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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

突破！不用有机涂层，也可实现金属表面稳定超疏水！ 2024-11-14 由于金属表面超疏水在自清洁、防腐、减阻和防冰等领域有着重要的潜在应用，从而受到国内外研究者们多年的广泛关注，并已取得诸多显著的研究和应用进展。然而，当前金属表面超疏水性能的实现大都仍依赖于传统的二元协同设计思想，即首先在材料表面制作微/纳米结构，然后再采用低表面能有机物进行修饰。 毫无疑问，这种依靠粘附涂层的设计在实际腐蚀性环境（例如海水）中很容易遭受侵蚀性离子的渗透、导致涂层分解、疏松和剥落等风险，从而引发超疏水化学耐久性的显著下降。特别是，由于化学反应诱导的材料表面能变化会对液体滚动角产生显著影响，使得超疏水表面性能难以在长时间范围获得良好维持。这对众多实际应用而言，是一个长期面临的普遍难题。 为了解决这一问题，中国科学院长春光机所杨建军团队创造性地提出飞秒激光元素掺杂微纳结构（FLEM）与循环低温退火（RLA）相结合的研究方法，在金属铝合金表面构建了一种以次晶相态为主导的仿生蚁穴状结构(BAT)，成功实现了高效稳定的自启动超疏水效果。 其中，独特的多级微纳结构有助于实现对空气捕获的稳定利用，而次晶相态形成则可以大幅度地降低材料表面自由能，从而让金属表面展现了独具特色的超疏水化学稳定性。实验测量结果表明，该金属样品即使在经历了长达2000小时的腐蚀性盐水浸泡后，其表面依然能够保持良好的超疏水性能。 不仅如此，这种结构的耐腐蚀性能也尤为突出，在经过强烈的电化学反应测试后，材料表面的超疏水特性也依然能够保持，实验测得的腐蚀电流更是低至10-12A/cm2，较未加工样品表面的情况降低了5个数量级。另外，研究发现这种自主性的超疏水金属表面也能承受住不同酸碱溶液浸泡、紫外辐射和冷冻循环等多种苛刻环境的挑战。 与此同时，该团队与沈阳金属研究所的马会老师团队携手合作，运用从头计算方法，从理论层面进一步验证了次晶相态形成对于材料表面能降低和化学稳定性提升所起的重要贡献。 这些研究成果为基于材料表面原子尺度调控的自主持久超疏水性能，探索出了一条全新的道路。该研究以题为“Durable Organic Coating-Free Superhydrophobic Metal Surface by Paracrystalline State Formation”的论文发表在《Advanced Materials》上。 01仿生蚁穴结构的制备与表征 首先该团队运用FLEM技术成功在铝合金表面制备出了BAT结构，如图1所示，其表面展现出从几十微米到几十纳米不同尺度的粗糙特征。与常规的激光加工制备的结构相比较，BAT结构的横截面呈现出更为复杂的几何形貌，具备更高的毛细管压力和较低的粘性阻力，从而能够有效阻止外来液滴的渗透。 值得一提的是，BAT结构的形成严格依赖于飞秒激光元素掺杂过程，这是传统激光加工方法所无法实现的。这种具备多尺度形貌和蜿蜒曲率特征的BAT结构不仅提升了材料表面的粗糙程度，而且还增强了对空气的捕获与储存能力，进而提高了超疏水的稳定性。 图1 利用FLEM技术制备获得的仿生蚁穴结构 02次晶相态形成与超疏水性能之间的关联 GIXRD分析测试结果显示，仅是经过FLEM处理后的铝合金表面呈现出非晶态特征，这一发现表明FLEM处理促进了材料表面的非晶化过程。相比之下，经过后续RLA处理后的样品表面在2θ28°位置处出现了微弱的衍射峰，并且随着RLA次数的递增，该衍射峰强度逐渐增强，从而揭示出非晶态原子排列逐步向有序化转变。 实验通过HRTEM观察确认，随着RLA处理次数的增加，材料表面涌现出更多细小的次晶相态结构。进一步的深入分析发现，其中相邻次晶结构实际上被非晶态所分隔，整体呈现次晶-非晶镶嵌分布模式。与此同时，实验还发现随着次晶相态形成占比的增加，样品表面超疏水性能也呈现出逐渐增强的变化趋势。 图2 FLEM-RLA处理后BAT结构表面形成的次晶态表征 03本征低表面能产生的物理机制 随后，利用VASP分析了材料表面能和电荷密度分布的情况，结果如图3所示，其中非晶态样品（a-Al/Si）比次晶相态样品（p-Al/Si）的表面能更高，同时随着次晶相态形成占比的增加，表面能逐渐降低。此外，Si元素掺杂能够促进表面能的进一步降低。理论计算结果还表明，针对p-Al/Si（51%）这种高次晶相态占比的样品，其表面电荷分布显得更加均匀，这主要是由于次晶相态形成过程中原子排列重新分布导致电荷密度分布也逐渐均匀化，进而降低了表面能。 图3 次晶相态导致表面能降低的机制 04基于次晶相态的本征超疏水表面持久性能测试 采用多种苛刻环境，对次晶相态导致的本征超疏水金属表面的持久性能进行了测试，结果如图4所示。在3.5wt.% NaCl腐蚀溶液中的电化学测试表明，基于次晶相态的材料耐腐蚀性显著优于非晶和未加工铝合金，其中p-Al/Si（51%）样品的耐腐蚀性尤为突出，其腐蚀电流密度降低了105倍，且测试后的超疏水性能依旧保持完好（接触角为161°，滚动角为1.5°）。 随着次晶相态形成占比的提升，样品表面的化学稳定性也逐步增强，尤其是p-Al/Si（51%）样品在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡长达2000小时后，仍能保持优异的拒水性，且表面形貌完好无损。分析认为这种出色的超疏水保持性能主要来源于次晶相态的形成，并能够通过减小非晶态的自由体积来阻碍侵蚀离子的渗透。 此外，根据变形电荷密度的计算结果，次晶相态的形成还将导致铝原子周围的电子密度下降，进而削弱了铝的反应活性。并且，Si元素的加入不仅可以促进次晶相态的形成和稳定，还助力生成具有防腐性能的铝硅酸盐物质，这也是其化学稳定性提升的另一重要因素。值得一提的是，p-Al/Si（51%）样品在紫外线照射下的环境适应性也远超传统的硅烷涂层，其性能较后者提升高达336倍。在从室温至-20℃的循环冷冻测试中，样品表面超疏水性能同样得到了很好的保持。 图4 次晶相态超疏水表面的持久性测试 总 结 本研究创新性地利用飞秒激光元素掺杂与循环退火相结合的加工处理技术，打造出无需有机涂层也可实现持久保持的超疏水金属表面。 该表面独具稳定储存空气结构、低自由能及高化学稳定性等三种功效，其关键在于微纳结构本身具有次晶相态，从而自主有效地降低了表面能，颠覆了唯有依赖有机物修饰才能获得超疏水性能的传统观念。 此三位一体的功能设计避免了有机改性剂的缺陷，有效解决了金属表面极端拒水性持久保持的关键难题，这一突破不仅为超疏水领域开辟了广阔的前景，还为基于原子尺度调控的高性能材料表面设计与开发提供了全新的研究思路。本论文的第一作者为长春光机所博士生闫丹丹，沈阳金属所博士徐文静，通讯作者为长春光机所杨建军研究员，邹婷婷助理研究员和沈阳金属所马会副研究员。 原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202412850来源：高分子科学前沿
Nature Communications： 在模拟/真实环境中用于高效防结冰和除冰的可扩展稳健光热超疏水涂层 2024-11-10 兰州化物所张俊平研究员Nature Communications： 在模拟/真实环境中用于高效防结冰和除冰的可扩展稳健光热超疏水涂层引用格式：Mao, M., Wei, J., Li, B. et al. Scalable robust photothermal superhydrophobic coatings for efficient anti-icing and de-icing in simulated/real environments. Nat Commun 15, 9610 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54058-8.光热超疏水涂层有望防止基础设施上冰层的积聚，但在实际结冰条件下往往会出现性能显著下降的情况，并且缺乏机械稳健性。在此，兰州化物所张俊平研究员团队设计了具有三级分层微/纳米/亚纳米结构的稳健光热超疏水涂层。在模拟/实际结冰环境中，这些涂层同时表现出：(i) 由于其低表面能、三级微/纳米/亚纳米结构而具有的高超疏水性和稳定的Cassie-Baxter状态；（ii） 由于纳米大小的金属有机框架而产生出色的光热效果；（iii）具有良好的机械稳健性。结合低导热性，这些涂层在环境中表现出优异的抗结冰/结霜性能和除冰/除霜性能。此外，还实现了大规模制备这些涂层，成本合理。这些涂层在利用自然阳光的抗结冰和除冰方面具有巨大的应用潜力。图1. 大型SiP/F-MOFs@ATP涂层照片.图2.COMSOL模拟计算了在-10℃和80% RH环境下，水滴（各表面60 μL）温度从0℃下降到-10℃所需的时间.图3. 磨损的SiP/F-MOFs@ATP涂层表面化学成分及其自相似微/纳米/纳米结构。图4. -10℃、80% RH、0.3太阳条件下裸线和SiP/FMOFs@ATP电缆线路冰柱主动除冰过程.图5. SiP/F-MOFs@ATP 涂层的被动防结冰和主动除冰性能 .图6. SiP/FMOFs@ATP涂层的被动防霜和主动除霜性能.原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54058-8相应的成果以“Scalable robust photothermal superhydrophobic coatings for efficient anti-icing and de-icing in simulated/real environments”为题发表在Nature Communications上，论文的通讯作者为兰州化物所张俊平研究员。
Small Methods：迈向可持续发展：一种用于耐用防冰超疏水表面的生态友好方法 2024-11-08 希夫纳达尔研究所Harpreet Singh Grewal团队Small Methods：迈向可持续发展：一种用于耐用防冰超疏水表面的生态友好方法引用格式：Pradhan R, Grewal H S. Towards Sustainability: An Eco‐Friendly Approach for Durable Anti‐Icing Superhydrophobic Surfaces[J]. Small Methods, 2024: 2400459.柔性超疏水表面的日益增长的兴趣超出了各种实际应用，如太阳能电池板，柔性电子产品等，这项研究介绍了一种具有成本效益和环境友好的方法，以创建一个持久的，灵活的，光学半透明的超疏水膜具有极端的防冰字符。在受控条件下进行基于生物燃料的火焰处理的预应变聚二甲基硅氧烷膜诱导微皱纹与叠加的纳米颗粒簇，同时保持表面的柔性和透明度。这种细致的工艺提高了表面粗糙度，实现了超疏水特性（λ> 165 Ω），具有非常低的倾斜角（<3 Ω），对水的粘附力<2 μN（低于荷叶）。由于在模拟降雨下的有效清洁，应用于太阳能电池板上的薄膜在5秒内产生<1%的电压降。由于纳米团簇的存在，所开发的膜的显著防冰性能的特征在于在50次冰/除冰循环中冰附着力<25 kPa。在长期暴露于恶劣的外部环境下，薄膜显示出非凡的弹性和持续的功效。这些超疏水膜的特点是灵活性，耐用性和透明度，为制造结构提供了有希望的机会，即使是复杂的几何形状。这些发现意味着在超疏水表面的实际利用方面迈出了重要的一步，展示了它们在各种现实世界应用中的潜力。图1. 在光学显微镜（a-d）、场发射扫描电子显微镜（e-h）和纳米特征的放大SEM（i-l）中，用优化的参数进行火焰处理的PDMS样品在微米和纳米尺度上的形态。所施加的应变在（a、e、i）10%、（b、f、j）20%、（c、g、k）30%和（d、h、l）40%下变化。原子力显微镜（AFM）结果m）显示了在不同应变下在优化参数下处理的PDMS样品的粗糙度因子。（n）提供了在蓝色火焰中用40%施加应变（S4）处理的PDMS样品的表面粗糙度和纹理的信息，其中处理样品的AFM图像包括在插图中。图2. （a）涉及PDMS链的伸长随后断裂的过程，导致与未拉伸的PDMS相比，在应变火焰处理过程中产生更多的低聚物物种。（b）阐明火焰处理过程中PDMS上表面皱纹产生的机理的示意图，伴随着用装饰这些表面特征的基于甲基的低聚物官能化的二氧化硅纳米颗粒的原位合成。（c）描述在通过火焰处理的PDMS解聚期间发生的化学反应。图3. （a）根据施加的应变检查在优化参数中处理的样品的润湿特性（b）标题为S4的样品上的水滴的快照。（c）对于在10%（S1）至40%（S4）施加应变条件下的初级反应区中的加工样品，证明了液体表面张力对润湿行为的影响。维斯光谱结果描述了原始PDMS和样品的辐射透射率，所述样品在120CPM的处理频率下在反应器的初级反应区中以不同的施加应变处理60s。火焰光线透明机制的插图突出了褶皱间距和高度的变化。图4.（a）通过在100 μN的预载荷下使用力张力计测量与10μL水滴的相互作用，在不同的施加预应变条件下评估原始和火焰处理的PDMS样品的粘附性能。（b）系统地研究预载荷以评估Cassie状态的稳定性。（c）分析了S4试样与不同表面张力液体的粘附力变化。插图显示了用于计算在规定条件下以40%施加应变处理的样品的粘附力的力-位移图。（d）示出了由原位生成的纳米颗粒诱导的毛细效应（插图显示了由于大雨而受损的荷叶表面）。图5. （a）描述了过冷液滴冲击试验对S4样品上进行的液滴滑动行为的影响。（b）说明了在原始PDMS和S4样品的10μL液滴测试中观察到的延迟冷冻现象。（c）湿度对原始PDMS和S4样品上的液滴冻结时间的影响。（d）表明与原始PDMS相比，S4样品上的结霜延迟。（e）湿度对原始PDMS和S4样品上结霜的影响。（f）表示对原始PDMS（插图）和S4样品进行的冰粘附性测试。图6. 时间序列图像提供了可视化文件的应用开发超疏水薄膜的户外太阳能电池板覆盖。具体地，（a）示出了覆盖有S4样品的太阳能电池板，（b）显示了未覆盖的太阳能电池板，并且（c）显示了原始的PDMS覆盖的太阳能电池板。总结与展望我们的研究介绍了一种新颖的，具有成本效益的方法，用于制造具有特殊去湿，自清洁和防结冰特性的柔性，耐用和半透明的超疏水表面。通过在受控条件下对拉伸诱导的PDMS乙醇基生物燃料进行火焰处理来形成分级结构化表面。有意施加的应变会产生规则的微皱纹，并饰以纳米二氧化硅颗粒，对各种液体表现出显着的去湿效果。防冰能力来自于减少的水接触面积，这归因于毛细管效应和低表面能的组合，从而导致低冰粘附。这种方法不仅制造了超疏水和防冰表面，而且通过简单，高效和成本效益而与众不同。开发的样品表现出低水滴粘附力（102μN）和冰粘附力（1020μN），表现出对不同应力源和长期风化的弹性。这些柔韧且有弹性的薄膜有望用于创建具有自清洁、防染色和防结冰功能的结构，特别是在透明性至关重要的情况下，而不受几何限制的约束。原文链接：https://doi.org/10.1002/smtd.202400459 相应的成果以“Towards Sustainability: An Eco-Friendly Approach for Durable Anti-Icing Superhydrophobic Surfaces”为题发表在Small Methods上，文章的通讯作者为Harpreet Singh Grewal。
镁合金顶刊：非晶纳米化制备Mg储氢合金晶粒细化及力学性能改善机理！ 2024-11-04 导读:通过非晶合金的晶化制备了Mgx(Ni0.8La0.2)100-x，其中x = 60、70、80，具有纳米晶结构。研究内容包括相组成、晶粒尺寸、显微组织稳定性和储氢性能。结晶动力学和原位高能XRD表征表明，随着La和Ni含量的增加，Mg2Ni和RE-Mg-Ni三元相集中同步结晶。根据热力学Miedema模型，发现同步结晶过程是由于Mg2Ni和RE-Mg-Ni三元相的密切局部亲和力造成的。通过边缘匹配模型预测和实验观察，验证了Mg2Ni、LaMg2Ni和LaMgNi4之间极有可能存在良好匹配的相结构，从而产生了显著的二次相钉住效应。细而均匀的微观结构是快速结晶动力学和二次相钉钉效应的结果。晶粒细化和优异的显微组织稳定性提高了活化性能和循环稳定性。我们的研究揭示了在非晶化路线中，由相组成和结晶动力学定制的纳米晶微观结构的晶粒细化机制。我们还展示了由相平衡和晶体学预测指导的材料设计的潜力，以改善具有优异微观结构稳定性的纳米晶体。 氢因其高能量密度和清洁的特性被认为是最具吸引力的可再生能源之一。作为整个氢价值链的一部分，氢储存技术是影响氢能实际应用的关键因素。根据所采用的具体储氢介质的不同，氢可以以气态、液态和固态的形式储存。金属氢化物具有显著的储氢能力、高的体积能量密度和优良的安全性。长期以来，它们一直被认为是固态储氢的一种很有前途的途径包括AB5、AB、AB2、A2B、固溶体和Mg基合金在内的几种金属体系已经被证明和报道为固态储氢材料。 纳米晶微结构可通过机械球磨、磁控溅射、熔融纺丝、化学气相沉积等方法制备。多项研究表明，通过纳米化工艺可以有效地制备纳米晶。通过熔融纺丝和退火制备了Mg80Y4Ni8Cu8合金，该合金具有小于10 nm的纳米结构，具有优异的动力学和循环稳定性。虽然几乎所有的非晶态Mg基储氢合金在吸氢/解吸过程中都会发生结晶，因为温度通常超过250℃甚至300℃，之前的研究表明，非晶态Mg基合金在加氢前的结晶比同时进行结晶和加氢的结晶产生更细的纳米晶和更高的循环稳定性。微观组织表征表明，直接加氢导致非晶合金晶粒大而不均匀，加速了加氢性能的快速退化。在热力学上，非晶合金的结晶是一个自发的过程。非晶合金的化学成分对最终的结晶组织起着至关重要的作用。原非晶合金中存在的短程原子团簇被认为对成核过程起着重要作用。 尽管有许多研究针对非晶Mg-RE基合金的纳米化，但重点主要集中在纳米结构对储氢性能的影响上。同时，化学成分与结晶微观结构之间的相互关系，以及加氢/脱氢循环过程中微观结构的演变，仍需深入研究。怀卡托大学F.Yang团队采用熔体纺丝法制备了一组非晶Mgx(Ni0.8La0.2)100-x (x = 60,70,80)，然后通过退火结晶获得纳米晶结构。研究了材料的微观结构特征，如晶粒尺寸和相组成，并研究了材料的储氢性能。还讨论了化学成分和相变对结晶合金微观组织特征的影响，从动力学和热力学两个方面提出了见解。 相关研究成果以“Mechanisms of grain refinement and improved kinetic property of nanocrystalline Mg-Ni-La hydrogen storage alloys prepared by;nanocrystallization of amorphous”发表在Journal of Magnesium and Alloys上 链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956724002664 图1(a)熔融纺丝合金的XRD图和(b) DSC图。 如图1所示，扩散和展宽的XRD图谱表明，三种熔融纺丝合金具有非晶态特征。40°左右的宽峰对应于x射线与非晶合金的散射。这些峰的角度取决于非晶合金的近程原子间距，这与非晶合金的成分密切相关。可以观察到，随着La和Ni的增加，宽峰逐渐向左移动。该趋势表明非晶合金的短程原子间距增大，这可能与La的原子半径增大有关。此外，一些衍射峰（例如约20°和45°的峰）特别是在Mg70Ni24La6合金中，表明在熔融纺丝合金中存在部分晶体结构。 图2熔融纺丝Mg70Ni24La6合金的TEM表征(a)明场图，(b)暗场图，(c)电子衍射图， (d)高分辨率TEM图，(e) FFT图，(f)逆FFT图。 虽然在亮场（BF）图像（图2(a)）中显示了无特征的微观结构，但在暗场（DF）图像中显示了大量的精细区域，只有几个纳米分布在基体中（图2(b)）。熔体纺丝Mg70Ni24La6合金的SAED主要呈现晕状图案，表明非晶态的性质。此外，还可以观察到几个模糊的衍射环（图2(c)），这与XRD表征的晶体颗粒存在于非晶中很好地吻合。同时，HRTEM图像表征了大量规则域（如图2(c)所示）。很明显，这些晶体或准晶体颗粒与DF图像中均匀分布的颗粒相对应，导致了XRD和SAED中观察到的微弱衍射图样。清晰细晶的快速傅立叶跃迁（FFT）和反快速傅立叶跃迁（IFFT）也证实了Mg2Ni晶体的存在，如图2;（e, f）所示。虽然在这些非晶合金中可以检测到晶核，但非晶在合金中所占的比例最为显著，这可以从XRD的明显宽散射峰和TEM的选择区域电子衍射的漫射晕环中得到证明。 图3所示。（a,d）;Mg80Ni16La4, (b,e) Mg70Ni24La6和 （c,f）;Mg60Ni32La8合金在350℃下结晶1h;（a-c）和5h;（d-f）的显微组织。 图4(a) Mg80Ni16La4, (b) Mg70Ni24La6和(c) Mg60Ni32La8合金在350℃下结晶1h的XRD分析。 表1结晶合金的相结构及丰度。 图5(a) Mg80Ni16La4, (b) Mg70Ni24La6和 (c) Mg60Ni32La8合金在350℃下结晶1h的HAFF和EDS图谱。 图6（a-c）;Mg80Ni16La4、（d-f）;Mg70Ni24La6和 （g-i）;Mg60Ni32La8合金在350℃下结晶1h的放大TEM表征。 图7HRTEM表征发现， 在350℃下结晶1 h，;Mg80Ni16La4合金基体上嵌有细小的（a-d）;LaMg12和（e-h）;La2Mg17。 图8(a) Mg80Ni16La4, (b) Mg70Ni24La6和 (c) Mg60Ni32La8合金在350℃下结晶5 h的haff和EDS图谱。 图10(a)结晶合金的P-C-T吸收曲线和(b)脱附曲线，(c)循环过程中吸氢量。 表2循环合金的相结构及丰度。 图11;P-C-T测试后结晶合金的XRD;（b为a的放大部分）。 图12循环（a, d）;Mg80Ni16La4, (b, e) Mg70Ni24La6和（c, f）;Mg60Ni32La8合金的TEM图像，（g-i）球体lax颗粒的识别。 图13循环(a) Mg80Ni16La4, (b) Mg70Ni24La6和(c) Mg60Ni32La8合金的能谱图。 图14(a)结晶反应分数和(b)三种合金的局部活化能。 图15 Mg60Ni32La8合金结晶中Mg2Ni和LaMg2Ni相界的TEM表征。 表3 E2EM模型预测的可能取向关系。 图16(a) Mg80Ni16La4, (b) Mg70Ni24La6和(c) Mg60Ni32La8合金的Pandat相平衡计算。 图17（a, d）;Mg80Ni16La4, (b, e) Mg70Ni24La6和 （c, f）;Mg60Ni32La8合金的原位高能XRD分析。 图18(a)吉布斯自由能和(b)几种非晶态二元和三元组合物的非晶态形成焓。 本研究系统地研究了原非晶态合金退火制备Mgx(Ni0.8La0.2)100-x;（x = 60,70,80）合金的组织。主要成果如下： (1)La和Ni含量的增加有利于LaMg2Ni和LaMgNi4三元相的形成，导致结晶过程集中，促进了晶粒的细化、均匀性和显微组织的稳定性。 (2)随着Mg含量的降低，储氢能力降低，由于晶粒细化和优异的显微组织稳定性，活化性能和循环稳定性可以显著提高。 (3)Mg60Ni32La8合金晶化过程中晶粒生长受到抑制，晶粒细化主要由两个因素引起：根据热力学Miedema模型，Mg2Ni与三元相的非晶态形成能相近，晶化速度较快；通过晶体学计算和实验观察，证实了丰富的三元相以及Mg2Ni与LaMg2Ni和LaMgNi4相结构高度匹配的可能性，从而产生了明显的二次相钉钉效应。
常州大学材料学院刘祥奎《JMST》：具有优异室温及低温力学性能的双相异质结构共晶高熵合金！ 2024-11-03 01 全文速览 共晶高熵合金（Eutectic high-entropy alloy，EHEAs）结合了传统共晶合金和高熵合金的潜在优势，具有优异的铸造性能和力学性能，在工程领域中显示出广阔的应用前景。然而，在共晶高熵合金中，强度的提高通常伴随着延展性的损失，限制了其大规模工业化应用。为了进一步强化共晶高熵合金，常州大学刘祥奎等人通过采用冷轧+退火的方法在Ni49Fe28Al17V6共晶高熵合金中构建非再结晶和再结晶区域组合的双相异质结构，显著提高合金室温及低温力学性能。研究结果表明，室温条件下（298 K），该合金屈服强度为1550 MPa，抗拉强度为1772 MPa，均匀延伸率为16.5%。低温（77 K）条件下，该合金屈服强度提高至1877 MPa，抗拉强度提高至2157 MPa，均匀延伸率保持10%。这种优异的室温力学性能主要归因于异质变形诱导（HDI）强化，而低温下超高的强度不仅源于HDI强化，还源于变形孪晶与高密度位错的强烈相互作用。本研究结果为高性能合金的开发和实现共晶高熵合金在低温极端环境的工程应用提供新的思路。相关研究以题为“Ultra-high strength and ductility of eutectic high-entropy alloy with duplex heterostructure at room and cryogenic temperatures”发表在Journal of Materials Science & Technology上。 第一作者：刘祥奎 通讯作者：刘祥奎，蒋珍飞 通讯单位：常州大学，上海交通大学 原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.10.008 02 研究背景 随着材料科学的飞速发展，现代工程应用对材料性能的要求不断提高，传统金属由于难以获得强度与塑性良好匹配，限制了其在航空航天、交通运输、能源工业等领域的广泛应用。因此，开发同时具备超高强度和优异塑性的高性能合金成为材料科学领域的一个重要研究方向。高熵合金（high-entropy alloys, HEAs）凭借其独特的组织结构、力学性能而备受关注，是新一代结构工程材料的理想合金体系。其中，共晶高熵合金（EHEAs）凝固区间窄、流动性优异，并以其独特的双相协调变形能力引起众多科研工作者的极大关注，成为结构工程材料领域的研究热点。然而，铸态共晶高熵合金强度的提升通常伴随着塑性的损失。在此背景下，研究人员开始通过设计异质结构及微观组织结构调控来实现合金强度与塑性的协同优化。异质结构是通过引入不同尺度的晶粒区域来调控变形过程中的应力分布和位错行为，从而在不牺牲塑性的前提下大幅提升合金的强度。同时，析出强化、晶界强化等传统强化机制与异质变形诱导强化的协同作用也为开发新一代高新能合金提供了新的思路。 03 本文亮点 作者采用冷轧+退火方法在Ni49Fe28Al17V6共晶高熵合金中构建双相异质片层结构，显著提高了该合金的拉伸力学性能。室温（298K）环境下，该合金屈服强度为1550 MPa，抗拉强度为1772 MPa，均匀延伸率为16.5%；在低温（77 K）环境下，该合金屈服强度提高至1877 MPa，抗拉强度提高至2157 MPa，均匀延伸率保持10%。该合金出色的低温力学性能主要归因于异质变形诱导硬化以及变形孪晶与高密度位错的强烈相互作用，为开发具有卓越低温力学性能的合金提供了新的见解。 04 图文解析 图1 铸态和轧制-退火态EHEAs（CR-A750 EHEA）的显微组织。(a) 铸态EHEA的SEM显微组织；(b) 铸态EHEA的HAADF-STEM图像；(c-d) FCC/L12和B2对应的SAED图；(e) EBSD IPF图；(f) EBSD相图；(g) EBSD KAM图；(h) 再结晶晶粒、亚结构和变形晶粒的EBSD图；(i) 轧制-退火态EHEA的明场TEM图像；(j) B2片层中L12纳米析出相的TEM图像；(k) L12纳米析出相的TEM-EDS图谱；(l) L12纳米析出相的HRTEM图像和相应的SAED图；（m, n, o）明场TEM图像；(p-q) L12和B2相对应的超晶格衍射图像 图2 CR-A750 EHEAs在室温和低温下的力学性能。 (a) 拉伸工程应力-应变曲线；(b) 应变硬化率曲线，插图为真应力-应变曲线；(c) 室温屈服强度与均匀延伸率性能对比图；(d) 低温屈服强度与均匀延伸率性能对比图 图3 CR-A750 EHEA室温变形组织 图4 CR-A750 EHEA低温变形组织 05 结论展望 综上，作者通过优化热机械加工工艺，采用冷轧（轧制变形量87%）和退火工艺（750℃，2小时）在Ni49Fe28Al17V6共晶高熵合金中构建了一种双相异质片层结构，使得该合金在室温和低温环境下均表现出优异的力学性能。优异的室温力学性能主要是由于软硬两相中异质结构引起的HDI强化，而超高低温强度不仅源于异质结构引起的HDI强化，还源于变形孪晶和高密度位错的强烈相互作用。相关研究结果为开发面向工业应用的高性能合金及实现共晶高熵合金在极端环境中的大规模应用提供了新的思路。 06 引用本文 Xiangkui Liu, Jingying Liu, Chenglong Zhou, Weixia Dong, Xuecong Zhang, Qianye Wang, Huiqing Xu, Xulong An, Dandan Wang, Wei Wei, Zhenfei Jiang, Ultra-high strength and ductility of eutectic high-entropy alloy with duplex heterostructure at room and cryogenic temperatures, J. Mater. Sci. Technol. (2024). https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.10.008
新加坡南洋理工周琨团队综述：3D打印高熵合金 2024-11-03 导读近年来，金属3D打印技术在制造复杂金属结构方面取得了显著进展，而高熵合金(High-entropy alloys, HEAs)凭借其卓越的机械、物理和化学特性，已成为金属增材制造领域的热门材料。由新加坡南洋理工大学的周琨教授团队撰写的最新综述，聚焦激光粉床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）技术在高熵合金领域的应用，系统总结了不同种类高熵合金的设计策略、粉末制备方法、打印态微观组织、性能表现以及潜在应用前景。该综述以“Recent progress in high-entropy alloys for laser powder bed fusion: Design，processing, microstructure, and performance”为题，发表在材料综述的顶刊《Materials Science & Engineering R： Reports》上。文章旨在为研究人员提供宝贵参考，助力开发高性能高熵合金，推动这一新兴材料在增材制造中的应用与发展。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100834内容简介高熵合金是一类新型合金，通过在接近等原子比的成分下混合多种主要元素，展现出优异的强度、韧性、耐腐蚀和抗辐射性能。相比传统合金，高熵合金具备更广泛的设计空间，适合应用于航空航天、能源和生物医学等高性能需求领域。然而，由于组成复杂与多元素混合带来的材料制备和稳定性问题，传统制造技术难以实现有效加工。激光粉床熔融技术凭借其高冷却速率、极致的几何设计自由度和可控的微观结构调控，为研究人员提供了克服这些挑战的有力工具。该篇综述将高熵合金分为七种类别：3d过渡金属高熵合金、共晶高熵合金、沉淀强化高熵合金、耐火高熵合金、亚稳态高熵合金、间隙高熵合金和高熵基复合材料 （如图1）。研究中详细分析了每种高熵合金在不同应用中的微观结构特征及其制造过程中的技术挑战。例如，通过激光粉床熔融制备的共晶高熵合金，具有优良的打印精度和机械强度，广泛应用于对力学性能和轻量化有极高要求的工程领域。图1.激光粉床熔融高熵合金的设计分类由于实验的高昂成本且耗时，文章总结了多种计算模拟方法，加速了合金的筛选与优化。综述详细介绍了多种计算模拟工具（如图2），包括CALPHAD相图计算、有限元法（FEM）、计算流体动力学（CFD）和分子动力学（MD）模拟。通过这些工具，研究人员能够精准预测材料的微观结构、力学性能和热物理特性，帮助优化激光粉床熔融工艺参数。这些方法不仅有效降低了试错成本，还显著提升了打印质量，为高熵合金的增材制造提供了可靠的理论支撑。图2.计算模拟激光粉床熔融高熵合金的成分设计和工艺优化高熵合金的微观组织对其性能具有决定性影响。激光粉床熔融工艺的高冷却速率使得高熵合金在打印过程中形成独特的微观结构。例如，3d过渡金属高熵合金通常形成单相面心立方（FCC）结构，展现出优异的强度和韧性平衡。此外，共晶高熵合金由于其特有的双相微观结构（如FCC和BCC相交替排列），在满足强度要求的同时提高了延展性。沉淀强化高熵合金通过在合金基体中形成精细的析出物，提升了材料的硬度和抗蠕变性能，非常适合高温应用。耐火高熵合金则展示了极高的熔点和优异的耐磨损性，在极端环境应用中表现突出。文章还指出，LPBF过程中的残余应力和热处理策略对于控制这些微观结构起着重要作用。图3.激光粉床熔融各类高熵合金的拉伸性能总结3D打印的高熵合金在强度和延展性平衡方面表现出色（如图3），使其在承受动态载荷和冲击时能够有效抵抗断裂。其强化机制包括析出强化、形变诱导相变等。在极端环境中，耐火高熵合金的高熔点和热稳定性表现尤为突出，适合应用于高温结构部件。共晶高熵合金因其双相结构和较好的导热性，适用于对热管理要求较高的应用场合。此外，间隙高熵合金由于添加了碳、氮等小原子元素，提升了材料的硬度和耐磨性，在高磨损条件下表现优异。高熵合金在腐蚀和辐射等严苛环境下同样表现出色。例如，3d过渡金属高熵合金的多元素混合效应（如惰性保护效应）提升了其耐腐蚀能力，适合于海洋和化工领域的腐蚀性环境。研究还发现，LPBF工艺中的高冷却速率有利于抑制有害相的析出，从而增强了材料的耐辐射性能。这些特性使高熵合金在极端应用环境中具备巨大的应用潜力。图4.激光粉床熔融高熵合金的工业应用前景示例。综述中还讨论了激光粉床熔融制备的高熵合金在能源、航空航天和生物医学领域的广泛应用（图4）。例如，3d过渡金属高熵合金适用于制造航空器零部件的制造，共晶高熵合金则适合用于生物医学植入物的个性化定制。未来，随着计算模拟技术和机器学习的成熟，高熵合金的开发速度将进一步加快，这将为增材制造技术在高性能材料领域的应用开辟更多可能。团队介绍新加坡南洋理工大学周琨教授课题组依托于惠普-南洋理工大学数字制造联合实验室和新加坡3D打印中心，长期从事多种增材制造技术（3D打印）研究。目前聚焦于功能聚合物复合材料及高性能新金属材料研发、先进结构设计和多尺度模拟仿真、增材制造零件宏微观力学性能表征及其应用等。
镁合金顶刊《JMA》非晶纳米化制备Mg-Ni-La储氢合金晶粒细化及力学性能改善 2024-11-01 导读:通过非晶合金的晶化制备了Mgx(Ni0.8La0.2)100-x，其中x = 60、70、80，具有纳米晶结构。结晶动力学和原位高能XRD表征表明，随着La和Ni含量的增加，Mg2Ni和RE-Mg-Ni三元相集中同步结晶。根据热力学Miedema模型，发现同步结晶过程是由于Mg2Ni和RE-Mg-Ni三元相的密切局部亲和力造成的。通过边缘匹配模型预测和实验观察，验证了Mg2Ni、LaMg2Ni和LaMgNi4之间极有可能存在良好匹配的相结构，从而产生了显著的二次相钉住效应。细而均匀的微观结构是快速结晶动力学和二次相钉钉效应的结果。晶粒细化和优异的显微组织稳定性提高了活化性能和循环稳定性。我们的研究揭示了在非晶化路线中，由相组成和结晶动力学定制的纳米晶微观结构的晶粒细化机制。我们还展示了由相平衡和晶体学预测指导的材料设计的潜力，以改善具有优异微观结构稳定性的纳米晶体。氢因其高能量密度和清洁的特性被认为是最具吸引力的可再生能源之一。作为整个氢价值链的一部分，氢储存技术是影响氢能实际应用的关键因素。根据所采用的具体储氢介质的不同，氢可以以气态、液态和固态的形式储存。金属氢化物具有显著的储氢能力、高的体积能量密度和优良的安全性。长期以来，它们一直被认为是固态储氢的一种很有前途的途径包括AB5、AB、AB2、A2B、固溶体和Mg基合金在内的几种金属体系已经被证明和报道为固态储氢材料。 纳米晶微结构可通过机械球磨、磁控溅射、熔融纺丝、化学气相沉积等方法制备。多项研究表明，通过纳米化工艺可以有效地制备纳米晶。通过熔融纺丝和退火制备了Mg80Y4Ni8Cu8合金，该合金具有小于10 nm的纳米结构，具有优异的动力学和循环稳定性。虽然几乎所有的非晶态Mg基储氢合金在吸氢/解吸过程中都会发生结晶，因为温度通常超过250℃甚至300℃，之前的研究表明，非晶态Mg基合金在加氢前的结晶比同时进行结晶和加氢的结晶产生更细的纳米晶和更高的循环稳定性。微观组织表征表明，直接加氢导致非晶合金晶粒大而不均匀，加速了加氢性能的快速退化。在热力学上，非晶合金的结晶是一个自发的过程。非晶合金的化学成分对最终的结晶组织起着至关重要的作用。原非晶合金中存在的短程原子团簇被认为对成核过程起着重要作用。 尽管有许多研究针对非晶Mg-RE基合金的纳米化，但重点主要集中在纳米结构对储氢性能的影响上。同时，化学成分与结晶微观结构之间的相互关系，以及加氢/脱氢循环过程中微观结构的演变，仍需深入研究。怀卡托大学F.Yang团队采用熔体纺丝法制备了一组非晶Mgx(Ni0.8La0.2)100-x (x = 60,70,80)，然后通过退火结晶获得纳米晶结构。研究了材料的微观结构特征，如晶粒尺寸和相组成，并研究了材料的储氢性能。还讨论了化学成分和相变对结晶合金微观组织特征的影响，从动力学和热力学两个方面提出了见解。 相关研究成果以“Mechanisms of grain refinement and improved kinetic property of nanocrystalline Mg-Ni-La hydrogen storage alloys prepared by nanocrystallization of amorphous”发表在Journal of Magnesium and Alloys上 链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956724002664 图1(a)熔融纺丝合金的XRD图和(b) DSC图。 如图1所示，扩散和展宽的XRD图谱表明，三种熔融纺丝合金具有非晶态特征。40°左右的宽峰对应于x射线与非晶合金的散射。这些峰的角度取决于非晶合金的近程原子间距，这与非晶合金的成分密切相关。可以观察到，随着La和Ni的增加，宽峰逐渐向左移动。该趋势表明非晶合金的短程原子间距增大，这可能与La的原子半径增大有关。此外，一些衍射峰（例如约20°和45°的峰）特别是在Mg70Ni24La6合金中，表明在熔融纺丝合金中存在部分晶体结构。 图2熔融纺丝Mg70Ni24La6合金的TEM表征(a)明场图，(b)暗场图，(c)电子衍射图， (d)高分辨率TEM图，(e) FFT图，(f)逆FFT图。 虽然在亮场（BF）图像（图2(a)）中显示了无特征的微观结构，但在暗场（DF）图像中显示了大量的精细区域，只有几个纳米分布在基体中（图2(b)）。熔体纺丝Mg70Ni24La6合金的SAED主要呈现晕状图案，表明非晶态的性质。此外，还可以观察到几个模糊的衍射环（图2(c)），这与XRD表征的晶体颗粒存在于非晶中很好地吻合。同时，HRTEM图像表征了大量规则域（如图2(c)所示）。很明显，这些晶体或准晶体颗粒与DF图像中均匀分布的颗粒相对应，导致了XRD和SAED中观察到的微弱衍射图样。清晰细晶的快速傅立叶跃迁（FFT）和反快速傅立叶跃迁（IFFT）也证实了Mg2Ni晶体的存在，如图2 （e, f）所示。虽然在这些非晶合金中可以检测到晶核，但非晶在合金中所占的比例最为显著，这可以从XRD的明显宽散射峰和TEM的选择区域电子衍射的漫射晕环中得到证明。 图3所示。（a,d） Mg80Ni16La4, (b,e) Mg70Ni24La6和 （c,f） Mg60Ni32La8合金在350℃下结晶1h （a-c）和5h （d-f）的显微组织。 图4(a) Mg80Ni16La4, (b) Mg70Ni24La6和(c) Mg60Ni32La8合金在350℃下结晶1h的XRD分析。 表1结晶合金的相结构及丰度。 图5(a) Mg80Ni16La4, (b) Mg70Ni24La6和 (c) Mg60Ni32La8合金在350℃下结晶1h的HAFF和EDS图谱。 图6（a-c） Mg80Ni16La4、（d-f） Mg70Ni24La6和 （g-i） Mg60Ni32La8合金在350℃下结晶1h的放大TEM表征。 图7HRTEM表征发现， 在350℃下结晶1 h， Mg80Ni16La4合金基体上嵌有细小的（a-d） LaMg12和（e-h） La2Mg17。 图8(a) Mg80Ni16La4, (b) Mg70Ni24La6和 (c) Mg60Ni32La8合金在350℃下结晶5 h的haff和EDS图谱。 图10(a)结晶合金的P-C-T吸收曲线和(b)脱附曲线，(c)循环过程中吸氢量。 表2循环合金的相结构及丰度。 图11 P-C-T测试后结晶合金的XRD （b为a的放大部分）。 图12循环（a, d） Mg80Ni16La4, (b, e) Mg70Ni24La6和（c, f） Mg60Ni32La8合金的TEM图像，（g-i）球体lax颗粒的识别。 图13循环(a) Mg80Ni16La4, (b) Mg70Ni24La6和(c) Mg60Ni32La8合金的能谱图。 图14(a)结晶反应分数和(b)三种合金的局部活化能。 图15 Mg60Ni32La8合金结晶中Mg2Ni和LaMg2Ni相界的TEM表征。 表3 E2EM模型预测的可能取向关系。 图16(a) Mg80Ni16La4, (b) Mg70Ni24La6和(c) Mg60Ni32La8合金的Pandat相平衡计算。 图17（a, d） Mg80Ni16La4, (b, e) Mg70Ni24La6和 （c, f） Mg60Ni32La8合金的原位高能XRD分析。 图18(a)吉布斯自由能和(b)几种非晶态二元和三元组合物的非晶态形成焓。 本研究系统地研究了原非晶态合金退火制备Mgx(Ni0.8La0.2)100-x（x = 60,70,80）合金的组织。主要成果如下： (1)La和Ni含量的增加有利于LaMg2Ni和LaMgNi4三元相的形成，导致结晶过程集中，促进了晶粒的细化、均匀性和显微组织的稳定性。 (2)随着Mg含量的降低，储氢能力降低，由于晶粒细化和优异的显微组织稳定性，活化性能和循环稳定性可以显著提高。 (3)Mg60Ni32La8合金晶化过程中晶粒生长受到抑制，晶粒细化主要由两个因素引起：根据热力学Miedema模型，Mg2Ni与三元相的非晶态形成能相近，晶化速度较快；通过晶体学计算和实验观察，证实了丰富的三元相以及Mg2Ni与LaMg2Ni和LaMgNi4相结构高度匹配的可能性，从而产生了明显的二次相钉钉效应。
Nature：具有优异成骨性能的可扩展超强 MXene 薄膜 2024-10-31 一、 【科学背景】碳化钛 (Ti₃C₂Tₓ) MXene 因其优异的机械和电学性能、光热转换能力、生物相容性和成骨诱导性而受到广泛关注，适用于航空航天、柔性电子学、太赫兹吸收、能量存储和生物医学等领域。为实现这些应用的商业化，从纳米片规模大规模生产高性能 MXene 宏观材料至关重要。目前的涂布、滴铸和狭缝涂布等技术可以将MXene 片层对齐，制成宏观薄膜，但薄膜中的弱层间相互作用和空隙会削弱其机械、电学和环境稳定性，限制了其实际应用。为提高 MXene 薄膜性能，研究人员通过加强层间相互作用并减少空隙，采用了氢键、离子键和共价键等化学交联策略。例如，通过在层间插入聚乙烯醇形成氢键来增强薄膜强度，利用离子键连接相邻片层，以及用聚多巴胺实现共价键制备出强韧的 MXene 薄膜。此外，通过小片层和离子的插层可以提高薄膜的密度和性能。尽管取得了一定进展，但现有的组装方法制得的薄膜性能仍低于单层 MXene 片层，这主要由于干燥过程中片层错位造成的。此外，这些方法大多仍限于实验室规模，无法实现 MXene 薄膜的大规模生产，从而限制了其在商业领域的广泛应用。因此，实现高性能 MXene 薄膜的大规模制备仍是一项挑战。二、【科学贡献】近日，北京航空航天大学程群峰教授和北京大学口腔医学院邓旭亮教授等人团队在Nature发表了题为“Scalable ultrastrong MXene films with superior osteogenesis”的论文。本研究展示了一种可扩展的策略，通过卷对卷辅助刮刀涂覆 (RBC) 结合顺序桥接制备高性能 MXene 薄膜，在近红外照射下表现出优异的光热转换和成骨效率。MXene 片层首先通过丝胶蛋白的氢键桥接，然后通过连续的 RBC 工艺组装成宏观薄膜，接着通过离子桥接来固定其对齐结构。所得大面积 MXene 薄膜具有强层间相互作用，高度对齐和致密化，表现出高拉伸强度（755 MPa）、韧性（17.4 MJ m⁻³）、电磁干扰 (EMI) 屏蔽能力（78,000 dB cm² g⁻¹），以及良好的环境稳定性、光热转换和骨再生性能。该策略不仅为 MXene 在柔性 EMI 屏蔽材料和骨组织工程领域的实际应用提供了可行途径，也为其他二维片层材料的高性能和大规模组装提供了新方法。图1 S-SBM薄膜的制备过程、结构模型及性能。© 2024 Springer Nature图2 S-MXene和S-SBM薄膜的结构表征及其机械和电学性能。© 2024 Springer Nature图3 S-MXene和S-SBM薄膜的抗氧化稳定性及光热转换性能。© 2024 Springer Nature图4 S-MXene和S-SBM薄膜的生物相容性及体内骨再生能力。© 2024 Springer Nature图5 S-MXene和S-SBM薄膜对巨噬细胞的抗炎和免疫调节作用，以及对骨髓间充质干细胞（BMSCs）后续成骨效应的体外研究。© 2024 Springer Nature三、【科学启迪】总之，本研究展示了一种可扩展的策略，通过连续的RBC结合氢键和离子键的顺序桥接，制备高度对齐且紧凑的 MXene 薄膜，具有强层间相互作用。所得的大规模 MXene 薄膜展现出高拉伸强度、韧性、电导率、电磁干扰屏蔽能力、抗氧化性、应力松弛和循环机械变形的抵抗力，同时在近红外照射下具有良好的光热转换和成骨效率，显示出在航空航天、柔性可穿戴设备和临床骨修复等多种实际应用中的显著潜力。这一策略为其他二维片层材料的大规模组装成宏观高性能材料开辟了新途径。 原文详情：Wan, S., Chen, Y., Huang, C. et al. Scalable ultrastrong MXene films with superior osteogenesis. Nature 634, 1103–1110 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08067-8本文由jiojio供稿
难熔元素合金化提升CoNi基多主元合金的强塑性 2024-10-30 近年来，由于优异的延展性、疲劳、断裂韧性和抗氧化等性能，CoNi基面心立方(FCC)单相多主元合金(MPEA)引起了研究人员的大量关注。然而由于单相特性，FCC MPEA室温下强度往往不足，限制了其广泛应用。许多研究通过引入二次相和定制异质结构等方法提高CoNi基MPEAs的强度，但相之间或非均质结构之间的界面局部开裂可能导致如延展性和疲劳性能的牺牲。相比之下，溶质原子和晶界是两种有效的介质，可以强化FCC;MPEA而不牺牲太多的延性。 因此，来自Academy of Military Science的研究人员通过设计一种以难熔Mo和W合金化的Co44Ni44Mo9W3合金，最大限度提高了FCC MPEA的强塑性力学性能。通过密度泛函理论(DFT)计算和透射电子显微镜(TEM)，揭示了该合金优于其他FCC合金强度-塑性关系的深层次原因。相关成果以题为‘Achieving ultra-strong and ductile CoNi-based FCC multi-principal element alloys via alloying with refractory Mo and W’的论文发表在材料科学期刊Scripta Materialia上。 论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2024.116111 首先，通过Thermol-Calc模拟了合金平衡伪二元相图，观察了这一合金不同热处理状态下的显微组织，如图1所示。证明了合金在均匀化态以及900℃-1200℃退火状态下具有均匀的晶粒组织与成分。 Fig. 1 Co44Ni44Mo9W3合金初始显微组织：(a-d)合金经不同热处理后的背散射电子显微图。(a)在1250℃下均匀化12 h，(b-d)分别在1200、1100和900℃下退火70 s。(e)平衡伪二元相图。(f) 900℃退火合金的BF-TEM和(g) DF-TEM显微图以及相应的EDX图。 接着，测试了不同热处理状态（不同晶粒尺寸）合金的室温力学性能，并与其他MPEAs和TWIP钢的屈服强度和延伸率进行对比，如图2。发现与大多数已报道的MPEAs和常规合金相比，本文设计的Co44Ni44Mo9W3合金表现出突出的强度-塑性协同。 此外，Hall-Petch关系中较高的晶格摩擦应力(~197 MPa)和系数K(~1073 MPa·μm1/2)表明该合金的超高屈服强度来源于其优异的固溶强化和晶界强化能力。 ; Fig. 2;Co44Ni44Mo9W3合金在室温下的优异力学性能：(a)工程拉伸应力-应变曲线，(b)应变硬化率曲线，(c)与其他MPEAs和TWIP钢相比拉伸伸长率与屈服强度的对比，以及(d)屈服应力与平均晶粒尺寸平方根倒数的关系。 其中，优异的固溶强化可以用难熔元素Mo、W加入后引起的高晶格畸变δ来解释。比如该合金的δ约为6.35%，高于大多数报道的FCC合金，表明了添加难熔Mo、W可以显著提高Ni基MPEA的晶格畸变和晶格摩擦应力，如图3a和b所示。 另一方面，该合金超高的Hall-Petch系数K（晶界强化能力）也可归因于高晶格畸变（晶格摩擦应力）（图3c）。高摩擦应力阻碍了位错的局部收缩，从而促进了位错滑移的平面性，阻碍了位错的交叉滑移。因此，位错难以通过交叉滑移传递晶界，从而增强了该合金的晶界强化能力。 Fig. 3;(a) Co44Ni44Mo9W3合金的摩擦应力和(b) Hall-Petch系数随(c) Co44Ni44Mo9W3合金与其他合金的原子尺寸差δ的变化曲线。 除晶格摩擦应力外，稳定和不稳定层错能(ISEF/USFE)作为控制位错滑移和位错/晶界相互作用的关键因素，也可能是超高晶界强化的重要因素。利用DFT计算了合金的ISEF和USFE（图5a），与其他Ni基MPEA比较发现添加Mo、W可以降低ISFE从而促进位错平面滑移和晶界强化。此外，较高的USFE表明合金具有较高的晶界抗滑移临界强度和晶界强化能力。 值得注意的是，W的加入显著增加了晶格畸变的原子均方位移(MSAD)（图5b），而MSAD的增加进一步归因于晶格摩擦和USFE的增加。综上所述，合金优异的晶界强化能力来源于高摩擦应力、低ISFE和高USFE的协同贡献。 ; Fig. 4计算了Co44Ni44Mo9W3合金和Co44Ni44Mo9W3合金各元素的(a)稳定和不稳定层错能(ISFE和USFE)和(b)均方原子位移(MSAD)。 ; 最后通过TEM观察了合金的变形结构。位错滑移是合金的主要变形载体，变形结构包括位错的平面滑移带。此外，在一些晶粒中还发现了扩展的层错和变形孪晶。这些变形结构很好的反映出合金应变硬化行为和优异的强度-塑性协同作用。 Fig. 5;(a-f) Co44Ni44Mo9W3合金断裂后的BF-TEM显微图：显示出普遍的滑移痕迹，以及层错和变形孪晶。(a-f)右上角的插图是相应的SADPs。(d)左下角的插图是HR-TEM显微图，显示L-C位错锁。
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成果名称：低表面能涂层

合作方式：技术开发

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合作方式：技术开发

联 系 人：周老师

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