简讯

直写4D打印陶瓷前驱体制备复杂结构陶瓷

近日，香港城市大学吕坚院士与哈尔滨工业大学孟松鹤教授合作，创新性地提出了一种通过直写4D打印陶瓷前驱体来制备复杂结构陶瓷的新策略。相关成果以Lightweight and geometrically complex ceramics derived from 4D printed shape memory precursor with reconfigurability and programmability for sensing and actuation applications为题发表于Chemical Engineering Journal。

研究者合成了一种具有可重构性和形状记忆效应的陶瓷前驱体复合材料。该工作制备的陶瓷前驱体具有可重赋形和形状记忆效应两大特点。可重赋形特性使得复杂几何形状的陶瓷易于制备，形状记忆效应赋予打印结构多样的临时形态和节约空间等优势（形状恢复率约100%）。4D打印制得的前驱体坯体经过高温裂解烧结后可以得到轻质高强双相陶瓷。研究中对制备的陶瓷进一步进行了表征和测试，对其具有的半导体温阻特性进行了表征并展示了相关应用。

通过化学二次交联的方式实现陶瓷前驱体的二次赋形。不同于传统陶瓷前驱体只能实现单次赋形，此工作通过“半交联-完全交联”两步固化的方式，完成了陶瓷前驱体的两次单独赋形过程。以重赋形的方式结合4D打印，给予打印结构和形态更多的可能。

该工作设计利用了重赋形特性的传感器，能够以更高的可靠性检测不平整轮廓的表面温度。相关应用表明前驱体和其衍生陶瓷在航空航天领域的潜力。这项工作不仅为复杂结构陶瓷制造提供了一种新的策略，也为进一步发展4D打印、驱动器、传感器和工程应用铺平了道路。

左图为热响应形状记忆行为和从4D打印前驱体到几何复杂陶瓷的展示，由左向右包括初始、重赋形、临时形状、回复和烧结后陶瓷形状。

（本刊记者 大漠）

东南大学设计出具有卓越跳跃性能的软体机器人

近日，东南大学杨洪教授课题组受弹尾虫（Springtail）跳跃方式的启发，基于弹弓弹射原理，设计了一种具有荷包折（Three-leaf panel fold）结构的液晶弹性体基软跳跃机器人。相比于热、光、气、电、磁、溶剂驱动跳跃机器人，该软体机器人具有更为优异的跳跃能力，其最大跳跃高度和跳跃距离分别达到了自身长度的87倍和65倍（相当于一个成人，一跃达到50层楼的高度），而且能够在不同环境条件下实现连续跳跃。

当近红外光照射该液晶弹性体基荷包折条带的内折叠部分时，内折叠部分会展开，但是会被外折叠部分阻挡，形成储能结构；当条带外折叠部分无法阻止内折叠的展开时，条带存储的应变能瞬间得到释放，从而实现跳跃运动。研究者通过有限元模拟分析了这种荷包折条带的跳跃过程，与试验结果一致。在近红外光照下，荷包折条带首先展开，形成弹指结构并存储能量，接着由于重心发生变化，条带发生翻转，最后突然释放储存的能量并产生跳跃运动。研究者进一步通过改变光强、荷包折条带的尺寸以及折痕角度，实现了对软跳跃机器人的跳跃性能和跳跃方向的调控。研究者还演示了该液晶弹性体基软跳跃机器人在复杂环境中（如台阶、粗糙表面）的连续跳跃。此项研究为智能材料和驱动器的发展提供了新的思路。

（本刊记者 大漠）

直接观察BCC固溶体合金的间隙原子占位取得新进展

引入间隙元素（如氧、碳、氮），是大幅提升体心立方（BCC）金属强度的有效方法，显著的固溶强化效果与间隙原子在晶格中的位置在有关。通常认为碳原子位于BCC晶格的八面体间隙位置，引起不对称的晶格畸变，有效阻碍位错的运动从而提升材料强度。然而，在透射电镜中直接观察BCC晶格中的间隙原子很难，且易受样品表层杂质（如氧化层）的干扰。如何可靠地实现对间隙固溶原子及其所处晶格位置的直接观察是金属材料研究领域的一大难题。

近日，西安交大材料创新设计中心（CAID）刘畅研究员和马恩教授团队与清华大学于荣教授团队合作，选择含大量间隙氧原子（原子分数12%）的BCC（TiZrNb）86O12C1N1中熵合金，应用清华自主研发的自适应传播因子叠层成像技术，直接观察到了间隙固溶体中熵合金中的氧原子。

该技术是一种衍射成像方法，采集电子束扫描样品时每个位置的衍射图，通过数值重构获得正带轴晶体对电子波函数的相位调制。技术具有深亚埃分辨、深度分辨、取向校正等优势，使其能有效地适用于应变和缺陷较多的晶体。研究发现，氧原子在晶格中的位置与其含量直接相关，高浓度时，氧原子主要位于BCC晶格的四面体位置，而非传统认为的八面体位置。

该发现揭示了间隙固溶BCC合金的结构特性，将有助于新一代高强度金属材料的研究与开发。此工作以Direct observation of oxygen atoms taking tetrahedral interstitial sites in medium-entropy bodycentered-cubic solutions为题发表在Advanced Materials上。

（本刊记者 大漠）

浙理工制备出超耐用仿兔毛纳米纤维膜

近日，浙江理工大学傅雅琴教授团队、青年教师司银松等报道了一种具有超耐用性的仿兔毛髓腔状二氧化硅/聚酰亚胺（SiO2/PI）复合纳米纤维膜。该研究通过简单的静电纺丝和浸渍过程制备出具有超耐用性的仿兔毛单髓腔结构的SiO2/PI复合纳米纤维。复合纳米纤维中嵌入的空心SiO2微球和形成的竹节状空心结构赋予该膜出色的隔热性能，而纤维表面涂覆的PI薄层在没有大幅降低其热稳定性的同时使其具备很高的强度。获得的SiO2/PI复合膜具有高的抗拉强度（19.7 MPa）、高柔韧性、低导热、抗多次摩擦、骤热/冷交替稳定性、低的燃烧发热/烟量和较高的极限氧指数。这些出色的特性主要归因于复合膜中形成的3D网络结构以及对单根SiO2纳米纤维的浸渍增强效应。这种复合膜不仅克服了纯SiO2膜的低拉伸强度和耐用性较差的缺点，而且还具有质轻、防火性能，在隔热、防火/冷冲击、可穿戴防护织物等领域具有广泛应用前景。

该研究结果表明，采用同轴电纺丝技术和一种简单的浸渍方法可以制备出仿兔毛状SiO2/PI复合纳米纤维膜。这为开发实用的耐久隔热材料提供了一种简单的策略，为制备多层叠压无机–杂化复合膜奠定了基础。

下图为仿兔毛髓腔状二氧化硅/聚酰亚胺（SiO2/PI）复合纳米纤维膜的阻燃和自熄灭性能。

（本刊记者 大漠）

哈尔滨工程大学制备出室温高塑性镁合金

镁合金作为最轻的金属结构材料，在航空航天、武器装备、汽车、3C电子等领域具有巨大的应用潜力。

低的室温塑性一直是限制镁合金广泛应用的主要阻碍之一。HCP结构提供了有限数量的可激活的滑移系统，并且只有两个独立的基面滑移系统易于激活，远不能满足Von Mises/Taylor准则。获得超细晶（约1 µm及以下）是提高镁及其合金室温塑性的重要手段，然而获得超细晶往往需要特殊的设备和工艺，限制了其广泛推广应用。

近期，哈尔滨工程大学张景怀课题组综合利用晶界偏聚和高比例非基面滑移激活开发出室温高塑性镁合金。相关论文以Developing a Mg alloy withultrahigh room temperature ductility via grain boundary segregation and activation of non-basal slips为题发表于International Journal of Plasticity。

团队通过Er（原子分数0.3%）元素微合金化、挤压变形和退火等工艺制备了平均晶粒尺寸约8 µm的Mg–Er合金，获得了室温下接近50%断裂延伸率的高塑性。相比超细晶而言，该动态再结晶晶粒尺寸可以容易地通过工业常规热挤压工艺（挤压温度300～400 ℃）获得，因此该超高塑性镁合金具有高效大规模应用潜力。

团队利用原位EBSD+SEM滑移迹线分析定性/定量研究了变形模式激活规律，表明Mg–Er合金在中等细化晶粒（8 µm）下能够激活相当多非基面滑移，明显高于对比合金，且非基面滑移的激活也一定程度上抑制了孪生。

基于TEM位错柏氏矢量分析原理（g·b=0缺陷不可见原则），利用双束条件下WBDF在拉伸后的退火Mg–Er合金中观察到大量的非基面滑移，这验证了滑移痕迹分析的结果。晶界裂纹是变形过程中难以避免的，晶界处的几何必须位错密度随应变量的增加而增加。

团队利用STEM–HAADF/EDS量化分析不同状态退火的Mg–Er合金的晶界偏聚水平，300 ℃下退火合金的晶界偏聚水平明显更高，这利于晶界处的非基面位错激活和抑制晶界开裂，进而获得更高的室温塑性。

（本刊记者 大漠）

长安大学与浙大团队发现纳米相变增韧膜层应力传递的物理机制

陶瓷复合膜层因具有较高的模量和出色的耐蚀性而被用于轻合金的表面防护领域，然而，过高的模量表现出的高脆性长期影响其在结构材料表面防护的应用。

长安大学轻合金表面强化研究所陈永楠教授团队和浙江大学占海飞教授团队通过裂纹区的相变过程表征和分子动力学模拟，研究了陶瓷复合膜层中四方氧化锆（t-ZrO2）纳米晶相变增韧的具体机制以及t-ZrO2/MgO界面关系对应力传递的影响。相关论文以Enhancingthe toughness of nanocomposite coating for light alloys by the plastic phase transformation of zirconia为题发表在International Journal of Plasticity上。

基于该应力传递机制，增韧膜层的韧性相较于传统PEO膜层提高了约1.15倍，这将有助于推进陶瓷膜层在轻合金表面结构件的应用，延长陶瓷膜层的服役寿命，拓宽其应用环境。目前的研究结果清楚地显示了应力转移引起t-ZrO2塑性相变，为增韧纳米陶瓷膜层的设计提供了一种新的策略。左图为相变控制的输入功率密度。

（本刊记者 大漠）

山东大学制备出流线型强化相构型Al-Si-Mg合金

山东大学刘相法教授团队利用自主研制的Al-TCB-25Si晶种合金，通过其中的C掺杂型TiB2（C-TiB2）细化α-Al晶粒，并通过SiC进一步强化基体，制备了强化相呈网状构型的新型Al-Si-Mg合金。借助热挤压工艺将网状构型改变成流线型，系统地研究了不同构型Al-Si-Mg合金的组织和力学性能，并讨论了组织构型对力学性能的影响机理。

在成分一致的情况下，与网状构型合金相比，流线型构型合金的极限抗拉强度降低了11.0%，屈服强度降低了15.6%，其延伸率提高了79.5%。

增强相的构型对合金的性能也有显著影响，这与其承载力的方式密切相关。流线型构型合金中的位错同样首先在强化相周围产生，但随着拉伸过程的进行，微裂纹趋于沿拉伸方向扩展，裂纹之间难以连接，合金得以持续变形，拥有更好的塑性。

综上，共晶Si和增强颗粒的流线型分布有利于提高Al-Si-Mg合金的塑性，其延伸率几乎是网状构型合金的两倍。这为高强高韧材料的设计提供了数据支撑和理论支持。

相关论文以Revealing the correlation of microstructure configuration and mechanical properties of Al–Si–Mg alloy reinforced by C-doped TiB2 and SiC为题发表在Materials &Design上。

（本刊记者 大漠）

宁波材料所高性能压阻式气流传感器研究取得进展

基于机械变形原理的柔性压阻式气流传感器系统具有小型化、制造简便、信号采集方便、灵敏度高等典型优点，被广泛应用在航空航天、天气监测、小型无人机等领域。已经有大量工作通过微小尺度上的材料设计实现对微小气流的检测，但是这一类材料因无法实现大范围的气流检测而受到应用上的限制，以简单有效的方式实现超低检测限和宽检测范围方面仍然存在挑战。

自然界蜘蛛通过感受蜘蛛网径向线振动来感知周围环境信息，宁波材料所陈涛团队受到这一现象的启发，研发了一种具有径向结构气流传感器系统。这种传感器（GCEF）主要由石墨烯、碳球和Ecoflex材料构建，通过检测竞争性横向和纵向应变而产生的电信号做对应的响应。因此，该气流传感器具有超低气流检测限（0.0087 m·s-1）、 超 宽 感应范围（23 m·s-1）和快速响应时间（约0.1 s），并且1150次循环稳定。作为概念验证，开发了一种具有8个独立传感器的人工智能蜘蛛网（AISW）阵列系统，以精确区分所施加气流的强度、方向和位置，并进行主动警告和非接触式控制。

这种高性能压阻式气流传感器自支撑配置对不同流速的气流的响应具有不同的电流变化趋势，因此可以实现高性能气流检测。并且开发了基于该气流传感器与实时信号处理功能集成的AISW系统，可以识别所施加气流的位置和强度，以进行实时监测和危险警告。这种自支撑气流传感器的设计在软电子和智能仿生系统领域显示出巨大的潜力。

该工作以Dynamic competitive strains enabled self-supporting Janus nanostructured films for high-performance airflow perception为题发表在Materials Horizons上。

上图为GCEF的结构设计和气流检测性能。

（本刊记者 大漠）