简讯

“负混合焓固溶体”概念为解决合金“强度-韧性倒置矛盾”提供新策略

2024 年1 月4 日，北京工业大学/ 南方科技大学韩晓东教授团队在Nature发表题为“Negative mixing enthalpy solid solutions deliver high strength and ductility”的研究论文。

研究首次提出“负混合焓固溶体”合金设计概念，在合金内引入多尺度异质结构，克服位错增殖能力差、位错密度低、加工硬化率低等问题，突破难熔多主元合金强度-韧性倒置矛盾关系，解决了该类合金室温塑性差的科学难题，获得强韧性居国际领先水平的难熔多主元合金。

混合焓是材料热力学状态的一个重要参数，反映不同原子间的化学亲和性，是衡量体系内能的重要参数。当合金的混合焓为0 时，合金的显微结构由熵决定，其通常呈现出理想固溶体结构。加入负混合焓元素能够打破该理想熵固溶体结构，形成成分波动/局域有序等局域性的负焓化学亲和性团簇异质结构，作者称之为负焓固溶体结构。在负焓固溶体的基础上进一步降低混合焓，可将负焓固溶体结构调控为金属间化合物结构，甚至是非晶结构。基于该设计概念，作者在近理想固溶体——HfNbTiV 合金中添加Al元素，调控合金的固溶体结构。因Al 与其他合金元素Al-M（M= Hf, Nb,Ti, V）具有负的混合焓，促使多级纳米异质结构在合金内形成，从而制备出HfNbTiVAl10负焓固溶体合金。多级纳米异质界面能够钉扎位错运动并促进位错以多系滑移和交叉滑移的方式进行运动和增殖，同时还能够作为晶内位错源，产生超高密度位错。合金的加工硬化能力获得明显提升，最终获得兼具高强度与大塑性的负混合焓多主元合金。该负焓固溶体合金设计准则在不同结构的多主元合金中获得了证实，为设计兼具高强度和大拉伸塑性的合金提供了一种新策略和理论基础，这一突破性进展也为打破金属材料强度与韧性倒置矛盾关系提供了新思路，有望推动高强韧合金的发展。

HfNbTiVAl10合金的屈服强度约为1390 MPa，延性达约20%，其屈服强度与拉伸塑性的协同效果远超同类合金。该优异力学性能源于其具有跨亚纳米至上百纳米的多尺度化学成分波动结构。基于原子尺度成分分析，作者首次揭示出原子尺度混合熵及混合焓分布，发现混合焓在-3.20～-9.83 kJ/mol间的高度波动是其形成多尺度化学成分波动的关键。基于原位同步辐射拉伸试验，阐明该合金内位错密度随应变持续增加至高密度（～5.15×1015m-2）保障了该合金高的、持续的加工硬化率。多尺度化学成分波动可以连续阻碍位错运动，促进位错以多系滑移和交叉滑移的方式运动和累积，从而使应变硬化率在大应变范围内保持高水平。

（本刊记者 逸飞）

中国科学院金属所与澳大利亚团队合作制备出超塑性钛合金

中国科学院金属研究所研究员杨柯、任玲团队与澳大利亚皇家墨尔本理工大学教授邱冬团队合作，在前期开发的高性能双相核壳纳米结构Ti6Al4V5Cu 合金基础之上，设计并制备了具有多相纳米网状结构的新型钛合金。日前，相关研究成果以“Extraordinary superplasticity at low homologous temperature and high strain rate enabled by a multiphase nanocrystalline network”为题在线发表于International JournalofPlasticity。

据了解，超塑性成型技术有望解决复杂构件的成型问题，在航空航天等重要领域中有着广阔的应用前景。然而，目前多数金属超塑性成型的温度较高且应变速率极为缓慢，这不仅增大了超塑性成型的能耗与时间，还使成型后的材料表面发生了严重的氧化，制约了该技术的广泛应用。

研究团队研制的新型钛合金利用基体中的纳米β 网促进微纳米晶α晶粒间的滑移与倾转，并利用沿α/β 相界钉扎的纳米Ti2Cu 相提高该纳米网状结构的稳定性，全面提升材料的超塑性变形能力。这一组织设计使材料的超塑性变形温度较Ti6Al4V 合金下降了约250℃，在750℃和应变速率高达1 s-1的条件下，可以获得超过900%的延伸率，意味着该材料超塑性变形的应变速率较现有材料提高了2～4 个数量级。

在超塑性变形后，多相纳米网状结构的新型钛合金组织不会粗化长大，解决了材料超塑性变形能力与组织热稳定性之间的固有矛盾，这对于推动超塑性成型技术的发展具有重要的意义。研究工作得到国家重点研发计划、辽宁省自然科学基金面上项目和金属所创新基金项目的支持。

左图为原位SEM 观察高温拉伸过程中材料的超塑性变形机制。

（本刊记者 逸飞）

中国科学院大连化学物理研究所开发出新型聚酰亚胺气凝胶

近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员周光远和副研究员聂赫然团队，在高性能聚酰亚胺气凝胶结构设计和研究方面取得新进展。 相关成果以“Low shrinkage polyimide aerogels with excellent thermal insulation: Boosted by‘paddle-shaped’benzhydrylidenefluorenebased diamines”为题发表在ChemicalEngineering Journal上。

聚酰亚胺气凝胶具有轻质、耐高低温、高比表面积、低导热系数等优势，已成功应用于航空航天、太空探测等领域。然而，采用商业化的二酐和二胺单体，通过溶胶-凝胶方式制备的聚酰亚胺气凝胶，仍然存在收缩率高、尺寸稳定性差等问题，很难同时满足低密度和低导热系数，阻碍了其进一步的实际应用。

该工作中，团队开发了2 种新型基于二苯亚甲基芴结构的“桨叶型”二胺单体，通过与二酐单体共聚，获得刚性适中的聚酰亚胺气凝胶材料。试验发现，该气凝胶材料具有优异的尺寸稳定性、高孔隙率、高比表面积，以及良好的热性能。在200℃下加热1 h，上表面温度低于60℃，且导热系数低至54.3 mW/（m·K），表现出优异的高温隔热性能。

该工作为设计隔热性能优异和尺寸稳定的聚酰亚胺气凝胶材料提供了新思路。

下图为“桨叶型”二胺单体及聚酰亚胺气凝胶特性。

（本刊记者 逸飞）

燕山大学研究揭示金刚石中非共格孪晶界面的结构转变和迁移

2024 年1 月4 日，Nature杂志在线发表了燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室高压科学中心田永君院士团队的最新成果，论文题目为“Structural transition and migration of incoherent twin boundary in diamond”。研究人员系统地表征了纳米孪晶金刚石中Σ3{112}/非共格孪晶界上共存的多种原子级构型，并原位记录了室温条件下由位错介导的界面结构转变和依赖于结构的界面迁移行为。

研究人员使用球差校正扫描透射电子显微镜系统地表征了纳米孪晶金刚石Σ3{112} ITB 原子分辨的界面结构，并借助电子辐照荷电效应所产生的机械应力，研究了界面结构转变和迁移过程及机制。他们发现，由于共价键的方向性和饱和性，以及sp2和sp3两种杂化态的存在，纳米孪晶金刚石中的Σ3{112} ITB 呈现多种构型（两类——镜面对称和非镜面对称，各3 种），并表现出构型相关的不同迁移方式：镜面对称构型可以进行长距离快速迁移，其结构与行为特性与金属材料中观察结果类似；而非镜面对称构型则以剪切耦合模式进行短距离迁移。在应力作用下，不同构型的ITB 可以通过位错介导机制相互转变，进而影响界面的迁移模式；但非对称构型与对称构型之间的转变涉及界面两侧刚体位移变化，受共格孪晶界的约束而具有较高的转变势垒。因此，纳米孪晶金刚石中Σ3{112} ITB 主要以低能量、低迁移率的非对称构型存在，即便在孪晶厚度低至约1 nm 时依然如此，从而导致了纳米孪晶金刚石的持续硬化行为。

研究人员结合旋进电子衍射和分子动力学模拟结果，进一步确认了界面结构转变所需的激活应力接近于金刚石中全位错启动所需的临界剪切应力，从而揭示了纳米孪晶金刚石中Σ3{112} ITB 高稳定性的结构起源。这项工作进一步阐释了纳米孪晶金刚石的持续硬化机理，也为研究其韧化和室温塑性提供了新思路。

此外，它进一步丰富了人们对材料界面及其行为的认识，不仅提供了共价材料中界面室温结构转变和迁移的直接信息，还为新型纳米孪晶材料设计及强韧化策略实施奠定了理论基础。

左上图为纳米孪晶金刚石中{112}非共格孪晶界的结构转变（a 为纳米孪晶金刚石中典型晶粒形貌；b～e 为位错介导的界面结构转变）。

（本刊记者 逸飞）

新型智能材料可应用于结构智能减振技术

近日，大连理工大学教授董旭峰课题组在新型高性能磁流变液研究上取得突破性进展，为重要工程结构在复杂振动环境下的智能减振提供一种综合性能优异的智能材料。相关的研究成果以“Balanced devil triangle: A satisfactory comprehensive performance magnetorheological fluids with cross-scale particles”为题发表在Advanced FunctionalMaterials上。

磁流变液是一种具有广阔应用前景的智能材料，特别适用于结构智能减振领域。目前磁流变液的剪切屈服强度、沉降稳定性和零场黏度等关键性能指标之间存在相互影响，如何平衡这些关键性能指标、开发综合性能优异的磁流变液是制约结构智能减振技术发展的瓶颈问题，也是智能材料领域的研究前沿和热点。

该团队基于跨尺度磁性颗粒开发了综合性能优异的磁流变液，实现了剪切屈服强度、沉降稳定性和零场黏度等关键性能指标的平衡。研究采用直流电弧等离子体法制备具有高饱和磁化强度的FeCo纳米颗粒，将其与微米羰基铁颗粒按优化比例复配，构建一种新型的微纳米颗粒双分散磁流变液体系。相比于传统微米羰基铁粉磁流变液体系，微纳米颗粒双分散磁流变液体系的剪切屈服强度和沉降稳定性都得到了极大的提高，同时零场黏度和再分散性没有明显的劣化，剪切屈服强度从52 kPa 提升到58.3 kPa，沉降稳定性从60.1%提升到82.6%，零场黏度仅从0.87 Pa·s 升高到1.25 Pa·s，再分散性仅从1.3%增加到了1.5%。

该研究完美地解决了目前磁流变液关键性能指标难以平衡的问题，为结构智能减振技术的应用提供了高性能的智能材料。

下图为微纳双分散体系磁流变液的沉降稳定性和零场黏度提升机理。

（本刊记者 逸飞）

国家纳米科学中心在亚纳米材料普适性制备方面取得新进展

近期，国家纳米科学中心张勇团队联合刘新风课题组、郑强课题组合作攻关，提出了三元协同球磨方法，将球磨极限推进至亚纳米尺度，实现了亚纳米材料的普适制备。他们先以过渡金属二硫族化合物为研究对象，确立了三元协同球磨方法的有效性。单次循环制备产率（质量分数）分别为7.2%（二硫化钼）和4.8%（二硫化钨）。所得亚纳米二硫化钼/二硫化钨横向尺寸约为0.44 nm 和0.47 nm，厚度约为0.55 nm 和0.61 nm，从而证实了其亚纳米尺度。与纳米尺度和量子尺度相比，亚纳米尺度能够极大提升材料的荧光和非线性光学性能。他们再以石墨为研究对象，确立了三元协同球磨方法的普适性。同样操作，单次循环制备产率质量分数为2.3%。所得亚纳米石墨烯横向尺寸约为0.54 nm，厚度约为0.37 nm，从而证实了其亚纳米尺度（破缺单胞状态）。考虑到上述制备策略的机械/力学属性以及单层石墨烯具有已知最高断裂强度，亚纳米石墨烯的成功制备证明了这一策略的高度普适性。亚纳米材料普适制备的实现，展示了自上而下物理制造的极限能力以及破缺晶格的真正潜力，为研究非平衡亚纳米材料的性质和相互作用奠定了重要基础，有望促进亚纳米材料的规模制备和全面开发。

相关研究成果分别以“Sub-1 nm MoS2and WS2with extremely enhanced performance”和“Tailoring graphite into subnanometer graphene”为题发表在NanoToday和Advanced Materials上。制备方法已申请中国发明专利。该研究工作得到了国家自然科学基金，中国科学院战略性先导科技专项和国家重点研发计划等的支持。左图为亚纳米石墨烯物理制备。

（本刊记者 逸飞）