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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

金属材料界大突破！中科院建立异质边界密度与强度定量关系，斜率高达 2018 MPa・μm 2026-01-21 ; 导读：尽管异界强化已知能增强材料强度，但其准确量化仍是一个持续的挑战。本研究中，我们独立定制了异质边界密度，并建立了异构铜异质边界密度与屈服强度之间的直接定量关系。该方法使异质边界强化得以可靠量化，揭示了异质边界密度与屈服强度之间的正线性相关，斜率约为2018 MPa·μm，代表了异质边界的强化效能。进一步分析显示，异界强化可能占总屈服强度的40%至56%。值得注意的是，当结构域/晶粒尺寸达到数十微米时，异质边界的强化效应比传统晶界强化一个数量级。本研究为揭示异质边界强化提供了定量框架，并强调了其在异构材料中的主导作用。 现代工业的持续进步带来了对具有优越机械性能的金属材料日益增长的需求。在过去几十年里，为了满足这一需求，开发了多种强化效应，包括固溶强化、位错强化、晶界强化和降水强化。对此类强化效应的理解和评估，显著推动了金属材料机械能的提升和基础理解 。例如，引入晶界在阻碍位错运动方面被证明特别有效，从而增强材料强度。晶界强化通过著名的霍尔-佩奇关系定量描述，成为理解金属机械性能的基础框架。 最近，一种名为异质边界（HB）强化的新型强化效应，在由硬域和软域组成的异质结构（HS）材料中发现，因其实现强度-延展性协同而受到关注;。一个代表性例子是异构Ti，由超细结构（UFS）结构域和静态再结晶（SRX）结构域组成，既具有UFS Ti的高强度，又具有粗粒Ti的延展性。其优越的机械性能归功于硬域和软域之间的反核。这些HBs能够容纳异质域之间的应变不兼容，导致应变梯度和几何必要位错（GND）的累积。GND可以影响HB附近的应力场，增强局部应力，有效强化材料。这种类型的氢氧化物强化已在多种金属系统中成功验证。 ; 此前对HB强化的评估主要依赖间接方法，特别是载荷-卸载-再装载（LUR）测试来测量异质变形诱导（HDI）应力。该方法假设HB强化大致等同于GND引起的HDI应力。评估的HDI值通常占异构材料屈服强度的60∼70%，暗示氢能增强对抗压的贡献占主导。然而，新兴证据对该评估的准确性提出了质疑。值得注意的是，研究表明HDI应力与屈服强度的比值始终较高，且对氢盐密度不敏感。例如，在层压HS材料中，即使在低密度的氢碳密度下，该比值可达到高达60%，且随着高压密度的进一步增加，变化极小，否则整体屈服强度会显著增强。 这些观察对基于HDI应力的HB强化评估方法的准确性和可靠性提出了质疑。不准确的一个原因是测得的HDI应力包含了由于与HBs无关的一般微观结构不均匀性产生的多余组分，从而导致屈服强度比较高。在均质材料中也测量到了相当大的HDI应力，在不存在异质边界的材料中。更根本的原因是，基于HDI的应力方法实际上并未测量HB对HS材料屈服强度的增强效应，而是仅基于HB强化等于HDI应力的先行假设，考虑HDI应力。 这些案例凸显了我们理解中的一个关键空白：异质边界的内在强化效应尚不明确，而基于HDI压力的传统方法未能直接揭示HB的强化效应。更严谨的方法是建立HB结构特征（如HB密度）与整体屈服强度之间的直接定量相关，类似于Hall-Petcch关系，而不依赖理论假设。这种方法为量化 HB 强化提供了明确的前进路径，但仍面临相当大的挑战。主要挑战还在于异构材料的整体屈服强度受多种相互依赖因素影响，包括晶体学结构、黑晶错位、体积分数、屈服强度，以及异质域的应变硬化能力。传统材料制造方法面临重大挑战，因为在HS样品中定制HB结构特征不可避免地改变其他微观结构因素或引入新的缺陷，从而对强度产生复杂影响。因此，以往研究仅限于报告定性或半定量趋势，例如常见的HBs增加总体增强力量。显然，关于HB内在强化效应的清晰定量理解尚未建立。 遵循我们已建立的动态塑性变形（DPD）及后续退火调节HB密度的新方法，本研究成功地在异构铜中广泛范围内调整HB密度，并观察到对屈服强度产生相应显著影响。系统性的微观结构和力学分析将氢盐密度对强度的影响与其他因素耦合。通过直接关联HB密度与屈服强度，我们建立了一个新颖且可靠的研究框架，能够定量揭示HBs的内在强化效能。此外，我们比较了HBs与传统晶界的增强效应，阐明了HB强化的优越效果和独特机制。 ; 该研究以 Revealing the hetero-boundary strengthening of heterostructured copper发表在 Acta Materialia; 图 1 SEM-ECCI图像显示了HS-38（a）、HS-24（b）和HS-20（c）样品的典型异质结构，异质边界（HBs）以黄色实线表示。（d） UFS域大小，（e） 单位面积HB长度（L一个以及 （f） SRX 域的体积分数，作为统计指标的函数绘制。 图 2 HS-38（a1-a2）、HS-24（b1-b2）和HS-20（c1-c2）样品中UFS域的明场透射电子显微成像（a1-c1）及对应的{110}极点图（a2-c2） 图 3 HS-38（a1-a3）、HS-24（b1-b3）和HS-20（c1-c3）样品中SRX结构域的SEM-ECCI图像（a1-c1）、统计晶粒尺寸分布（a2-c{110}2）和极点图（a3-c3）。 图 4 EBSD逆极图（IPF）映射（a1-c1）及HS-38（a1-a2）、HS-24（b1-b2）和HS-20（c1-c2）样品中异质边界（a2-c2）的错位角分布。异质边界用白色实线表示，位于（a1-c1）。 图 5 HS-38、HS-24和HS-20样品的拉伸工程应力-应变曲线。 图 6 HS-38、HS-24和HS-20样品中UFS和SRX区域的微硬度测量：（a）拉伸前，（b）拉向颈缩后。 本研究定量揭示了异构铜中异质边界的固有强化效应。通过制备一系列不同密度的 HB 样品（约 4.1–10.9 × 10⁻² 微米）-1在保持组成区域及HB构型的微观结构和机械性质一致的同时，我们分离出HB密度对屈服强度的影响。HB密度与屈服强度之间存在强线性相关，增强效能约为2018兆帕微米。氢氧化物强化贡献占总屈服强度的40–56%，凸显了其在异构铜强化中的主要作用。与传统边界相比，氢氧化氢强化在微米尺度上表现出近一个数量级的强化效应。这些发现为HB强化的定量评估提供了坚实的框架，并为高性能异构材料的微观结构设计提供了指导。
突破核电安全瓶颈！西交大孙军院士团队揭秘 Cr 涂层高温氧化核心机制，登上《Acta Materialia》 2026-01-21 ; ; 自从2011年福岛核电站爆炸发生灾难性事故后，事故容错核燃料（Accident Tolerant Fuel，ATF）的研发成为核电领域下一代先进核材料的重要方向。Cr涂层因其优异的耐腐蚀性、中子辐照耐受性、与锆基体良好的结合性等特点备受关注，而且Cr涂层不改变现有核燃料组件结构和制备工艺，成为目前最具经济性和可行性的事故容错核材料的包壳涂层材料。已有的研究多关注Cr涂层的氧化产物以及ZrO2形成后的涂层失效机制，而忽视了氧化中Cr涂层中的组织结构演变及其对氧化进程的作用，尤其关于Cr涂层在氧化过程中的孔洞形成与演化规律少有研究。 西安交通大学金属材料强度全国重点实验室孙军院士团队通过原位热重分析、多尺度微观表征与相场模拟相结合的系统研究方法，揭示了微孔主导Cr涂层高温氧化动力学转变的核心机制，为评估Cr涂层在冷却剂损失事故（Loss-Of-Coolant Accident，LOCA）条件下的结构完整性和防护性能提供了全新的视角。 研究发现Cr涂层在高温水蒸气环境中随时间延长的氧化增重行为呈现清晰的三阶段动力学特征（图1）：第一阶段（0–20 min）为抛物线型氧化增重，Cr表面快速形成致密Cr2O3层，氧化速率由离子扩散控制；第二阶段（20–160 min）出现偏离抛物线的形式，Cr2O3层中因阳离子空位聚集形成微孔，加速氧离子向内扩散，氧化模式从“外部生长”转向“内部生长”；第三阶段（≥240 min）为加速线性氧化，Zr向外扩散与Cr2O3发生氧化还原反应，伴随柯肯达尔效应形成Cr/Zr界面孔洞（图2），涂层剥离导致氧化速率急剧上升。 图1 在1100 ℃水蒸气中氧化后试样的形貌与增重曲线:(a) Cr涂层Zr-1Nb合金宏观形貌，(b) Zr-1Nb、Cr涂层Zr-1Nb和纯Cr金属试样的氧化增重曲线 图2 在1100 ℃水蒸气中氧化160 min后Cr2O3及Cr涂层中孔洞结构特点: (a)，(a1),(b),(b1) 纳米级和微米级孔洞结构，(c) Cr2O3-Zr氧化还原反应引发Cr涂层晶界处形成孔洞，(d) 柯肯达尔效应导致Cr涂层/Cr-Zr扩散层界面形成孔洞 这种独特的动力学转变机制，核心源于“空位聚集-微孔合并-结构失效”的连锁效应：Cr涂层的小尺度特征尺寸（微米尺度的涂层厚度和晶粒尺寸）导致背应力升高，抑制界面位错运动，降低空位湮灭效率，促使Cr2O3内部形成微孔（图3）；微孔不仅阻碍Cr阳离子向外扩散，还为氧离子提供快速扩散通道，引发氧化模式转变；后续Zr原子扩散引发的氧化反应与界面孔洞粗化，进一步破坏了涂层完整性，最终导致加速氧化。研究团队通过相场模拟，直观地演示了微孔演化与氧化动力学的耦合过程，进一步验证了微孔对涂层氧化行为的核心调控机制（图4）。 图3 蒸气环境下Cr2O3孔洞形成机制。(a) 阳离子空位聚集，(b)-(c) 高背应力的Cr涂层导致Cr/Cr2O3界面处空位湮灭效率降低引发孔洞形成，(d) 孔洞阻止金属阳离子向上扩散，(e) 孔洞均匀化过程。 图4 Cr涂层从抛物线到直线氧化增重阶段Cr2O3孔洞结构演变的相场模拟：(a) 氧化膜结构，空位浓度和氧化位点的协同演化过程（模拟视频切片），(b) 外生长和内生长氧化膜厚度随时间变化，(c) 模拟的Cr涂层从抛物线转折到直线阶段的氧化增重曲线。 本研究首次明确微孔也是Cr涂层高温氧化动力学转变的关键因素。为核反应堆ATF材料的涂层设计、寿命评估提供了关键结果和依据。同时，研究融合实验表征与相场模拟的研究范式，为Cr涂层高温氧化机制解析提供了新参考。 本研究成果近期以《微孔主导Cr涂层的高温氧化行为：动力学分析与相场模拟》（Micropores governed high-temperature oxidation behavior of Cr coatings: kinetics analysis and phase-field modeling）为题发表在国际材料科学与工程领域综合类著名学术期刊《材料学报》（Acta Materialia）上。西安交通大学材料学院博士生邓鉴玺和左家栋副教授为论文共同第一作者，通讯作者为左家栋副教授、梁传鑫博士后和孙巧艳教授，孙军院士和宋忠孝教授为项目核心指导者。西安交通大学金属材料强度全国重点实验室为论文唯一通讯单位。研究工作得到国家自然科学基金（U21B2057、52301168、52394163）等项目资助，测试表征得到西安交通大学分析测试共享中心和材料学院实验技术中心的大力支持。 论文链接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.121931 ;
《Acta Materialia》：退火后反而更硬？揭秘核反应堆锆合金的“反常硬化”之谜 2026-01-06 ; 研究背景 在核能领域，锆合金一直扮演着关键角色——核燃料棒的包壳材料。长期服役于高温、高压与强烈中子辐照的严苛环境，大量空位、间隙原子等点缺陷产生并逐渐演化成位错环、层错四面体、空洞等缺陷。这些缺陷与材料中的位错发生相互作用，导致辐照硬化、应变局域化、辐照生长与蠕变等关键性能变化，严重影响反应堆构件的安全与寿命。通常，辐照硬化会导致材料脆化，而后辐照退火可通过缺陷湮灭部分恢复材料性能。然而，在六方密排结构（HCP）的锆合金中，却观察到一个反常现象：中子辐照后的锆合金在400°C以上退火后硬度不降反升。该现象与传统认知相悖，其机理一直未明，却直接影响锆合金包壳在停堆干燥阶段以及长期贮存中的力学行为与安全评价。 在锆合金中，辐照主要产生两类位错环：〈a〉型位错环（位于柱面，伯氏矢量;1/3⟨11-20⟩）和〈c〉型位错环（位于基面，伯氏矢量;1/6⟨20-23⟩）。其中，〈a〉位错环在较高温度下会粗化或湮灭，导致硬化略有下降；而〈c〉位错环在服役温度下非常稳定。由于〈a〉位错环通常被认为是辐照硬化的主要来源，此前学者提出几种假设解释该反常硬化：高温下〈a〉位错环或纳米空洞的短期生长、溶质原子（Fe、Sn、Cr）在〈a〉位错环偏聚、或杂质（氧/氢）与〈a〉位错环相互作用等。然而，由于辐照缺陷表征的困难以及合金元素作用的复杂性，这些机制尚未得到清晰验证。 研究内容 为澄清该反常硬化的本质机理，西安交通大学联合大阪大学研究人员选用高纯锆（99.9%）排除合金元素干扰，通过原位高温纳米压痕、原位透射电镜退火与原子尺度模拟相结合的手段，系统研究了退火过程中缺陷结构的动态演变及其对力学行为的影响。 研究发现：在500°C退火并冷却至室温后，辐照锆的硬度比400°C退火态提升约25%，与中子辐照锆合金中观察到的反常硬化趋势一致。在400–500°C退火过程中，原本平铺于基面的二维〈c〉型位错环逐渐相互连接，形成具有台阶状连接的三维弯折构型。分子动力学模拟显示，相邻〈c〉环端点处的部分位错可在热激活下沿锥面滑移、相遇并重组，逐步构建出台阶连接，最终形成稳定的三维弯折结构。这些三维弯折的〈c〉环通过台阶结构显著阻碍〈a〉型位错的滑移，其强化效果比平面〈c〉环提高约50%，直接导致宏观硬度上升。 研究意义 这一发现不仅解释了锆合金中的反常硬化现象，也为理解其他六方密排结构金属（如钛、镁等）在辐照与退火过程中的行为提供了新思路。从工程角度看，该机理对核用锆合金包壳在停堆、干燥及长期贮存阶段的力学性能预测与安全评估具有重要指导意义。通过调控微观缺陷构型，未来或可进一步优化锆合金的辐照性能与热稳定性，提升反应堆材料的安全裕度与使用寿命。 论文以《Kinked basal dislocation loops for anomalous annealing hardening in irradiated zirconium》为题发表在Acta Materialia, 2025。 全文链接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121366 图1.;辐照与退火后锆的硬度变化。;(a);在高真空腔室内使用原位纳米压痕进行硬度测试的方法示意图。左下角插图为纳米压痕后辐照纯锆的扫描电子显微镜图像。(b)离子辐照后的纯锆在400°C和500°C退火30分钟前后的硬度变化。 图2.;平面与三维〈c〉位错环的详细表征。;(a-d);同一区域内基面〈c〉位错环在不同衍射矢量下的TEM图像。红色和黄色箭头分别标记了在不同衍射矢量下同一位错环衬度。(e-g);同一区域内三维〈c〉位错环在不同衍射矢量下的TEM图像。(h);三维〈c〉位错环台阶高度的高分辨TEM图像。 ; 图3.;三维弯折〈c〉位错环的形成过程。;(a-e);基于分子动力学模拟得到的两个相邻〈c〉位错环之间的相互作用，导致了弯折〈c〉位错环的形成。;(f);弯折〈c〉位错环的演化过程示意图。;(g) 400°C时基面〈c〉位错环的高倍TEM图像。(h)在448°C退火后，这些平面〈c〉位错环演变为弯折结构。
高速凝固创造力学奇迹：MIT团队开发3D打印高强铝合金，强度提升五倍，硬度媲美7075！ 2025-12-26 ; 高强铝合金是航空航天、汽车及能源装备领域的关键材料。然而，传统高强铝合金（如Al7075）在激光粉末床熔融（LPBF）等增材制造过程中极易产生热裂纹，且难以维持高强度与高塑性的平衡。近日，麻省理工学院（MIT）联合美德多家科研院校的联合团队在国际材料领域的权威期刊《Advanced Materials》发表了题为“Additively Manufacturable High‐Strength Aluminum Alloys with Coarsening‐Resistant Microstructures Achieved via Rapid Solidification”的研究论文，在本论文中，研究团队提出：能否利用快速凝固下的非平衡条件，诱导形成稳定的亚稳相，从而兼顾强度、稳定性与可打印性，为此，他们聚焦于Al-Er-Zr-Y-Yb-Ni六元体系，设计出一种在快速凝固后能形成亚稳Al（23）Ni6M4（M=Er,Zr,Y,Yb）相、经时效后转变为抗粗化L12-Al3M相的新型高强铝合金。突破了长期困扰铝合金增材制造的“热裂敏感”以及强度与工艺适配性之间的矛盾，构建出具有优异抗粗化能力的纳米析出结构（强度提升五倍）。通讯作者为麻省理工学院的S. Mohadeseh Taheri-Mousavi博士和A. John Hart副教授。 文章链接： ;https://doi.org/10.1002/adma.202509507 【核心内容】 该研究的各合金成分的含量并非是凭空得来的，团队通过CALPHAD进行热力学计算，并结合集成计算材料工程与贝叶斯优化算法，最终确定了最佳合金成分为;Al-0.4Er-1Zr-1.33Ni（at.%），经快速凝固与400℃×8h时效后，合金在室温下的抗拉强度达到395MPa，这一水平在目前增材制造铝合金中处于领先地位，已经可与传统锻造Al7075相当，更重要的是，团队经过系统的检测，确认打印样品无热裂缺陷且组织稳定，即这一性能具备充足的可重复性而非团队的研究特例，展示出可规模化制造的潜力。 【研究方法】 团队的核心目标是要设计出稳定性高且能够有效通过增材制造技术制备的高性能铝合金（性能要能够与传统锻造的铝合金相持平），整体研究采用的是计算模拟与实验验证的多尺度设计体系，通过CALPHAD热力学计算与计算统计，筛选出Er和Zr这两关键元素，结果表明其含量对L12相占比及粗化速率表现出显著调控作用。在此基础上，团队采用贝叶斯优化算法，将模型预测误差精准控制在3%以内，最终通过激光粉末床熔融（LPBF）制备模型预测出的合金，并对合金的热裂敏感性及力学性能完成了实验验证。 贝叶斯优化+ICME耦合设计流程图 【研究成果】 ① 快速凝固诱导亚稳相形成，实现从微米到纳米的强化相尺度转变 增材制造过程中特殊的快速凝固特点能够有效避免合金在制备时发生传统铸造中常见的宏观偏析，且这一特殊的热过程还能够诱导合金内形成微米级的Al-Ni-M（M=Er,Zr,Y,Yb）三元相，这些亚稳态三元相会在后续时效过程中进一步演变为稳定的纳米级L12-Al3M强化相。 快速凝固与缓凝固路径对比示意图 ② 纳米析出相结构稳定，具备卓越的抗粗化性能 室温下L12纳米析出物尺寸仅1-5 nm，体积分数占比达到了17%，在Er和Zr元素的协同作用下，L12相与基体间形成了低失配度的共格界面，抑制了合金在高温下的粗化，因此即使经过了在400℃×48h的长期时效处理后，合金的微观结构与力学性能均保持稳定。 原子分辨HAADF-STEM像及L12析出相的元素分布图 Er/Zr浓度对结构参数影响及Ni调控相分数演变 ③ 机器学习助力高通量合金反向设计，快速锁定最优可打印成分 团队借助神经网络与贝叶斯优化算法，省略了大量的试错过程，大大提高了开发的效率，模型预测的Al-0.4Er-1Zr-1.33Ni合金，其粗化指标较基准合金降低71%，L12相含量提升40%，且在Scheil模拟下预测无热裂倾向。 元素含量与关键结构参数的Spearman相关热图 ④ 成功实现3D打印高强铝合金，强度媲美Al7075且完全无裂纹 经400℃×8h时效后，合金的硬度达到200HV，与铸造这类传统的缓慢凝固工艺得到的微米级析出相相比，经过纳米强化相强化后的合金硬度要更高，在室温下合金的抗拉强度达395MPa，这一水平已经与锻造的Al7075持平。且团队通过CT扫描与EBSD进行多尺度表征确定样品完全无热裂缺陷，晶粒呈等轴、无织构分布，显示出该合金成分在增材制造领域具有优异的可加工性和稳定性。 力学性能与显微组织关联 【总结与展望】 团队利用增材制造快速凝固的特点，结合计算模拟筛选最佳合金成分，成功制备出了高强度铝合金，这项研究不仅推动了增材制造铝合金的可工业化应用，也为其他金属合金材料体系的设计提供了可迁移的设计范式。
新加坡国立大学何超斌教授AM：高强韧、抗疲劳的复合水凝胶 2025-12-26 ; 在生物医学和电子器件领域，水凝胶和弹性体是至关重要的组成部分，然而其韧性和抗裂纹性能往往难以满足承重应用的需求。传统的合成聚合物网络主要依赖溶液法制备，这限制了其最终力学性能的发挥。长期以来，水凝胶的设计面临着一个根本性挑战：刚度与韧性之间存在固有矛盾，导致材料要么柔软而弹性不足，要么坚硬却易脆。 为此，新加坡国立大学何超斌教授团队提出了一种通用的熔体交联策略，成功克服了这一难题。该策略通过熔融状态下的致密化过程，使聚合物链的缠结密度远超溶液条件，从而大幅提升材料性能。所制备的水凝胶即使含水量高达83%，其力学性能——包括模量、韧性和疲劳阈值——均实现了超过两个数量级的提升，且同时具备高光学透明度、优异的透氧性和突出的防污特性。这项通用性策略有望为医疗保健和智能电子等领域的功能性软材料设计提供全新指导。相关论文以“Melt Densification Enables Fracture-Resistant Blend Hydrogels”为题，发表在Advanced Materials上。 研究团队首先通过对比阐明了熔体交联网络（MCN）的设计优势。相较于缠结有限的双网络（DN）凝胶和仅含单一类型链缠结的缠结单网络（ESN）凝胶，MCN策略在熔融状态下将亲水性网络与相容的疏水性聚合物紧密缠结在一起。这种设计在移除溶剂后实现了链密度最大化，并且不同聚合物之间形成的多重链缠结在材料受力时能够进一步收紧，从而强化和增韧整个网络。 图1 | 熔体交联网络（MCN）的设计策略。 (A) MCN凝胶制备工艺流程图。(B) 缠结有限的双网络（DN）凝胶。(C) 仅含单链缠结的缠结单网络（ESN）凝胶。(D) 具有致密多链缠结的熔体交联网络凝胶及其在拉伸状态下缠结收紧的示意图。; 在力学性能方面，随着疏水性聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）含量的增加，MCN水凝胶展现出惊人的增强效果。当PMMA质量分数达到0.6时，材料的模量、强度和工作断裂能相比纯PEG水凝胶提升了数个数量级，其韧性甚至超过了纯PMMA塑料。尤为重要的是，MCN水凝胶的裂纹敏感度显著降低，抗疲劳阈值也达到了传统水凝胶和弹性体难以企及的高水平，成功实现了高刚度与高抗疲劳性的协同。 图2 | 熔体交联网络（MCN）凝胶的断裂与疲劳性能。 (A) 不同PMMA含量（φ）下MCN凝胶的应力-应变曲线。(B) 共混凝胶的韧性Γ随φ的变化。(C) 熔体交联网络与其他各向同性水凝胶材料的韧性-模量（Γ-E）关系对比。(D) 共混水凝胶的断裂内聚长度L随φ的变化。(E) 不同PMMA质量分数下测得的疲劳阈值Γ0。(F) 合成及天然水凝胶与软组织在阈值Γ0和模量E上的阿什比图。 为了揭示其卓越增韧效果的结构根源，研究人员通过溶剂刻蚀、扫描电镜观测和流变学测试进行了深入分析。结果表明，PMMA链是通过物理缠结而非化学交联嵌入网络中的。熔融状态下的交联过程极大地增强了链的缠结密度，这是溶液交联样品所不具备的。同时，组分间的内在相容性是形成强韧MCN的关键。选用与PEG不相容的聚乙烯醇缩甲醛（PVF）作为对比时，所得凝胶因相分离而变得不透明且力学性能微弱，这证实了单纯的疏水相互作用不足以形成强缠结，而长链缠结与相容性才是构建强韧网络的核心。 图3 | 熔体交联凝胶的结构、交联与缠结。 (A) 样品在无水THF中典型刻蚀-干燥循环的质量变化曲线；插图：制备态和刻蚀后凝胶样品的数码照片。(B-C) PEG/PMMA MCN水凝胶（φ=0.5）冷冻断裂、冻干表面的场发射扫描电镜图像：(B) 制备态，(C) 刻蚀后。(D) 在溶液和熔体中制备的PEG/PMMA水凝胶（φ=0.5， C₁=7.5×10⁻³）的代表性应力-应变曲线；插图：溶胀比和杨氏模量（n=3）。(E) 真空干燥的熔体交联网络的储能模量（G‘）和损耗模量（G’‘）。(F) 具有不同相容性的熔体交联PEG基凝胶的拉伸应力-应变曲线。插图：溶胀样品的数码照片。(G-I) 交联的PEG/PMMA熔体交联网络的链与网络性质随引发剂浓度C₁的变化：(G) 每条链的平均交联点数Nc；(H) 平台模量GN⁰；(I) 末端松弛时间τR。网络行为的三个区域为：（i）粘性耗散；（ii）缠结主导；（iii）交联主导。; 除了卓越的力学性能，MCN水凝胶还展现出作为功能材料的巨大潜力。得益于纳米尺度的均一性，材料保持了高光学透明度。其透氧性能满足甚至超过一次性隐形眼镜的要求。同时，通过简单共混自组装形成的两亲性纳米结构，使水凝胶对牛血清白蛋白的吸附极低，展现出优异的防污特性。体外细胞实验证实了材料的高生物相容性，并且通过调整组成可以轻易调控细胞在凝胶上的行为，例如在较硬的凝胶上形成细胞团簇，而在较软的凝胶上则均匀铺展和增殖，这为组织工程中引导细胞生长提供了可能。 图4 | MCN凝胶作为功能材料的潜力。 (A) 展示MCN水凝胶高光学透明度的数码照片。(B) MCN凝胶的氧透过性（Dk/t）随PMMA含量（φ）和含水量的变化。(C) MCN凝胶与商用眼科镜片材料对牛血清白蛋白（BSA）的吸附量对比。(D) MCN凝胶的体外细胞活性（超过96%）。(E-F) 间充质干细胞（MSCs）在不同组成凝胶上的行为：(E) 在较硬凝胶（φ=0.33， E~7MPa）上形成聚集球体，(F) 在较软凝胶（φ=0.20， E~1.3MPa）上均匀铺展和增殖。 综上所述，这项研究提出了一种通用、可推广的熔体交联网络策略，用于制备抗疲劳的功能性混合水凝胶。该策略基于组分聚合物的内在相容性和缠结作用，通过热力学原理实现，可扩展至其他共混体系。MCN水凝胶集高透明度、均一性、卓越力学性能、高透氧性、生物相容性和防污性于一体，且其生物活性可通过组成进行调节。这些发现为设计坚固的功能性水凝胶提供了新的概念和技术见解，有望构建一个可定制的功能性软材料平台。未来的工作将聚焦于在动物模型中进行体内评估，并探索在MCN设计中调控结晶度等物理性质。
新型中空Fe₂O₃微球，采用水热法合成，助力涂层实现超疏水 2025-12-12 ; 在能源存储与催化材料领域，空心结构因其高比表面积、低密度及优异的物质传输性能，成为提升材料性能的关键设计方向。近日，发表在《Materials Science & Engineering B》上的突破性研究《Hydrothermal synthesis of hollow Fe₂O₃ microspheres: effect and mechanism of glucose concentration》，首次揭示了葡萄糖浓度对水热法合成空心Fe₂O₃微球形貌与性能的精准调控机制，为新型功能材料的设计提供了理论基石。 空心微球（如空心玻璃微珠、空心陶瓷微珠）凭借其独特的低密度、中空结构及优异的物理化学性能，已成为涂料行业功能性填料的核心选择。其应用不仅解决了传统填料在性能提升与成本优化间的矛盾，更推动了涂料向轻量化、高性能化、环保化方向演进。 空心微球密度极低（0.12–1.60g/cm³），添加5%质量分数即可使涂料体积增加25%–35%，显著降低单位体积成本。例如，在美缝剂中以空心玻璃微珠替代重质碳酸钙，密度降低20%，树脂用量减少15%，成本下降20%–30%，同时保持力学性能稳定。其球形结构作为“固体润滑剂”，改善施工流动性，减少飞边、挂流等问题。 氧化铁（Fe2O3）具有优异的化学稳定性、机械强度和光学性能，使其成为各种应用的合适选择者。除了帮助涂料轻质应用外，还可以提高涂层超疏水性能和超疏水涂层的耐久性。 内蒙古科技大学周晨亮团队研究团队通过系统调控水热反应中的葡萄糖浓度（0.1-1.0mol/L），发现其浓度梯度对Fe₂O₃微球的形貌演化具有决定性作用。 在低浓度（0.1mol/L）下，葡萄糖作为还原剂与Fe³⁺发生氧化还原反应，生成实心Fe₂O₃纳米颗粒；随着浓度提升至0.5mol/L，葡萄糖分子在高温高压下发生碳化，形成碳壳模板，同时诱导Fe³⁺在模板表面定向聚集，最终通过奥斯特瓦尔德熟化（Ostwald ripening）形成空心结构；当浓度进一步升高至1.0mol/L时，过量的葡萄糖导致碳壳过度生长，反而抑制了空心结构的形成，转而生成多孔碳包覆的Fe₂O₃复合结构。 这一发现颠覆了传统“模板法”需依赖外部硬模板的局限，通过葡萄糖浓度这一单一变量，实现了从实心到空心、再到复合结构的精准可控合成。研究团队负责人表示：“葡萄糖在此过程中扮演了双重角色——既是碳源构建模板，又是还原剂调控反应动力学，这种‘一材双用’的策略为绿色化学合成提供了新思路。” (a)C-0.09、(b)C-0.27、(c)C-0.45、(d)C-0.9、(e)C-1.35和(f)C-1.8的SEM图像。 (a)Fe-0.09、(b)Fe-0.27、(c)Fe-0.45、(d)Fe-0.91、(e)Fe-1.35和(f)Fe-1.8的SEM图像。 成核阶段：Fe³⁺与葡萄糖分子通过静电作用吸附，在高温下发生还原反应，生成Fe₂O₃纳米晶核； 模板生长：葡萄糖分子在晶核表面碳化，形成厚度约20nm的碳壳，同时Fe₂O₃纳米晶持续在碳壳表面沉积； 空心化：内部未反应的Fe³⁺通过扩散作用迁移至碳壳表面，留下空腔，最终形成直径约500nm、壳层厚度约50nm的均匀空心微球。 ; 中空内部可以降低材料的密度，这有利于轻质应用。中空微球的薄壳提供了较大的表面积，可以为疏水基团提供更多的接枝位点，从而增强对水分子的排斥力，有助于提高超疏水性能。中空结构可以起到缓冲作用，保护纳米颗粒免受外部环境因素的影响，从而提高超疏水涂层的耐久性。
超高强钛合金的极限突破：“叉状+多尺度结构”实现强度-塑性-韧性三性能协同提升 2025-12-09 ; 钛合金凭借着低密度、高比强度、耐腐蚀等特点，已在航天航空、海洋能源等领域广泛运用。近年来对于钛合金的研究也日益成熟，但要想进一步扩宽钛合金的应用深度，高强度、高塑性和高韧性三者缺一不可。传统提升强度的手段，如通过二级α相析出实现析出强化，往往会导致塑性下降；而增大α层片尺寸提升塑性，又会造成强度不足。如何在结构尺度、组织形貌与变形机制之间实现新的平衡，是解决强塑韧三性耦合矛盾的核心问题。 近日，材料领域权威期刊《Journal of Materials Science & Technology》在线发表了一篇题为“Overcoming strength-ductility/toughness trade-off in ultra-high strength titanium alloy via fork + multi-scale structure”的研究成果，该论文的研究团队基于TB17钛合金体系，通过设计三步热处理工艺，在材料中构建出独特的“叉状（forked）+ 多尺度（multi-scale）”复合组织，使合金在实现1378MPa拉伸强度、8.6%延伸率的同时还兼具81 MPa·m1/2断裂韧度，有效突破了长期困扰钛合金设计的强-塑-韧性能权衡难题。通讯作者为中航工业北京航空材料研究院朱知寿研究员和西北工业大学凝固技术全国重点实验室的徐建伟副研究员、曾卫东教授和李恒教授。 文章链接： https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.10.064 【核心内容】 研究提出的核心思路是通过三步热处理，在TB17钛合金中构筑由“叉状α结构”“中尺度α层片”“细小二级α”共同组成的多尺度复合组织。叉状结构提供了更大的形变缓冲能力，中尺度α增强滑移协调性，而二级α负责维持高强度。三类组织在不同变形阶段发挥互补作用，使材料呈现出类似梯度结构的行为特征，从而改善应变分配、延缓局部失稳，并显著提高裂纹偏折能力。通过这种组织共生策略，材料的强度、塑性与断裂韧性得以同时提升。 图形摘要 【研究方法】 团队首先利用高温固溶过程重新分配β相与α相的体积分数与尺寸，在固溶结束后，将三种不同冷却速度的样品分别标记为计H1、H2、H3（H1:快速冷却，H2：中速冷却；H3：缓慢冷却）；随后通过中温退火调节初生α与中尺度α的形貌连接特征；最终通过时效过程析出高密度的二级α以实现强化。在组织表征方面，研究者借助OM、SEM、EBSD、TEM、TKD等手段对晶体取向、相界关系、析出相尺寸与分布进行了系统研究，并通过HRTEM分析组织演化细节。在性能测试方面，研究团队进行了室温拉伸、断裂韧度测试以及断口分析，结合位错结构观察揭示不同组织在变形过程中的贡献机制。 TB17钛合金的微观结构形貌与实验方法 【研究成果】 ① 独特“叉状+多尺度结构”的形成机理 三种样品的微观结构呈现出明显差别，H1组织以时效过程中析出的细小次生α相为主；H2组织发展出较为连续的中尺度α层片，初生α形貌趋于规则；而H3组织最为特别，具体表现为形成了叉状结构，结构特征是多个方向一致的α层片在端部合并、延伸并产生分叉形态，该结构的形成来源于α层片的外延生长、相邻层片的连接延伸以及同向层片的合并粗化。 分叉结构的典型形貌 外延生长形成的分叉结构特性分析 连接伸长与合并粗化形成的分叉结构特性分析 ② 力学性能实现强-塑-韧三性能协同 在三种样品中，H1虽具有高强度但塑性不足，而H2虽具塑性但强度偏低，相比之下屈服强度1272MPa，抗拉强度1378MPa，延伸率8.6%，断裂吸收功81MPa·m1/2的H3具有最优的综合力学性能。 不同热处理条件下的微观结构表征与力学性能 ③ 位错行为揭示增强塑性的关键机制 三种状态的合金在变形过程中的位错行为也有显著区别，该区别本质上源于三种合金的微观结构差异，H1组织的位错主要被次生α相阻挡，导致应力集中严重，大大削弱了合金的变形能力；H2中初生α能较好的容纳位错，因而塑性最佳；而在H3中，叉状α的端部区域能够容纳大量位错，中尺度α提供良好的滑移传播路径，次生α则在强化的同时保持一定的相界协调性，多尺度结构之间的错配度适中，使位错既能累积又不容易形成过度堆积，从而在宏观上提高应变硬化能力，延缓颈缩的发生。 H1拉伸试样断口附近的位错表征 H2拉伸试样断口附近的位错表征 H3拉伸试样断口附近的位错表征 ④ 裂纹的复杂扩展路径是维持韧性的关键 H1的裂纹扩展趋于直线，缺乏明显的能量耗散机制，裂纹可以迅速扩展最终导致材料宏观结构失稳而断裂；H2的裂纹扩展呈现大幅度弯折，难以迅速扩展合并，故韧性最佳；而H3能在兼具高强度的前提下维持优良的断裂韧性，是因为裂纹在遇到叉状α与中尺度α交替分布的区域时也会发生多次偏折，从而形成复杂的扩展路径，并在局部产生大量的几何必要位错（GND），显著提升能量耗散能力。 裂纹扩展路径的晶体学取向特性 H1、H2、H3样品的位错行为与裂纹扩展示意图 【总结与展望】 该研究提出并验证了“叉状+多尺度结构”这一组织设计理念，为解决超高强钛合金强-塑-韧性能兼得的难题提供了有效途径，该方法基于常规热处理工艺，具有很强的工业适配性，可直接用于航空航天高强构件的工程化制备，为未来钛合金的结构优化提供了重要参考。
《Materials & Design》综述：冲击载荷下泡沫铝及其复合结构的数值模拟，从几何模型到工程应用 2025-12-08 ; 第一作者：贾恬恬、成肖鹏 通讯作者：李涛研究员 通讯单位：滨州铝产业先进制造山东省实验室 原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.114921 【全文速览】 泡沫铝及其复合结构作为轻质吸能材料，在汽车、航空航天与军事防护等抗冲击领域展现出广阔前景。由于物理实验成本高、过程复杂，数值模拟已成为预测其动态力学响应与失效行为的关键手段。本文系统梳理了该领域数值模拟的核心进展，涵盖材料模型、数值方法与典型工程应用。首先，聚焦于几何与材料属性建模，详细介绍了四种典型的泡沫铝芯结构模型，并讨论了相应复合结构的建模策略。其次，归纳了当前主流的冲击模拟方法与流程，包括有限元法、光滑粒子流体动力学以及若干新兴数值方法。根据不同冲击速度条件，进一步对加载过程进行分类，系统阐述了各类工况下的模拟特点及本构模型的选取原则。随后，文章总结了泡沫铝在若干关键工程领域中的实际应用案例。最后，针对当前建模与模拟过程中存在的难点与不足，指出了该领域面临的挑战，并对未来发展方向进行了展望。 【背景介绍】 泡沫铝凭借其低密度、高比强度和优异的吸能特性，已成为航空航天、车辆抗冲击和军事防护等领域的关键轻质材料。为弥补其机械性能有限与耐腐蚀性不足的缺点，常将其与致密面板复合形成增强结构达到拓展工程应用范围的目的。然而，当前泡沫铝及其复合结构的抗冲击性能研究面临着微观结构随机性导致实验数据离散，以及极端载荷下瞬态损伤演化难以捕捉两大瓶颈。数值模拟技术因此成为重要研究手段，通过构建精确几何和材料模型，可有效预测其在冲击载荷下的动态响应与失效行为，实现多尺度、多物理场耦合分析，显著提升研究的可靠性与效率。但是目前较多研究只关注其特定性能的模拟需求，很少有研究对冲击载荷下泡沫铝及其复合结构从几何模型到工程应用的数值模拟进行全面整合和分析。因此，本文系统梳理其建模方法、数值技术和典型工况模拟，总结工程应用现状，并展望未来发展方向，为该类材料的性能优化与工程设计提供理论支持。 ; 【图文解析】 对泡沫状材料及其复合结构的动态响应和能量吸收行为进行准确的模拟，关键取决于对几何特征和材料本构行为的精确描述。泡沫状材料独特的机械性能很大程度上取决于其复杂的介观孔隙结构。因此，选择合适的几何模型对于有效反映其宏观力学响应至关重要。泡沫铝及其复合结构的多尺度建模策略变得越来越多样化和精细，涵盖了从理论简化模型（Gibson-Ashby模型）到周期模型（Kelvin模型）、随机模型（Voronoi模型）以及基于真实微观结构的;CT;扫描重建模型等（图1）。此外，用于泡沫铝夹芯结构、泡沫铝填充管以及混合结构的参数化建模技术也日益成熟。（图2） 图1.;泡沫铝几何模型建模方法。;a）Gibson-Ashby模型。b）Kelvin模型。c）Voronoi模型。d）基于微计算机断层扫描的模型。 图2.;泡沫铝复合结构建模。a）三明治结构。b）填充管结构。c）波纹芯混合结构。d）空间堆叠混合结构。 ; 在当今的数值模拟领域，有限元法与光滑粒子流体动力学法已成为两大主流技术。有限元法尤其擅长处理低速落锤冲击和高速弹丸冲击等场景下的接触与大变形问题；而SPH方法则在模拟超高速撞击、爆炸冲击等极端工况中展现出独特价值，能够有效捕捉材料的大幅变形、破碎行为以及流体与结构之间的相互作用。文章对这两种方法的模拟流程作了具体介绍（图3）。此外，为进一步提升对泡沫铝及其复合结构在极端载荷下力学行为的模拟精度与效率，例如大变形、断裂、破碎及多相耦合等现象，文中还系统梳理了多种新兴数值方法，包括离散元法、质点法、近场动力学和等几何分析，并展望了它们在泡沫铝及其复合结构冲击仿真中的应用前景，为相关领域的研究提供了新的思路与工具。 图3.有限元法与光滑粒子流体动力学法模拟泡沫铝及其复合结构冲击效应的典型流程图。 ; 在泡沫铝及其复合结构的冲击性能仿真研究中，数值模拟技术成功再现了材料从低速到中速、高速、超高速以及爆炸冲击等多种动态载荷下的复杂响应（图4）。通过采用宏观均质模型、多尺度建模以及有限元法（FEM）、光滑粒子流体动力学（SPH）等先进方法，研究准确预测了泡沫铝及其复合结构在冲击过程中的变形模式、失效机制与能量吸收特性，例如弹体侵彻深度、背板变形形态、冲击波衰减效率及碎片云分布等关键指标。这些仿真结果不仅在定量上与实验数据高度吻合，直观呈现了结构的动态响应过程，也为泡沫铝在车辆碰撞防护、装甲设计、空间碎片防护及爆炸缓冲等多类工程场景中的性能评估与结构优化提供了关键理论依据，显著减少了对高成本重复试验的依赖。 图4.;泡沫铝及其复合结构在不同冲击速度下的模拟案例。 ; 【总结与展望】 本综述系统性地阐述了铝泡沫及其复合材料的数值模拟研究，涵盖了从材料建模、多尺度仿真方法到工程应用与未来挑战的全链条内容。泡沫铝复合材料在冲击工程领域的仿真研究正迈向智能化与多功能化的新阶段。未来，研究将聚焦于融合机器学习与优化算法，以构建高效的参数化替代模型，并整合CT扫描、分子动力学等多尺度建模技术，实现对材料从微观结构到宏观性能的精准预测。同时，针对功能梯度泡沫铝、智能材料复合结构等新型多功能体系，建立“材料-结构-功能”一体化仿真设计方法，将成为提升其抗冲击性与能量吸收效率的关键。这些先进的仿真技术将极大地推动泡沫铝在深空探测、航空器缓冲、舰船防护及轻型装甲等极端与安全关键场景中的创新应用（图5）。 ; 图5.;从智能建模、跨尺度模拟、多功能材料和未来应用四个方面阐述了冲击载荷下泡沫铝及其复合结构在数值模拟领域的未来发展前景。 ; 【文章合作单位】 山东宏钧新材料技术有限公司，致力打造具有强大生命力和竞争力的高性能泡沫铝结构件研发和制造基地。通过“高性能铝基泡沫材料项目”建设，预计投产后达到年产3万m³高性能泡沫铝构件及年产40万件异形件产能。该项目采用自主研发达到世界先进的第二代泡沫铝制备技术（变压发泡法）实现泡沫铝孔结构的主动控制及泡沫铝三明治结构的冶金级结合，使性能及稳定性显著提升。该技术达到了国内领先，国际先进水平，其材料产品压缩强度高、能量吸收能力强、性能可靠性高，可广泛应用于公路交通、新能源汽车、建筑装饰材料、核工业、燃油车身轻量化和特殊车辆防撞模块等领域。 ; 【原文信息】 Tiantian Jia, Xiaopeng Cheng, Yang Lu, Tao Li, Numerical simulation of aluminum foam and its composite structures under impact loads: From geometric models to engineering applications. Mater. Des. 2025, 259: 114921.
Nat. Mater/超强耐热铝合金/孙军院士 2025-12-03 ; 今天我们回顾一篇西安交通大学孙军院士团队的一篇经典之作，在高性能耐热铝合金领域取得历史性突破，通过间隙溶质稳定化策略，成功在含钪的Al-Cu-Mg-Ag合金中构筑出高密度、高热稳定性的相干纳米析出相（V相），使铝合金在400℃;下仍保持约100 MPa的拉伸强度与卓越的抗蠕变性能。这项工作以Highly stable coherent nanoprecipitates via diffusion-dominated solute uptake and interstitial ordering为题发表于《nature materials》，为航空航天、能源装备等领域对轻量化高温结构材料的迫切需求提供了全新解决方案。 文末点击“阅读原文”跳转至原文 ### 01;铝合金的“高温之痛”：百年未解的瓶颈 自一百多年前铝合金的时效硬化现象被发现以来，铝合金因其轻质、高强的特性，已成为航空航天、交通运输等领域不可或缺的轻量化材料。然而，传统高强度铝合金长期受困于一个“温度天花板”——超过150℃便迅速软化，无法满足现代工业对300–400℃服役温度的需求。 其根本原因在于纳米析出相的热稳定性不足：;; -;高溶解度、快扩散溶质（如Cu、Zn、Si）可形成高体积分数析出相，但高温下易粗化；;; -;慢扩散溶质（如Sc、Zr、Ti）形成的析出相热稳定性高，但体积分数过低，强化效果有限。 就像建房子，用快干水泥砌墙很快，但不耐烧；用耐火砖结实，却砌不出足够的墙体。我们需要的是既‘砌得快’又‘烧不坏’的材料。 ### 02;破局关键：当“快铜”遇见“慢钪”，在纳米世界里“有序同居” 研究团队创新性地提出间隙溶质稳定化策略，在Al-Cu-Mg-Ag合金中微合金化添加Sc（0.3 wt%），通过一场精巧的原位相变，让扩散速度相差悬殊的Cu与Sc在纳米析出相中“握手合作”。 该过程分为两步： 1.;先造“骨架”：在185℃时效时，合金中形成大量板片状Ω相（成分为Al₂Cu，界面富集Mg/Ag），作为后续反应的“模板”；;; 2.;再注“灵魂”：当温度升至400℃，Sc原子通过“共格台阶”扩散进入Ω相，以间隙有序的方式周期性占据结构中的间隙位，触发Ω→V的原位结构转变。 ### 03;看见原子：“V相”如何炼成？ 借助球差校正高角环形暗场像与原子探针层析技术，研究人员首次清晰揭示了V相的原子结构： - Sc原子并不替代Al或Cu，而是有序占据间隙位置，形成周期性的超结构；;; - Cu原子框架保持不动，作为结构骨架；Al原子发生规律性位移，以适应Sc的间隙嵌入；;; - V相具有Al₈Cu₄Sc的化学计量比，其形成能低于Ω相和θ′-Al₂Cu相，热稳定性显著提升。 这就像在已经建好的铜骨架公寓里，有序地请进一批钪原子‘房客’，不仅住得下，还让整栋楼更稳固。 ### 04 “共格台阶”：Sc原子进入的“纳米楼梯” Sc的扩散速度远低于Cu，它是如何快速进入Ω相并有序排列的？研究发现，共格台阶（CL） 在这一过程中扮演了“扩散通道”与“形核触发器”的双重角色： -;在高温下，Ω相界面出现大量台阶；;; -;台阶处在迁移时，界面处的Mg/Ag偏聚层被破坏，为Sc的进入打开“门户”；;; - Sc原子优先偏聚于台阶处，借助其附带的拉伸应变场，逐步扩散至Ω相内部，完成间隙有序化。 ### 05;性能飞跃：400℃下依旧“能打” 这种V相纳米析出相带来的性能提升是颠覆性的： ;
Acta Mater/高强韧钛合金/马恩-马英杰-郑仕健 2025-12-02 ; 突破“强度-塑性”死局！巧用“平面滑移”， 造出韧性翻倍的3D打印钛合金 在材料科学领域，强度和塑性往往如同鱼与熊掌，难以兼得。尤其是对于通过3D打印制造的高强钛合金，一个长期困扰科学家的难题是：一旦强度突破1GPa，其均匀延伸率往往不足2%，极易发生早期颈缩断裂。然而，来自西安交通大学，金属研究所和河北工业大学的马恩-马英杰-郑仕健教授强强联合团队近日在《Acta Materialia》发表突破性研究Precipitate-tailored planar slip delivers unprecedented ductility in high-strength β-titanium alloys，通过“析出相调控平面滑移”策略，成功在维持千兆帕级强度的同时，将均匀延伸率提升至17%，总延伸率高达30%，实现强度与塑性的“双赢”。 文末点击“阅读原文”跳转至原文 ;一、困境：高强度的代价是“脆” 3D打印（增材制造）技术为制造复杂形状的钛合金构件提供了前所未有的自由度，尤其在航空航天、生物医疗等领域潜力巨大。然而，打印出的钛合金虽然强度高，却常常因为一种被称为“平面滑移”;的变形模式而导致塑性严重不足。 什么是平面滑移？我们可以将其想象为一场“交通堵塞”：在材料内部，位错（晶体中的线缺陷，负责塑性变形）沿着某些特定平面集中滑移，形成狭窄的滑移带。这些滑移带如同单一车道上的车流，一旦受阻，应变便高度集中，导致材料迅速软化、颈缩，最终断裂。 在传统的高强β-钛合金中，富含Fe、V等元素会促使纳米尺度的ω析出相形成，而这些ω相正是诱发平面滑移的“元凶”。其结果就是：材料虽然强度高，但在拉伸实验中，应力-应变曲线在达到峰值后迅速下降，均匀延伸率极低（<2%），严重限制了其工程应用。 ;二、破局：当“平面滑移”遇上“α析出相” 既然无法避免平面滑移，能否“化敌为友”，利用它来实现高塑性？ 研究团队提出了一个颠覆性的思路：不阻止平面滑移，而是通过引入第二相析出物，使其在传播过程中“被迫”发生位错反应，从而激发应变硬化能力。 他们选用了一种名为;Ti-3Al-6V-6Fe-2Zr（Ti3662） 的β-钛合金作为模型材料，通过激光粉末床熔融技术进行3D打印。打印后的合金中已存在大量ω相，确保了平面滑移的主导地位。 关键一步在于后续的热处理工艺： -;两步法热处理（730°C + 680°C）：在β基体中引入尺度约660纳米的α片层析出相。 -;一步法热处理（525°C）：形成更细小（约50纳米）、更高体积分数（47%）的α相。 ;三、机理：位错“变身记”带来硬化奇迹 微观结构分析揭示了一个精妙的变形机制： 在两步热处理样品（730/680-Ti3662） 中，β基体中的平面滑移位错（类型为1/2a<111>）在遇到α相时，并非被阻挡，而是穿透界面，进入α相内部。在这个过程中，发生了两类关键的位错反应： 1.;转化为<a>位错：在几何相容性高的条件下，β相中的滑移转化为α相中较易滑移的<a>型位错，维持塑性流动。 2.;激发<c+a>位错：在特定取向下，β相的滑移会激发α相中难以运动的<c+a>型位错。 > <c+a>位错是六方最密堆积结构中的“全能型”位错，能沿c轴方向提供应变，但其运动需要极高的临界分切应力，因此它们移动缓慢，易于缠结、增殖。 正是这些“步履蹒跚”的<c+a>位错，在滑移带内不断积累，产生了强烈的背应力硬化效应，显著提升了材料的应变硬化能力。其结果就是：颈缩被大幅推迟，均匀延伸率从1.6%跃升至17%，而总延伸率仍保持在30%的高水平。 四、性能：纪录是如何被打破的？ -;韧性王者（730/680-Ti3662）： ;-;屈服强度：~1055 MPa;-;均匀延伸率：~17%;-;总延伸率：~30% ;-;这是目前所有报道的千兆帕级3D打印钛合金中，均匀延伸率和总延伸率的最高值，实现了“强度不减，韧性翻倍”。 -;强度王者（525-Ti3662）： ;-;屈服强度：~1595 MPa（目前所有3D打印钛合金中的最高值） ;-;总延伸率：~5.1%（在如此高强度下仍具可观塑性） ;-;其超高强度主要归因于细小的α相带来的强烈析出强化。 ;五、启示：一种普适的合金设计策略 这项研究的意义远不止于一款高性能钛合金的诞生。它揭示了一种适用于所有以平面滑移为主导的合金体系的协同强化策略： 1.;利用一种析出相（如ω相）诱发平面滑移，保证塑性流动能力； 2.;引入另一种析出相（如α相）与滑移带相互作用，激发高硬化能力的位错类型（如<c+a>位错）。 通过调控第二相的种类、尺寸、分布，研究人员可以在“强度-塑性”图谱上自由定位，实现从“超高强度”到“超高塑性”的多种性能组合。 六、结语：当“脆弱”的滑移带被赋予“韧性” 这项由中国团队引领的研究，打破了“平面滑移必然导致低塑性”的传统认知。通过精巧的微观结构设计，他们让原本“脆弱”的滑移带在穿越异质界面时，催生出新的硬化机制，从而在千兆帕的强度级别上，实现了前所未有的塑性水平。 这不仅为下一代航空航天、生物植入等高强韧钛合金的研制开辟了新路径，也为更多面临“强度-塑性”trade-off困境的金属材料提供了可复制的设计范式。 关键结果速览 Fabrication of as-printed Ti3662 alloys and corresponding heat-treatments. Tensile properties of the present Ti3662 alloys and other reported AM Ti alloys. Microstructures and phases analyses of the as-printed and heat-treated Ti3662 alloys. Microstructures of the as-printed Ti3662 alloy before the tensile testing. Microstructures of the as-printed Ti3662 alloy after the tensile testing. Microstructures of the 730/680-Ti3662 alloy after the tensile testing. Transmission of dislocations through α/β boundaries in the 730/680-Ti3662 alloy after the tensile testing. Schematic illustration, showing our strategy of tuning the planar slip with precipitation to achieve both high strength and excellent uniform elongation,
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