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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
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西交大“缓冲神器”多稳态-压扭超结构：压缩80%可复原，鸡蛋2米摔不碎！ 2025-05-19 机械超结构是一类可以通过几何尺寸设计实现反直觉力学性能的周期性结构。其中，具有多稳态机制的机械超结构能够通过可逆地重构形状，实现力学性能可调，并且可以通过稳定构型切换实现非损伤的能量锁定，为可重复的冲击防护提供新思路。然而，现有的多稳态超结构大多只能沿着压缩方向实现二维的稳定构型切换，并且需要严格控制变形量以避免局部大变形引起的结构破坏。如何实现大变形、多维度可编程、多功能一体化的协同，是一个悬而未决的问题。 针对这一难题，西安交通大学机械学院韩宾、张琦教授团队提出了一种多稳态扭转超结构，并且结合增材制造及嵌锁组装技术实现了低成本、快速制造。多稳态扭转超结构有效避免了局部过度变形，大幅提高允许压缩变形，允许压缩量可以达到结构高度的80%，并且实现了力学性能、变形模式、防护功能的多维度可编程。进一步的结构优化设计增强了能量耗散性能，在缓冲、减振等安全防护领域具有出色的应用潜力。 ;;;;;; 为了缓解局部过拉伸并为超结构提供“过载保护”功能，本研究创新性地提出了一种协同多稳态及压扭效应的设计策略（图1）：受Kresling折纸结构启发的倾斜杆件非对称连接于双稳态铰接梁一侧，通过巧妙的嵌锁接头设计，组装得到双稳态扭转胞元。铰接梁和倾斜杆件以近似串联的方式连接，由于受力平衡及局部-整体的变形协调，当切换至新的稳定构型后，一方面，显著释放倾斜杆件积累的扭转变形；另一方面，铰接梁的形状改变降低了倾斜杆件的倾角，在进一步压缩时受力表现出更缓慢的增长趋势，有效提升了允许压缩变形。 图1;;多稳态扭转超结构设计原理图：（a）具有双稳态效应的铰接梁，稳定构型切换后进一步的加载导致局部过拉伸，力迅速增加；（b）受Kresling折纸启发的倾斜杆件，实现压缩-扭转耦合；（c）双稳态扭转胞元：多稳态扭转超结构的最小组成单元；（d）力-位移曲线及简化串联模型：实现大滞回能量耗散，提供过载保护。 通过阵列多个双稳态扭转胞元，可以构建多稳态扭转超结构，实现多个稳定构型的可逆切换。通过改变尺寸参数，设计不同胞元组合，可以对多稳态扭转超结构的力学性能定制化设计，从而编程其力学响应（包括单调递增、单稳态及多稳态模式），并实现对负刚度响应的精确调控（涵盖缓慢下降至瞬间下降等多种响应行为）。此外，通过改变胞元阵列模式，能够有效调控扭转变形的传递模式，实现变形行为的可编程设计。进一步的结构尺寸优化使多稳态扭转超结构兼具高允许变形能力和优异能量耗散性能，在保持较高耗能能力的同时，实现接近80%结构高度的超大变形（图2）。 图2 多维度可编程设计：通过改变胞元结构尺寸参数，实现（a）构型稳定性及（b）负刚度响应的可编程设计；（c）两个双稳态扭转胞元阵列的多稳态扭转超结构力学响应；（d）改变胞元阵列方向，实现变形模式的可编程设计；（e）通过结构优化设计实现高可压缩能力与高能量耗散性能的兼容。 多稳态扭转超结构在安全防护领域具有显著优势，能够实现减振与缓冲功能的一体化集成。通过多稳态切换过程中的能量锁定机制，结合大滞回特性带来的非损伤能量耗散能力，在受到冲击时可以有效地衰减加速度响应，可以保护生鸡蛋从2m高度坠落而不发生破裂（图3）。此外，间规立构阵列的多稳态扭转超结构具有自旋惯性放大效应，在70-1000Hz宽频范围内表现出良好的减振性能，并且可以通过调节多稳态构型实现对传递率曲线的定制设计（图4）。基于上述特性，针对飞行器精密传感器件的防护需求，提出了缓冲-减振多功能集成解决方案（图5）。在飞行器起飞阶段可以有效抑制冲击载荷，在巡航阶段能够显著衰减宽频振动，实现多工况下的多功能一体化防护。 图3 多稳态扭转超结构缓冲性能：（a）不同冲击下三种超结构的峰值加速度，在大冲击下多稳态扭转超结构衰减加速度最多；（b）相同冲击下冲击块的回弹高度对比，多稳态扭转超结构耗能最多，回弹最小；（c）生鸡蛋坠落试验，多稳态扭转超结构可以保护鸡蛋从2m高度坠落不破裂。 图4 多稳态扭转超结构减振性能：（a）得益于压扭耦合效应及间规立构阵列模式产生的自旋惯性放大，多稳态扭转超结构在70~1000Hz频率范围内具有良好减振效果；（b）通过改变稳定构型，实现对传递率曲线的定制化设计。 图5 多稳态扭转超结构应用前景：面向飞行器精密传感的减振-缓冲多功能一体化防护器件。在飞行器加速阶段，利用能量锁定及非线性能量耗散衰减冲击加速度；在巡航阶段，利用压缩-扭转耦合产生的自旋惯性放大效应实现减振。 综上所述，本研究提出的多稳态扭转超结构通过协同多稳态构型切换及压缩扭转耦合效应，有效缓解了局部过拉伸及扭转变形的积累，从而大幅提升允许压缩性能并实现“过载保护”；同时，多稳态扭转超结构实现了跨构型稳定性、负刚度响应、变形模式及缓冲-减振功能的多维度可编程设计。多稳态与压扭效应的协同策略为新一代多功能防护器件的开发提供了新的设计思路，在航空航天安全防护系统、多模式智能驱动器以及构型可编程的可展开结构等领域展现出广阔的应用前景。 相关研究成果以“Multistable twist metastructures with enhanced collapsibility and multidimensional programmability”发表于中科院一区Top期刊Additive Manufacturing上，博士研究生郑培远为论文第一作者，韩宾副教授为通讯作者。此外，团队还针对能量耗散性能进行了进一步的研究及优化设计，相关工作以“负刚度扭转超结构力学性能研究”发表于《应用数学和力学》期刊，并成功入选2025复合材料力学高影响论文，硕士研究生王钦泽为论文第一作者，韩宾副教授为通讯作者。两项研究成果合作者还包括西安交通大学张琦教授，以及硕士研究生刘志鹏和王泽雨。 文章链接： https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104550 https://doi.org/10.21656/1000-0887.450082 作者简介： 韩宾，西安交通大学机械工程学院长聘副教授，博士生导师，Materials期刊编委、航天制造技术期刊青年编委。从事多功能轻质结构创新设计、先进增材制造技术、复合材料成形及焊接等领域的研究工作。主持承担国家自然科学基金、科技部重点研发计划课题、军工科研项目、省部级科研项目及校企合作项目等30余项。在Int Mater Rev, Compos Part B, Chem Eng J, Compos Sci Technol, Addit Manuf, Virtual Phys Prototy, Energy, Int J Plasticity, Int J Mech Sci, Eng Struct, Mater Design, Compos Struct等权威学术期刊发表论文100余篇（SCI 90余篇），被引3800余次，H因子32；获得授权发明专利40项、软件著作权5项；荣获陕西省科技发明一等奖、陕西省科技进步一等奖、陕西高校科学技术一等奖、陕西博士后创新创业大赛银奖、江苏省力学学会科学技术特等奖等省部级奖励5项。 个人主页： https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/hanbinghost https://scholar.google.com/citations?user=QsyReu0AAAAJ&hl=en&oi=ao ; 张琦，西安交通大学机械工程学院教授，博士生导师。陕西省三秦英才特殊支持计划科技创新领军人才，十四五“增材制造与激光制造”重点专项总体组专家，中国航发科技委专业委员会委员，大飞机增材制造协同创新联盟理事，陕西省机械工程学会理事，机械工程学会塑性工程分会理事。获国防科学技术进步二等奖、陕西省科技发明一等奖、陕西省科技进步一等奖，主持JKW基础加强项目，激光与增材制造重点研发计划，国家自然科学基金，04重大专项，陕西省重点研发计划。发表高水平学术论文120余篇，授权发明专利148项。 个人主页： https://gr.xjtu.edu.cn/web/henryzhang ;
材料界的“变形金刚”？哈尔滨工业大学团队揭示高熵合金在极端环境下的多重强化机制 2025-05-19 【科学背景】 在航空航天、核能及高速碰撞等应用场景中，材料往往面临高应变率与宽温区（从极低温到高温）的双重挑战。传统材料在此类环境下常面临强度下降、塑性丧失甚至失效，而高熵合金因其复杂成分与稳态结构，被认为是解决这一“卡脖子”难题的理想候选材料。然而，其在极端温度与动态加载下的微观机制尚不明晰，限制了其工程化应用。 ; 【创新成果】 近日，哈尔滨工业大学宁志良教授和黄永江教授团队联合奥地利科学院Jürgen Eckert教授（奥地利科学院院士）、香港大学颜庆云教授（英国皇家工程院院士）合作，在国际顶级期刊 International Journal of Plasticity 上发表题为《Deformation behavior and strengthening mechanisms of high-entropy alloys under high strain rate across wide temperature ranges》的研究成果。该论文由哈尔滨工业大学和奥地利科学院ESI材料研究所联合培养博士研究生（联培导师为奥地利科学院院士Jürgen Eckert教授）王克研担任第一作者，宁志良教授、黄永江教授、张彦明博士为通讯作者。 在这项研究中，作者系统考察了具有面心立方结构的CoCrFeNiMn0.75Cu0.25高熵合金在动态加载条件下的力学行为——通过霍普金森拉杆在高达3000 s⁻¹的应变率及93~1073 K进行实验，揭示了其微观强化机制演化：在低温区（93 K）由密集孪晶、层错、Lomer-Cottrell锁及变形带协同提升其强度与塑性；随着温度升高，位错滑移逐渐占据主导，并于873 K发生从局部化到均匀化的宏观变形转变；在高温区（＞873 K）则出现动态回复与不连续动态再结晶，晶粒细化使塑性得以维持在60%以上。该成果不仅阐明了高熵合金在宽温高应变环境下的“生存法则”，也为其在航空航天、核能等极端工况条件下的实际应用提供坚实支撑。 ; 主要亮点 1. 低温（93 K）下，具有体心立方结构的CoCrFeNiMn0.75Cu0.25高熵合金的强度和延展性均较室温提升超30%，这源于多尺度孪晶、位错缠结、变形带与Lomer-Cottrell锁的协同作用； 2. 高温（1073 K）下，尽管发生热软化，动态回复与再结晶形成细化晶粒使CoCrFeNiMn0.75Cu0.25高熵合金延伸率依然保持>60%； 3.明确了873 K为CoCrFeNiMn0.75Cu0.25高熵合金动态力学行为的关键转变温度：宏观形变从局部化转变为均匀化，微观机制也从孪晶主导过渡至热激活的回复与再结晶。 原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2025.104321 ; 图文解析 CoCrFeNiMn0.75Cu0.25高熵合金的初始微观结构，图中通过晶粒取向分布图、X射线衍射和扫描透射电子显微镜元素分布图展示高熵合金具有单一面心立方结构，晶粒尺寸约211 μm且合金元素分布均匀，这表明其在原始态下具有良好的化学均匀性和结构稳定性。 CoCrFeNiMn0.75Cu0.25高熵合金的动态拉伸应力—应变曲线及温度依赖性总结，在93~1073 K、应变率3000 s-1条件下的动态拉伸应力—应变曲线：低温时曲线呈高强度和高延伸率、曲线震荡频率增加；高温时曲线平滑但强度下降。图(b)汇总了屈服强度、极限拉伸强度与延伸率随温度变化趋势，直观揭示了“低温强度与塑性协同提升、高温热软化但塑性依旧优异”的性能演化。 CoCrFeNiMn0.75Cu0.25高熵合金在不同温度下动态拉伸断面的电子背散射衍射分析，（a-d）分别为93 K、298 K、873和1073 K下断面的晶粒取向图，图(a1–d1)为对应的局部平均取向差分布图。在低温条件下，晶粒中出现密集变形带与孪晶结构，局部平均取向差值普遍较高，且高值区域集中，反映出应变在晶粒内呈高度局域化分布。随着温度升高，变形带数量逐渐减少、局部平均取向差的空间分布逐渐趋于均匀，整体取向差水平明显下降，表明发生了明显的动态回复行为。至高温（1073 K）时，晶粒内应变分布更加协调一致，说明宏观形变机制已从低温下的局部集中特征转变为高温下的均匀变形主导。 CoCrFeNiMn0.75Cu0.25高熵合金动态拉伸断口区域的晶粒取向分布图与取向差角分析，该图展示了高熵合金在图（a-d）93 K、298 K、873 K和1073 K下，断口附近微区的晶粒取向图和沿特定方向的取向角剖面变化。在低温（93 K）下，晶粒中存在大量密集孪晶和显著变形带，取向剖面上角度突变频繁，说明塑性高度局域化；随温度升高，变形局域性逐渐减弱，到1073 K时剖面变化趋于平缓，表明宏观变形趋于均匀化，微观机制由孪晶与位错主导逐步转为热激活过程主导。 CoCrFeNiMn0.75Cu0.25高熵合金在93 K极低温下动态拉伸的微观结构演化特征。透射电子显微镜图像揭示，高熵合金内部形成大量密集的主孪晶和二级交叉孪晶，同时观察到位错在剪切带中高度缠结并形成典型的Lomer-Cottrell锁。这些复杂的晶体缺陷共同作用有效抑制了位错滑移和局部软化，实现了强度与塑性性的协同提升，这是低温下体现优异力学性能的关键机制。 CoCrFeNiMn0.75Cu0.25高熵合金在1073 K下的再结晶行为，晶粒取向图中出现新形成的等轴细晶，平均晶粒尺寸明显减小。对应的局部平均取向差分布图显示材料内部错配角度显著降低，局部应变得以释放。在再结晶区域，取向发生突变，沿着剖面线呈现出连续梯度变化，这清晰表明高温下发生不连续动态再结晶。这一过程有效缓解了高温条件下的热软化趋势，是合金能在1073 K依然保持良好塑性的关键机制。 ; 作者简介 王克研（第一作者），哈尔滨工业大学博士研究生，奥地利科学院ESI材料研究所联合培养博士研究生。主要从事高熵合金极端条件下变形和成形、铝合金组织细化和强韧化研究。以第一作者和共同作者在International Journal of Plasticity、Materials Futures、Rare Metals等国际著名学术期刊发表SCI论文13篇，谷歌学术引用250余次，获授权国家发明专利2项。参与国家自然科学基金面上项目的研究工作。 宁志良（通讯作者），教授，博士生导师，哈尔滨工业大学精密热成形全国重点实验室教师。先后主持承担国家自然科学基金面上项目、国家部委基金项目、科技部国际合作项目、黑龙江省科技攻关重点项目20余项。获得省部级科技进步二等奖三项，发表论文140余篇，其中SCI收录80余篇，申报国家发明专利70余项，授权40项。 黄永江（通讯作者），哈尔滨工业大学教授，工学博士，博士生导师，英国皇家学会牛顿学者，黑龙江省高层次人才，中国金属学会非晶合金分会委员，中国热处理行业协会汽车钢分会副理事长。主要从事新型航天金属材料的增材/增减材智能制造、亚稳金属材料（包括非晶合金及其复合材料、轻合金、高熵合金等）、凝固理论及铸造装备、液态金属等方向研究工作。获黑龙江省科技进步二等奖一项，黑龙江省自然科学二等奖一项，黑龙江省高校自然科学一等奖和二等奖各一项。在Advanced Materials，Acta Materialia，International Journal of Plasticity，Additive Manufacturing，Materials Futures，Corrosion Science等国际著名学术杂志上发表SCI收录论文230余篇，被Science等权威杂志引用6230次（单篇最高SCI引用280余次），ESI高被引3篇，2篇论文入选封面论文，1篇论文入选中国知网高影响力论文，1篇论文入选Rare;Metals杂志年度最佳论文，H因子40，申请专利82项，授权55项，担任6个国际期刊编委/青年编委。 ;
南昌大学陈义旺教授团队Nat. Commun. 贫水双电层协同稳定界面工程实现长效水系锌离子电池 2025-05-19 【研究背景】 水系锌离子电池（ZIBs）凭借锌金属电极高理论容量、低电化学电位、资源丰富及低成本等优势，成为大规模储能领域极具竞争力的技术方案。然而，其商业化进程受限于界面问题：锌枝晶不可控生长、化学腐蚀、析氢反应及低锌利用率，导致库仑效率和循环寿命难以达到工业基准。其核心矛盾源于锌阳极界面富水的双电层（EDL）和水分解主导的固体电解质界面（SEI）共同引发的不可逆反应。富水的EDL结构促使水分子与锌表面直接接触，加剧副反应动力学；而传统电解质体系因缺乏有效钝化组分，难以构建稳定的SEI。为弥补不可逆锌损耗，常需大幅增加锌箔用量，直接削弱系统能量密度与经济性。近期研究揭示EDL特性可通过调控界面水活性和Zn²⁺脱溶剂化过程影响SEI形成，但如何通过EDL工程构建长效水屏蔽层及稳定SEI仍是关键科学难题。 针对上述挑战，南昌大学彭钟有博士/谈利承教授/陈义旺教授团队创新性引入微量非离子两亲性聚山梨酯（PS）电解液添加剂，通过协同调控EDL与SEI提升ZIBs界面稳定性。研究表明，PS分子凭借化学吸附作用形成定向排布界面层：其疏水长链向外构筑物理屏障，有效破坏界面氢键网络并抑制水分子活性；亲锌基团则通过配位锚定Zn²⁺迁移通道，维持高效离子传输。该添加剂同时诱导构建有机-无机杂化SEI，促进界面电场均质化分布与锌均匀成核，实现锌（002）晶面择优取向沉积及副反应抑制。基于含PS电解液的Zn||Zn对称电池在1 mA cm⁻²/1 mAh cm⁻²条件下实现8060小时（~336天）超长循环，并在40 mA cm⁻²/40 mAh cm⁻²高工况下稳定运行450小时，性能显著优于传统体系。该工作不仅为锌电极界面化学调控提供新思路，更深化了对水系ZIBs中EDL与SEI协同作用机制的理解。 该研究成果以“Water-shielding electric double layer and stable interphase engineering for durable aqueous zinc-ion batteries”为题发表于国际权威期刊《Nature Communications》，论文第一作者为南昌大学彭钟有助理研究员，通讯作者为南昌大学/江西师范大学陈义旺教授与南昌大学谈利承教授。 【图文导读】 图1 电解液的表征与模拟。a 1 M Zn(OTf)2电解液以及含1 wt% PS的电解液对电解液与锌电极界面化学影响的示意图。b ⁶⁷Zn核磁共振谱，c ¹⁷O核磁共振谱，d 含不同PS浓度电解液的FTIR光谱，以及（e）含不同PS浓度电解液的拉曼光谱。f 含1 wt% PS的电解液MD模拟。g 从MD模拟获取的Zn²⁺-O的径向分布函数和配位数。h 经归一化处理的Zn K XANES光谱。i EXAFS曲线，以及（j）1 M Zn(OTf)2电解液以及含1 wt% PS的电解液的Zn K边XANES的小波变换结果。k 1 M Zn(OTf)2电解液以及含1 wt% PS的电解液Zeta电位。l 1 M Zn(OTf)2电解液在裸锌箔上的接触角（I）、预浸泡在1 M Zn(OTf)2电解液的锌箔上的接触角（III），含1 wt% PS的电解液在裸锌箔上的接触角（II）、预浸泡在含1 wt% PS的电解液锌箔上的接触角（IV）。 图2 PS对Zn2+沉积/剥离行为的影响研究。a 铜电极以及（b）锌电极在1 M Zn(OTf)2电解液以及含1 wt% PS的电解液循环50次的SEM图像。在1 M Zn(OTf)2电解液以及含1 wt% PS的电解液循环50次的锌电极的（c）AFM图以及（d）KPFM图。e锌电极在1 M Zn(OTf)2电解液以及含1 wt% PS的电解液循环50次的2D GIWAXS，以及（f）（002）极图。锌电极在（g）1 M Zn(OTf)2电解液以及（h）含1 wt% PS的电解液循环50次的SECM图像。i 在1 M Zn(OTf)2电解液以及含1 wt% PS的电解液中EQCM结果。 图3 含或不含有PS电解液中锌电极的稳定性及作用机理研究。a H₂O分子和PS分子在不同锌晶面上的吸附能比较。b H₂O分子和PS分子在锌（101）晶面的电荷密度差。c 在1 M Zn(OTf)2电解液以及含1 wt% PS的电解液中锌电极双电层电容。d 阿伦尼乌斯曲线以及活化能的比较。e 锌电极的计时电流曲线。f Zn2+沉积/剥离过程的原位拉曼光谱。g, h Zn2+沉积/剥离过程的原位FTIR光谱，i Zn2+沉积过程的原位光学显微镜图像。Zn||Zn对称电池在（j）1 M Zn(OTf)2电解液以及（k）含1 wt% PS的电解液原位EIS。l 在5 mA/cm²电流密度下锌电极表面实时pH值变化。 图4 稳定的固体电解质界面的结构表征及形成机理研究。锌电极在含有1 wt% PS的电解液中循环50次后的a C 1s，b F 1s，c S 2p和d O 1s的XPS。e 1 M Zn(OTf)2电解液以及（f）含1 wt% PS的电解液中循环50次后锌电极的ToF-SIMS。g 在含有1 wt% PS的电解液中循环50次锌电极的HRTEM图像。h H2O分子和PS分子的LUMO及HOMO等值面。i 1 M Zn(OTf)2电解液和（j）含有1 wt% PS的电解液中，锌电极锌沉积过程模拟电场分布情况。 图5 高稳定及高利用率的锌金属电极。a Zn||Zn对称电池在1 M Zn(OTf)2电解液以及含1 wt% PS的电解液沉积/剥离电化学性能。b, c Zn||Zn对称电池在1 M Zn(OTf)2电解液以及含1 wt% PS的电解液沉积/剥离的倍率性能。d Zn||Cu电池在1 M Zn(OTf)2电解液以及含1 wt% PS的电解液的库仑效率，以及（e）不同循环次数下相应的电压曲线。f Zn||Zn对称电池在含有PS添加剂的不同锌盐电解液中循环电化学性能。g, h本研究与近期文献中电解液改性策略再循环可逆性方面对比分析。 图6 全电池的电化学性能。a 不同电解液的条件下Zn||V₂O₅/rGO全电池的倍率性能。b 不同电解液的条件下Zn||V₂O₅/rGO全电池恒流充放电循环性能。c 本研究制备的电池与已报道的水系锌离子电池的循环性能对比。d, e 在不同电解液条件Zn||V₂O₅/rGO全电池在5 A/g电流密度循环1000次锌电极的SEM图。f 在不同电解液条件全电池Zn²⁺扩散系数。g 不同电解液的条件下全电池自放电行为。h 不同电解液的条件下Zn||V₂O₅/rGO软包电池的循环性能。 【文献信息】 Zhongyou Peng, Shulong Li, Ling Tang, Jinyang Zheng, Licheng Tan*, Yiwang Chen*, Water-shielding electric double layer and stable interphase engineering for durable aqueous zinc-ion batteries, Nat Commun 16, 4490 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59830-y 【相关工作展示】 1.Zhongyou Peng, Ling Tang, Shulong Li, Licheng Tan*, Yiwang Chen*, Strong Replaces Weak: Hydrogen Bond-Anchored Electrolyte Enabling Ultra-Stable and Wide-Temperature Aqueous Zinc-Ion Capacitors. Chem. Int. Ed. 64 (4), e202418242 (1-11) (2025). Hot Paper. 2.Zhongyou Peng, Yuting Huang, Alexander G. Bannov, Shulong Li, Ling Tang, Licheng Tan*, Yiwang Chen*, Regulating oxygen vacancy and coordination environment of manganese dioxides for enhanced high-mass-loading energy storage. Energy Environ. Sci. 17 (10), 3384-3395 (2024). ESI Highly Cited Paper. 3.Zhongyou Peng, Alexander G. Bannov, Shulong Li, Yuting Huang, Ling Tang, Licheng Tan*, Yiwang Chen*, Coupling Uniform Pore Size and Multi‑Chemisorption Sites: Hierarchically Ordered Porous Carbon for Ultra-fast and Large Zinc Ion Storage. Funct. Mater. 33 (40) 2303205 (1-11) (2023).
天津大学分子+研究院陈星课题组JCTC：基于自适应采样加速ReaxFF反应力场优化 2025-05-19 第一作者：李爽 通讯作者：陈星；张伟伟;;;;;;;;; 通讯单位：天津大学分子+研究院；天津工业大学化学工程与技术学院 论文DOI：10.1021/acs.jctc.4c01748;;;;;;;;;;;;;;;;; ; 全文速览：; 团队提出一种基于自适应采样的ReaxFF力场优化策略，突破传统优化方法对初始猜测依赖强、效率低的问题。该方法显著提高了参数优化的效率与精度，并成功模拟铜表面在水作用下的重构机制，与实验结果高度一致，为复杂反应体系的精准建模提供了新方法学支撑。 ; 背景介绍： 分子动力学模拟通过原子尺度的动态演化，揭示材料的微观行为与宏观性能之间的关联，是材料科学与化学研究的核心工具。ReaxFF反应力场因其对化学键动态过程的精确描述，在复杂化学反应体系的模拟中具有独特优势。然而，ReaxFF力场参数优化涉及高维参数空间，传统方法依赖人工经验的初始猜测，优化过程耗时、收敛困难，且易陷入局部最优，限制了其在更广泛体系中的应用。因此，开发一种兼具全局搜索能力和高效性的参数优化方法，已成为提升ReaxFF适用范围的关键。 ; 本文亮点 团队提出了一种基于自适应采样的创新方法，通过生成高质量的初始参数猜测，结合三条优化路线，显著提升了参数优化的效率和精度。这一方法将传统“经验调参”转变为“数据驱动”范式，大幅减少了高维参数空间的搜索量，开发出快速、准确且可靠的ReaxFF力场。 ; 图文解析 在本研究中，针对传统ReaxFF反应力场优化方法（如顺序单参数抛物线外推法）高度依赖初始参数猜测、易陷入局部最优的局限性，研究团队提出了一种自适应采样策略，旨在提高高质量初始参数猜测的识别效率，从而显著增强优化过程的全局性和可靠性。该策略首先对高维参数空间进行均匀采样，随后以确定的最优点附近为重点，通过迭代优化采样区域逐步收敛至高质量初始猜测。整个流程无需大规模采样，仅需较少的初始样点即可生成可靠的初猜，为后续优化提供了坚实的基础。基于这一自适应采样框架，研究团队展示了三种ReaxFF力场参数化策略（见图1）：基于自适应采样的机器学习优化（ASMLopt）、增强自适应采样优化（EASopt）和传统优化（Copt）。 图 1. ReaxFF反应力场参数化示意图。该过程首先通过自适应采样生成高质量的初始猜测，然后采用三种不同的优化方法：(a) ASMLopt方法，该方法集成了自适应采样、机器学习模型训练和蛮力优化，以系统地完善参数空间并获得最佳力场参数；(b) EASopt方法，该方法通过迭代缩小参数空间，直接以总误差最小的参数集为目标；(c) Copt方法，该方法采用传统优化方法，从自适应采样提供的良好初始猜测开始，最终完成力场参数化。 这三种ReaxFF力场优化路线预测的反应能与密度泛函理论（DFT）结果高度一致（见图2）。这一结果充分证明了自适应采样策略在高维参数空间中的稳健性和高精度。 图2. 三种ReaxFF反应力场参数化方法的对比。(a) 通过ASMLopt、EASopt和Copt方法优化得到的ReaxFF反应力场参数。(b) ReaxFF模拟预测的反应能与DFT计算结果的对比。 为检验ASMLopt得到的Cu/H/O力场的场可靠性，团队模拟了H₂O与Cu(001)表面重构过程。通过构建小尺度模型，聚焦关键反应步骤的原子级动态演化。模拟揭示OH首先吸附在表面，诱导局部Cu原子脱离原来位置，随后Cu‑Cu键断裂，拉起的Cu位移至表层上方，与多个OH协同，形成稳定双层“夹心”结构。这一过程与实验HRTEM结果吻合（图 3），证实了ASMLopt优化力场在原子尺度下正确描述化学键断裂与形成、以及表面重构过程。另外，将模型体系扩大，让能够复现实验观测到的三层“亮-暗-亮”特征结构。层间距和层内Cu原子计数曲线与实验数据高度吻合（图4） 图3. 由ReaxFF反应力场分子动力学模拟预测的双层结构形成机制。分别展示在0 ps（I）、3 ps（II）、9 ps（III）和50 ps（IV）时刻的快照图，上方为原子级表示，下方为高分辨透射电子显微镜（HRTEM）表示。 图4. Cu(001)表面与水相互作用的反应机制。(a);ReaxFF反应力场分子动力学模拟中在244ps 时刻的体系快照；(b);对应的Cu表面高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像；(c) 实验中观察到的双层结构，并在右下角对实线框区域进行放大展示；(d) 对 (c) 中虚线框区域的进一步放大，突出其结构细节；(e) ReaxFF反应力场分子动力学模拟得到的不同层中原子数随时间变化的趋势。 ; 总结与展望 本研究提出了一种自适应采样方法，通过高效识别高质量初始参数猜测，成功克服了高维参数空间中ReaxFF反应力场优化的核心挑战，包括初始猜测依赖性强、收敛慢及易陷入局部最优等问题。利用该方法结合三种参数化策略为快速、可靠地开发高精度ReaxFF力场提供了强大的工具。研究通过H₂O与Cu(001)表面重构的模拟验证了力场的精度和稳定性，模拟结果在小至大尺度体系中均与实验数据高度一致。这一工作为催化过程、界面化学反应及材料行为的纳米尺度高精度建模奠定了方法学基础，展现了广泛的应用前景。 ; 文献信息： 论文原文：Boosting ReaxFF Reactive Force Field Optimization with Adaptive Sampling， Shuang Li, Siyuan Yang, Sibing Chen, Wei Zheng, Zejian Dong, Langli Luo, Weiwei Zhang*, Xing Chen* J. Chem. Theory Comput.;2025, 21, 9, 4652–4660. ; TOC图 课题组介绍 第一作者简介：李爽，天津大学分子+研究院2023级博士研究生。 通讯作者简介：陈星，天津大学分子+研究院教授，曾就读于厦门大学和瑞典皇家工学院，在瑞典皇家工学院和美国宾夕法尼亚州立大学从事博士后研究并晋升为助理研究教授。主要从事纳米尺度下多场耦合调控材料性质的研究。 课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/xingchen 通讯作者简介：张伟伟，天津工业大学化学工程与技术学院研究员，中国科学技术大学理学博士，在美国宾夕法尼亚州立大学开展博士后研究。主要从事ReaxFF反应力场及机器学习势等方法的交叉融合研究，聚焦复杂体系中的物理化学过程。 课题组主页：https://wwzhangxmu.wixsite.com/homepage ;
面向多通道加密光通信应用的硅基Se0.25Te0.75薄膜光电二极管阵列 2025-05-19 ; 大数据时代信息量的爆炸性增长对通信系统的数据吞吐量和可靠性提出了前所未有的挑战。光通信系统凭借其在长距离、高速、大容量数据传输中的显著优势，成为满足现代通信需求的理想选择。然而，开放的光无线通信环境中，数据传输面临严重的窃听风险。攻击者可能通过扩散效应、散射、或利用非视距通道设置衍射镜来窃取信号，甚至通过捕捉散射光来进行信息窃取，因此信息加密尤为重要。 传统的加密模块主要以软件算法为基础，逐渐被先进的计算机系统或人工智能所威胁，以光电探测器作为光信号接收器的物理加密备受关注。现有的加密策略中，单一的窄带或宽带探测器只能实现“0-1”信号或“OR”门信号的传输，加密等级较低。近年来，随着双极响应机制的发现和电可调谐双带探测器的开发，推动了双光路安全通信系统的发展。该技术通过利用不同波长的光分别携带目标信号和干扰信号，并通过偏置电压实现对双波段光电探测器的通道切换和解码，从而提升了加密等级。然而，这一技术仅限于两个固定通道，且在大规模通信和高吞吐量数据传输中，仍面临较大的扩展性挑战。 电子科技大学王军教授、于贺副教授等提出了一种基于偏压选择性配置的多通道光信号传输、加密和接收一体化加密技术。我们首次采用磁控溅射技术实现了Se0.25Te0.75薄膜的晶圆级生长，并设计和研制了基于该薄膜的硅基异质结近红外光电探测器单元及16×16阵列器件。该光电探测器对不同波长光源的响应可以通过调节偏压进行配置。与现有双极探测器加密方法相比，本策略利用光电流为零时的临界偏压作为密钥，这一临界偏压随着入射波长的变化而动态调整，支持多光束同步入射，从而实现预先标定。偏压与波长之间的独特依赖关系形成了迭代加密效应，显著提升了加密信号的隐蔽性和安全性。 实验结果表明，三通道加密系统显著提升了加密效果：图像熵增为1.3，相关系数为0.069，较双通道加密方案显著增强了加密强度，进一步提升通道数和阵列规模可持续增强加密强度。本研究为光通信领域的加密技术提供了全新的发展思路，并为自动驾驶、物联网等多领域应用提供了巨大的前景。相关成果以”Bias Configurable;Se0.25Te0.75/Si Photodiode Array for Multi-Channel Encrypted Communication”为题发表在Advanced Functional Materials期刊。 论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202425559 ;;; ; 图1 信息加密应用展示和材料生长表征;(a) 多通道像素级图像加密策略功能展示 (b) Se0.25Te0.75薄膜的晶圆级制备与实物照片 (c) Se0.25Te0.75薄膜TEM表征结果 (d) XPS表征结果 (e) 拉曼光谱表征结果 (f) XRD表征结果 (g) 可见光-近红外吸收表征结果 图2 (a) 异质结能带结构示意图 (b) 1064nm波长入射下光电流与光功率关系曲线 (c) 1064 nm通讯波段光源入射下器件的I-t曲线 (d) 1310 nm通讯波段光源入射下器件的I-t曲线(e) 器件NEP噪声特性 (f) 器件响应度R和比探测率D*随光强变化曲线 (g);16×16阵列器件实物照片 (h) 阵列器件成像示意图 图3器件结构与偏压依赖的光电流极性切换机制示意图 图4 双通道图像加密策略与解密成像效果 图5 多通道图像加密策略与解密成像效果
100%利用率，全固态锂硫电池最新Science！ 2025-05-19 一、【科学背景】 与现有的锂离子电池相比，全固态锂硫电池（ASSLSBs）具有显著提高的能量密度、安全性和成本效益和低供应链风险而备受关注。尽管固态电解质（SSEs）的室温离子电导率已取得进展，但电池性能仍受限于电极-SSE界面的电荷传输和化学机械稳定性。硫的电子和离子导电性差、体积膨胀大（约80%），导致循环后固-固界面的化学机械失效。目前改善ASSLSB电池性能的策略包括纳米结构主体、催化剂、添加剂、掺杂、原子层沉积涂层和新的SSE。尽管已经取得了进步，但这些方法仍然存在界面离子传输缓慢的问题，导致硫利用率低（≤80%）和循环寿命不足。 二、【创新成果】 基于以上难题，美国阿贡国家实验室徐桂良研究员、Khalil Amine教授等人在Science上发表了题为“Halide segregation to boost all-solid-state lithium-chalcogen batteries”的论文，报道了在各种含卤素的固态电解质和高能量硫族化合物正极材料之间，通过超高转速（UHS）混合过程中的机械化学反应实现的界面处卤化物的普遍分离现象。具体的，受混合卤化物钙钛矿太阳能电池中光诱导相分离的启发，研究人员观察到在一系列含卤素的SSEs和高能量硫族（S、Se、SeS2、Te）正极材料之间，通过2000 rpm的超高转速混合实现了普遍的卤化物分离。UHS混合产生的热冲击和剪切破碎的协同效应，使得在混合过程中能够诱导机械化学反应，从而实现从含卤素的SSEs中分离卤化物，并在正极颗粒上均匀沉积。这种结构增强了电荷传输动力学，提高了界面稳定性，并减轻了固态电池的机械故障。使用低温透射电子显微镜和同步辐射X射线衍射和光谱技术证实了卤化物偏析的形成和有效性。制备的各种ASSLSBs在商业水平的面积容量下表现出接近100%的硫利用率和非凡的循环稳定性。 三、【图文解析】 图1; 各种复合S/LPSCl/C正极的结构分析 © 2025 AAAS 图2; 通用卤化物偏析的冷冻TEM验证 © 2025 AAAS 图3; ASSLSBs的电化学性能 © 2025 AAAS 图4; UHS混合复合硫正极的循环后分析 © 2025 AAAS ; 四、【科学启迪】 综上，本研究通过超高速混合实现的卤化物分离是一种有效的界面工程策略，能够显著提升ASSLSBs的性能。卤化物分离形成的界面层不仅增强了离子传输，还抑制了正极材料的体积变化和副反应，从而实现了接近100%的硫利用率和长循环稳定性（在2 mg cm⁻²的硫负载量下，经过450个循环后，比容量保持率为93.2%；在4 mg cm⁻²的硫负载量和1.4 mA cm⁻²的电流密度下，初始放电比容量为6.35 mA·h cm⁻²，450个循环后容量保持率为80%）。这种策略不仅适用于硫正极，还可以扩展到其他硫族元素正极材料，具有广泛的适用性。该研究为全固态电池的界面设计提供了新的思路，未来可以进一步优化阳极界面设计和固态电解质工程，以开发出更高能量密度和更长寿命的ASSLSBs。 原文详情：Halide segregation to boost all-solid-state lithium-chalcogen batteries (Science 2025, 388, 724-729, DOI: 10.1126/science.adt1882) 本文由大兵哥供稿。
电子科技大学蒋亚东/王军/于贺AM：用于低延迟高精度手势识别与交互技术的硅基半金属异质结宽带探测器 2025-05-19 非接触式手势识别构成了一个自然用户界面，极大地改变了人类与日常技术互动的方式。目前的非接触式手势识别系统通常受到高延迟或环境干扰（湿度、光线等）的限制，导致用户界面的低流畅度和低鲁棒性。 为此，电子科技大学蒋亚东教授团队提出一种新策略，设计并研制高灵敏高速硅基半金属异质结光电探测器实现手势精准识别和高流畅人机交互界面。该工作结合异质结能带结构设计和TCAD仿真有效调控异质结势垒，获得最优器件结构参数，结合材料的垂直取向择优生长和垂直异质结设计，实现了室温高灵敏（D* ~1012）、超宽光谱(405-10.6μm)、快响应（μs量级）的探测器研制。基于器件对手部红外辐射的高灵敏高速感知，开发了一种低延迟、高精度、低能耗、全天候非接触手势交互系统，并实现了昼夜、佩戴手套、高湿度等多场景下的快速连击、轨迹追踪、网页缩放、开关控制等复杂操作功能。博士研究生练芸路为论文第一作者，于贺副教授、廖宇龙研究员和王军教授为共同通讯作者。电子科技大学电子薄膜与集成器件全国重点实验室为论文唯一单位。 图1 红外手势识别与交互系统 (IGRIS)的应用场景展示 图2 PtSe2/Si 异质结的能带结构建模与实验研究 图3 Gr/PtSe2/Si异质结探测器性能 图4 探测器响应速度与光通信技术应用研究 图5 IGRIS在不同场景下的应用验证 文献信息 Band Alignment Semimetal Heterojunction-Based Ultrabroadband Photodetector for Noncontact Gesture Interaction with Low Latency (Adv. Mater., 2024, DOI: 10.1002/adma.202404336) 文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202404336
Nature：新型催化剂 90%效率 2000小时寿命 2025-05-19 EPFL胡喜乐研究团队针对高温（800°C）固体氧化物电解池（SOEC）中二氧化碳电还原效率低、寿命短的问题，开发了一种新型催化剂：Sm₂O₃掺杂CeO₂（SDC）封装的Co-Ni合金（Co₀.₅Ni₀.₅@SDC）。通过优化合金成分与封装结构设计，该催化剂在800°°C下进行高温CO2转CO转化，1 A cm⁻²电流密度下实现了90%的能量效率和2000小时以上的超长寿命，其对CO的选择性约为100%，单次转化率可达90%。研究结合实验表征（如XPS、XANES、原位电化学阻抗谱）和理论计算（DFT），揭示了其高活性与稳定性的机制，即金属-氧化物界面增强CO₂吸附，同时合金成分抑制焦炭形成与金属团聚，突破了传统催化剂在活性与稳定性之间的权衡。研究成果以Encapsulated Co–Ni alloy boosts high-temperature CO2 electroreduction为题发表于Nature。 主要创新点 1.封装结构设计： 将Co-Ni合金核心包裹在SDC壳层中，有效抑制高温下金属颗粒团聚和焦炭沉积。通过SDC的高氧离子传导性，促进三相界面（CO₂、催化剂、电解质）的反应动力学。 2.合金成分优化： 发现Co/Ni摩尔比为0.5:0.5时性能最佳，平衡了CO₂吸附强度与CO脱附能力，避免产物中毒。合金化协同调控电子结构，增强电荷转移，提升催化活性。 3.性能突破： 在工业级电流密度（1 A cm⁻²）下，能量效率达90%（传统催化剂<70%），寿命超2000小时（传统<200小时）。单程CO产率高达90%，且无需额外氢气源，简化系统设计。 图1：高温二氧化碳电还原的示意图。 图2 ：二氧化碳电还原性能。 图3：特征描述。 图4：运作机制 论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08978-0 ;
京都大学《Acta Materialia》双相钢的晶粒细化使马氏体的变形能力最大化，导致强度和塑性同时提高 2025-05-16 ; 导读：双相钢 （ DP钢）是一种由软铁素体和硬马氏体组成的新型高强度钢，具有优异的强韧性和低成本，研究发现，组织细化不仅能提高DP钢的屈服强度，还能改善其应变硬化性能，从而提高强度和延展性。数字图像相关（DIC）分析表明，软铁素体中的应变比硬马氏体中的应变更集中，但DP组织的细化减小了平均应变的差异铁素体和马氏体的混合，避免了铁素体中的裂纹萌生，导致了大的延展性。因此，DP组织的细化通过铁素体/马氏体界面的增加增强变形约束而在马氏体中诱导更多的塑性变形。拉伸变形过程中的原位中子衍射实验定量地表明，硬马氏体比软铁素体承受更高的相应力，组织得到细化利用μ-DIC和原位中子衍射获得的应变/应力分配结果，首次成功地建立了铁素体和马氏体的应力-应变曲线，合理地解释了细晶钢的强塑性协同效应。DP组织的细化强化了两相间的变形约束，使马氏体的变形能力最大化。本文的研究结果可应用于一般的软组织组成的异质结构材料和硬域以克服强度-延展性折衷关系。 双相钢（DP）是由铁素体和马氏体组成的钢，由于其优异的强度和塑性组合以及较低的制造成本而被广泛应用于汽车工业中，通过铁素体和马氏体的协同变形来实现良好的力学性能平衡，在塑性变形中起着独特的作用。人们认为，软铁素体主要负责塑性，而硬马氏体支持DP钢的强度。然而，这样的理解太容易了。实际上，双相钢通常具有由铁素体和马氏体组成的不同形态的复杂组织，包括两相（铁素体和马氏体）的分数、强度（硬度）、分布和晶粒尺寸的差异，所有这些都显著影响双相钢的整体力学性能。应当指出，两个阶段具有不同力学性能的双相钢（铁素体和马氏体）必须协同变形。为了全面了解具有这种显微组织的双相钢的变形本质，在微观组织尺度上研究局部变形特征是十分必要的。最近的研究表明，DP钢的局部变形行为随相分布而发生很大变化。与孤立分布的马氏体组织相比，在单个铁素体晶粒周围呈链状分布的马氏体组织具有更均匀的变形，其高的塑性可归因于其微观组织中的均匀变形。此外，据报道，DP钢的晶粒细化提高了强度，但没有显著损失延展性，因为其增强了应变硬化能力。然而，DP结构中晶粒细化促进的这种上级应变硬化特性的科学起源仍不清楚。通过晶粒细化而增强的应变硬化能力被认为是DP结构以及其他类型的异质结构材料的独特特征，因为在大多数情况下，单相金属材料不表现出通过晶粒细化而增加的应变硬化能力。定量描述变形不均匀性将是揭示高应变起源的关键研究，硬化能力和DP钢中晶粒细化所带来的优异的强度-延展性平衡。 本研究使用微尺度数字图像相关（μ-DIC）方法和变形过程中的原位中子衍射来阐明由软铁素体和硬马氏体组成的DP钢的变形行为。DIC方法允许分别测量铁素体和马氏体区域的局部应变。能够理解具有不同晶粒尺寸的DP钢中铁素体和马氏体之间的应变分配行为。变形过程中的原位中子衍射实验，评估内部应力（由弹性应变计算）。DIC方法与In-S方法相结合，原位中子衍射实验将为全面了解双相钢中两相的变形作用提供巨大的协同作用。根据本研究中获得的应变和应力分配结果，讨论了每个组成相的变形作用和DP钢中晶粒细化所实现的优异机械性能的科学起源。 以上研究以“Grain refinement of dual phase steel maximizes deformation ability of; martensite, leading to simultaneous enhancement of strength and ductility”发表在Acta Materialia上 链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645425003519 图1. 制备具有不同铁素体晶粒尺寸的铁素体-马氏体DP组织的两种不同热处理路线。首先在本发明的低碳钢中获得铁素体-珠光体组织作为基础组织，然后制备铁素体-马氏体DP组织。在路线（1）中，采用不同的等温淬火温度控制铁素体晶粒尺寸（950;℃和830;℃）。在路线（2）中，铁素体晶粒的进一步晶粒细化是通过四个-两条路线都以740;°;C的亚温退火完成，以获得铁素体-马氏体DP结构。 ; 图2. 平均铁素体晶粒尺寸为58.3;μm、8.2;μm和4.1;μm的低碳铁素体-马氏体双相（DP）钢试样的显微组织和纳米硬度特性。（a）DP试样的SEM-EBSD图像质量（IQ）图显示了不同晶粒尺寸的显微组织。在IQ图中，马氏体由于其较高的晶格缺陷密度而显得比铁素体更暗。（b）SPM上重叠的纳米压痕硬度彩色图（扫描探针显微镜）相同区域的图像，右侧的曲线图显示了两个相的平均纳米硬度值。 ; 图3. （a）具有不同铁素体晶粒尺寸的DP试样的工程应力-应变曲线，在8.3;×;10- 4s-1的准静态初始应变速率下进行的室温单轴拉伸试验中，方形符号表示应变硬化率与真实S-S曲线的交叉点，对应于塑性不稳定的开始。 ; 图4. 通过数字图像相关（DIC）技术评估的拉伸试样在变形过程中的局部应变演变。（a）DIC-拉伸试样中的局部应变分布图，平均铁素体晶粒尺寸为58.3;μm、8.2;μm和4.1;μm，总体工程应变（e）为4%、8%、15.5%和20%。拉伸轴平行于图像中的垂直方向，并且颜色编码图根据所提供的应变颜色条表示局部位置处的von-Mises等效应变值。（B）最高局部等效应变（ ）作为整体工程应变（e）的函数绘制。数据点（ ）对应于拉伸破坏前确定的最大应变局部化位置。黑线表示理想的均匀变形（ =; （=ln（1 + e）））。 ; 图5. 局部应变分布与显微组织重叠（左列和中列）和显示铁素体或马氏体相内局部应变的直方图（右列）通过μ-DIC分析获得（a）粗粒度（58.3;μm），（b）中等粒度（8.2;μm），（c）细粒（4.1;μm）DP样本拉伸变形至约7.5%中列显示了左列图像中由白色虚线矩形包围的区域的放大图。在中间一栏的放大图中，铁素体/马氏体边界用白色线标出，标记F和M分别表示铁素体和马氏体区域。 ; 图6. 应变分配结果。铁素体或马氏体相的平均应变通过μ-DIC分析获得的相应变（phase strain）作为整个DIC映射区域的平均应变的函数绘制。数据涵盖了广泛的全局拉伸应变范围：在均匀延伸率范围内，CG试样的伸长率为0%~ 11.8%，MG试样的伸长率为15.2%，FG试样的伸长率为15.3（约9%工程应变），整个映射区域的平均应变与试样的整体拉伸应变匹配良好。黑色直线表示当相应变等于全球平均应变。 ; 图7. 拉伸变形至约12%拉伸工程应变的DP钢CG（58.3;μm）和FG（4.1;μm）试样的μ-DIC分析结果。上图：CG试样的局部应变图与显微组织重叠。F和M分别表示铁素体和马氏体相。观察到的微裂纹由白色箭头指示。中间图：FG试样的局部应变图重叠在微观结构上。CG和FG试样局部应变图中沿沿着的局部应变分布，以相同比例绘制为距离的函数。红色和蓝色曲线对应于CG和FG试样的局部应变分布，（有关本图例中颜色的解释，请参阅本文的网页版本。） ; 图8. 用于分析拉伸变形过程中铁素体和马氏体内应力演变的原位中子衍射。（a）在J-PARC进行的原位中子衍射实验示意图（日本质子加速器研究综合体）（材料和生命科学实验设施）束线-19 TAKUMI。实验装置涉及入射中子束之间的特定角度对准，下图显示了在拉伸变形之前和拉伸变形期间，分别在0 MPa和771 MPa的外部应力下的衍射峰轮廓的实际示例，（b）在（0 MPa）之前和（771 MPa）期间（110）面的放大衍射峰轮廓在（a）中由检测器1检测出的与拉伸轴垂直的（110）面的衍射峰被显示，对（110）峰进行峰拟合分析，分离为铁素体和马氏体的两个不同的峰。 ; 图9. 在拉伸变形过程中从原位中子衍射实验获得的应力分配结果。铁素体（F）和马氏体（M）的相应力（由每个相承受的内部（弹性）应力）的变化作为拉伸变形中外部施加应力的函数绘制。数据绘制至各试件的整体均匀伸长，黑色虚线表示外加应力与相应力之间的等应力线。 ; 图10. 晶粒尺寸为58.3;μm（CG）、8.2;μm（MG）和4.1;μm（FG）的DP试样的边界特征。（a）铁素体/铁素体（F/F）边界（蓝色）和铁素体/马氏体（F/M）边界（橙子）的边界分数和（B）边界密度（有关本图例中颜色的解释，请参阅本文的网页版本。 ; 图11. 两个阶段的应力-应变曲线重建（铁素体和马氏体），从μ-DIC分析获得的相位应变实现（图6）和相应力的原位中子实验（图8）（a）显示如何重建应力的示意图-在给定的总应力下，由两个阶段的平均应变和应力得到每个阶段的应变曲线。通过组合不同拉伸变形下的这些数据点，（b）将铁素体和马氏体的应力-应变曲线与整个DP试样的应力-应变曲线一起重建，圆圈符号表示铁素体、马氏体、以及具有三种不同平均铁素体晶粒尺寸的DP组织中原始DP曲线上拉伸应变为5%的点。（c）DP钢的CG、MG和FG试样中铁素体（左）和马氏体（右）的应变硬化速率曲线，通过对重构的真应力-应变曲线进行微分，得到应变硬化曲线与应力-应变曲线的交点，用正方形符号表示，该交点对应于塑性失稳点，图中的（i）铁素体区或（ii）马氏体区的黄色区域被放大（如需解释此图形图例中对颜色的引用，请读者参阅本文的网络版本。）。 本文采用数字图像相关分析（DIC）和原位中子衍射实验，系统分析了不同平均晶粒尺寸的马氏体包围铁素体的网络状铁素体-马氏体双相（DP）钢拉伸变形过程中的力学性能和局部变形行为，主要结论如下： (1)铁素体-马氏体双相组织，马氏体包围铁素体呈网络状，平均晶粒尺寸为58.3;μm（粗粒，CG），8.2;μm（中等粒度，MG）和4.1;μm（细粒度，FG）的马氏体相含量相近（~ 43%），且为纳米级。压痕测量证实，马氏体始终具有比铁素体更高的硬度，对于任一相观察到的硬度没有显著的晶粒尺寸依赖性。 (2)晶粒细化显著提高了DP组织在室温拉伸变形中的强度和塑性，尤其是提高了均匀后延伸率，DIC应变分布分析表明，晶粒细化的DP组织（平均铁素体晶粒尺寸为4.1;μm）有效地延缓了颈缩区的颈缩进程，从而提高了均匀后延伸率。 (3)μ-DIC分析表明，随着平均铁素体晶粒尺寸的减小，DP组织中的变形变得更加均匀，即硬马氏体开始承受更多的塑性应变，这表明变形约束的增加（由于铁素体/马氏体界面的增加）变形均匀化降低了铁素体的应变局部化和裂纹萌生，这解释了具有更细微观结构的DP钢的拉伸韧性的改善。 (4)形变过程中马氏体比铁素体承受更高的相应力（内弹性应力），组织细化使马氏体内应力显著增加，这是由于铁素体/马氏体界面的增加对形变的约束作用;马氏体内相应力的增加提高了形变硬化速率，延缓了细晶DP钢塑性失稳的发生。 (5)在目前的研究中获得的DP钢的结果提供了有价值的见解的一般策略设计异质结构材料组成的软、硬域，旨在管理高强度和大的延展性。
北京理工大学最新Nature：锂离子电池内部危险信号的无线传输与精准预警 2025-05-15 北京理工大学最新Nature：锂离子电池内部危险信号的无线传输与精准预警 温华 ; 一、 【科学背景】 近年来，锂离子电池（LIBs）作为核心能源载体，在电动汽车、可再生能源储能及便携电子设备中广泛应用，但其安全性问题因能量密度提升与规模化应用而日益严峻；据国际能源署（IEA）统计，2020至2024年仅电动汽车领域便累计报告超9,000起电池起火或爆炸事故，凸显热失控与机械失效的致命风险。当前主流的电池健康监测技术多依赖外部参数（如表面温度、电压波动）间接推断内部状态，但卷绕结构（jelly-roll）内部的非均匀温度场与机械应力分布难以被传统方法捕捉，导致预警滞后。 近年来，学术界尝试通过植入式传感器（如光纤光栅、柔性薄膜传感器）直接监测内部信号，然而这些方案常需破坏电池密封结构，引发电解液泄漏或金属壳体电磁屏蔽问题，且传感器在强腐蚀性电解液中易失效，寿命不足百次循环；此外，X射线断层扫描（XRD-CT）等无损检测技术虽能提供高分辨率图像，却无法实时在线监测，成本高昂且设备庞大，难以商业化应用。作者团队前期在植入式传感领域已取得重要突破，开发了耐腐蚀薄膜传感器（2022年）与低功耗无线传输芯片（2023年），通过优化封装工艺将传感器厚度压缩至50微米，初步验证了其在18650圆柱电池中的可行性，但早期版本仍存在信号传输稳定性不足、制造成本偏高（占电池总成本15%）等问题。 针对上述挑战，本研究在前期成果基础上，创新性地采用电源线通信技术，将信号调制为极耳上的微幅载波，结合频移键控（FSK）与纠错算法，突破金属壳体的电磁屏蔽限制，同时通过“类极耳”设计使传感器与电极结构兼容，无需额外修改制造流程，最终实现了全生命周期内（>1,000次循环）对卷绕结构内部温度与应变的精准无线监测，为高安全智能电池的设计树立了新标杆。 ; 二、 【科学贡献】 今日，北京理工大学宋维力教授、孙磊、陈浩森课题组，在最新Nature上发表了题为“Wireless transmission of internal hazard signals in Li-ion batteries”的论文。本工作提出一种微型化植入式传感系统，通过厚度仅50微米的薄膜传感器与15×13.5×3立方毫米的无线通信芯片集成，在不影响电池性能（容量损失<8%）的前提下，实现了卷绕结构内部温度与应变信号的实时监测与无线传输；该系统利用电源线通信技术，将信号调制为微小波动通过电池极耳传输，结合频移键控调制与纠错算法，成功克服电磁干扰与电解液腐蚀问题；通过建立几何依赖的内部短路（ISC）模型与膨胀模型，可定量分析热熔断（thermal fusing）与热失控行为，定位电极断裂位置，并在热失控发生前15分钟发出预警，为商业化电池提供了经济（成本占比约5%）、兼容制造工艺的解决方案。 图1 展示植入式传感系统的结构、电池循环性能对比及经济性分析，凸显其非侵入式设计和高兼容性 © 2025 Springer Nature Limited 图2 通过棱柱形与圆柱形电池的实时内部信号监测数据，揭示不同结构电池的温度与应变演化差异及解耦方法© 2025 Springer Nature Limited 图3 结合实验与仿真，定位圆柱电池电极断裂位置，验证应变传感器在机械失效检测中的有效性© 2024 Springer Nature Limited 图4 基于内部温度信号，区分局部短路与全局热失控，确立短路面积与电极面积比（α）作为热失控强度的定量指标© 2025 Springer Nature Limited ; 图一展示了植入式传感系统的整体架构与性能验证，通过对比集成传感系统的棱柱电池与原始电池的循环容量保持率（93.74% vs. 94.57%）及成本占比（约5%），凸显其非侵入式设计对电池寿命和经济性的双重优势；图二通过棱柱形与圆柱形电池在充放电过程中的实时监测数据，揭示了二者内部温度与应变演化的显著差异——棱柱电池应变主要由热膨胀主导，而圆柱电池则受石墨相变影响更显著，并基于应变解耦模型量化了电化学与热力学应变的贡献比例；图三聚焦圆柱电池机械失效检测，结合实验测量与仿真模拟，定位了电极断裂的高风险区域（如外层近钢壳处应变达846微应变），并利用反向传播神经网络（BPNN）成功预测预置断裂位置，验证了应变传感器在失效定位中的可靠性；图四则通过棱柱电池内部短路（ISC）实验，建立短路面积与电极面积比（α）的临界阈值（0.00037-0.0005），区分局部热熔断（α<阈值时快速自愈）与全局热失控（α>阈值时持续升温至350℃），内部温度信号较表面参数提前15分钟触发预警，为热失效分级响应提供了定量依据。 ; 三、【科学启迪】 总之，本文通过开发微型化、低功耗的植入式传感系统，成功实现了锂离子电池内部温度与应变信号的实时无线监测，为电池安全预警与失效定位提供了突破性解决方案。实验表明，该系统以非侵入式设计兼容现有电池制造工艺，在1000次循环中容量损失仅8%，且成本占比控制在5%以内，显著优于传统光纤传感器或X射线断层扫描技术；通过解耦电化学-热力学应变模型，揭示了棱柱电池与圆柱电池内部机械响应的本质差异——前者受热膨胀主导，后者则因石墨相变与卷绕结构约束呈现显著应变分层现象，为优化电池结构设计提供了关键数据支撑。在热失效预警方面，系统以内部温度信号为核心，建立了短路面积与电极面积比（α）的临界阈值（0.00037-0.0005），可提前15分钟识别局部短路与全局热失控的分界点，较传统表面温度监测的35秒预警窗口实现了量级提升。同时，结合反向传播神经网络（BPNN）对预置电极断裂的精准定位（误差<5%），验证了应变信号在机械失效诊断中的高灵敏度，填补了现有电池管理系统（BMS）依赖电压/电流参数的监测盲区。 展望未来，该技术有望推动锂离子电池从“被动防护”向“主动预警”的范式转变，但仍需在多维度深化研究：其一，需进一步优化传感器布局策略，针对不同电池构型（如叠片式、刀片电池）开发定制化植入方案，以覆盖更复杂的内部失效模式；其二，探索多物理场耦合监测，融合气体析出、局部阻抗等参数，构建多维故障特征数据库，结合深度学习算法提升预警准确率；其三，需验证系统在极端工况（如低温快充、高倍率循环）下的长期稳定性，尤其在电解液持续浸润环境中传感器的抗老化性能仍需万次循环级验证；其四，推动标准化进程，制定无线信号频段、数据传输协议等行业规范，解决大规模储能系统中数千电芯并行监测的信号干扰问题。此外，该技术可延伸至固态电池、钠离子电池等新兴体系，通过实时监测界面应力演化助力电极-电解质结构优化。随着物联网与数字孪生技术的发展，此类植入式传感系统或将成为构建电池“全生命周期数字指纹”的核心组件，为智能电网、电动汽车提供更安全、更高效的能源管理基座。 ; 原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08785-7 ;
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