC的瓶颈：辐射热成了“漏网之鱼” 传统TBCs依赖多孔氧化钇稳定氧化锆（YSZ）降低热传导，但在1000°C以上，辐射热传递贡献超过30%的总热流。正如研究指出，“光子层面的辐射热转移长期以来被忽视”。图1f显示，TBC性能提升对应着千亿级市场规模——2021年燃气轮机市场达1010亿美元。而图1g中，涂层冷侧通过流体冷却，热侧承受辐射负荷，这种“双环境”配置正是TDBC的设计初衷。 02 创新设计：超材料嵌入，双管齐下阻热流 TDBC的核心是在YSZ基质中嵌入三层超薄金属超材料（每层50-100 nm），层间以YSZ间隔（75-100 nm）。这种设计巧妙分离了热传导和辐射抑制功能： YSZ基质保持低热导率（0.7-1.5 W·m⁻¹·K⁻¹）；金属层反射可见至中波红外辐射，阻断辐射热。图3c的模拟显示，单层YSZ在1-5 μm波段透射率高，与黑体辐射谱重叠，而超材料可实现近零透射。通过混合热传递模型（图3d），团队预测理想TDBC支持额外20K温度梯度，对应显著能效提升。 03 攻克氧化难题：PBR工程筛选“高温战士” 高温下氧化是超材料的“阿喀琉斯之踵”。研究引入Pilling-Bedworth Ratio（PBR）作为材料筛选标准：PBR=1-2时，氧化物层形成保护性钝化膜（如TiO₂），否则易氧化或剥落。图4a中，钛（Ti, PBR=1.7）处于保护范围，而钨（W）等虽熔点高但PBR非保护性。SEM图像（图4b-d）证实：Ti/YSZ在1000°C退火后结构完整，而W基材料严重降解。红外透射谱（图4e）显示Ti/YSZ透射率仅7%，远低于W基材料。 04 金属硅化物：1200°C下稳如泰山的“秘密武器” 为进一步提升氧化抗性，团队转向金属硅化物（如TiSi₂、W₃Si₄）。这类材料通过形成低氧渗透性SiO₂钝化层，实现超强稳定性。图5a-c中，W₃Si₄在大气中反射率几乎不变，而Ti/YSZ显著退化。图5d-f显示W₃Si₄在1200°C下结构稳定，仅顶部颗粒化。反射谱（图5g）表明再结晶反而增强金属性。微观分析（图6）揭示机制：W₃Si₄层中W集中于中心，Si在边缘形成SiO₂钝化层，有效阻氧。 05 应用前景：从航空发动机到绿色能源 TDBCs技术不仅适用于燃气轮机，还可扩展至：航空发动机：提升效率，延长寿命；高温工业炉：减少能源损失；热光伏系统：提高光热转换效率。研究通过可扩展的薄膜沉积技术（如溅射），使TDBCs易于大规模应用，兼顾性能与成本。

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