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研究进展

工程钢部分氧化的紫磷实现高压宏观超润滑性 2024-05-17 提出了1种通过部分氧化的紫磷（oVP）的润滑和催化作用实现工程钢宏观油基高压超润滑性的新方法。扩展了紫磷（VP）在工程中的应用领域，并为基于其氧化调节的超润滑机制的本质提供了基本的见解。研究背景：1、超润滑性是1种润滑状态，在这种状态下，摩擦力几乎消失（COF≤0.01），在滑动接触界面处具有超低的能量耗散和接近零的磨损，对于机械应用中的高效率、强稳定性、长寿命和环境保护至关重要。2、固体超润滑通常在各种限制条件完成，例如真空或惰性气氛、微米或纳米尺度、卓越的晶体质量和特定的表面结构。因此，液体超润滑性有望成为环境条件下实际应用的更可行的策略。3、在环境条件下，在工程钢表面上实现油基高压超润滑仍然很困难，其中界面最大应力被维持在200~400 MPa。部分氧化的黑磷在工程钢表面实现了油基宏观超润滑，但其承载能力仍然有限（大部分≤660MPa）。因此，开发新型工程钢副超级润滑剂，探索耐高压油基超级润滑机理，对于将其理论和应用推广到更多的机械设备中，具有重要意义。4、紫磷（VP）是1种独特的交叉结构二维纳米材料，具有高强度和高韧性，其杨氏模量（1512±76 N m−1）远远超过其他二维纳米结构，VP纳米片作为摩擦润滑剂，具有巨大的潜力，其优点在于具有显著的机械变形阻力、良好的减摩性能，以及在滑动过程中易于发生化学吸附反应形成润滑摩擦膜的磷活性元素。但目前含有VP的油润滑系统仍然难以实现最低摩擦系数为0.014的超润滑。研究思路：通过在聚α-烯烃（PAO）油环境中使用部分氧化的紫磷（oVP）纳米片作为极压（EP）添加剂，以少量油酸（OA）作为油性改进剂来提供碳源，考察宏观和微观摩擦学特性，并对摩擦表面的形貌和组成进行了表征和分析，对比分析证实，在钢-DLC滑动界面实现了最高压力高达810MPa的宏观超润滑。主要结论：1、在OA较少的PAO油环境中制备的oVP纳米片可以在高负载压力（>800 MPa）下在工程钢表面实现宏观超润滑性。2、oVP-PAO油润滑钢- dlc摩擦副的COF可降至0.0064，且磨损小。3、由于VP纳米添加剂的活性氧化作用，在工程钢表面产生的主要由磷氧化物和无定形碳组成的可靠化学摩擦膜和预沉积在配对表面上的DLC膜经历了局部石墨化转变，两者都抑制了原始微凸体之间的直接接触，并提供了超低的剪切强度。4、流体动润滑和边界润滑在实现高压界面的超润滑性中起着至关重要的作用。 ;文章信息：1、X Yi Zhang, Hao Chen, Kai Gao, Yunze Li, Jianguo Jiao, Guoxin Xie＊, Jianbin Luo＊. Macroscale Superlubricity with High Pressure Enabled by Partially Oxidized Violet Phosphorus for Engineering Steel [J]. Advanced Functional Materials，First published: 09 May 2024.https://doi.org/10.1002/adfm.2024011432、作者团队来自清华大学高端装备摩擦学国家重点实验室和北京科学技术研究院新材料与先进制造研究所。

重离子辐照对石墨烯纳米片（GNSs）摩擦的影响：对航空润滑的启示 2024-05-16 石墨烯纳米片（GNSs）具有非凡的导电性、非凡的强度和卓越的润滑性，非常适合航空航天应用。GNS被广泛用作航空发动机轴承、输送链和导电滑环的润滑材料。然而，缺陷会阻碍GNS的摩擦性能，并导致其机械性能的显著变化。因此，在航空航天领域，必须全面了解缺陷诱导摩擦的能量耗散机制，并探索提高GNS性能和耐久性的有效策略。本研究通过重离子辐照引入缺陷，利用拉曼光谱和原子力显微镜表征和评估了GNSs在不同辐照通量下的摩擦行为，并分析了不同辐照通量条件下的摩擦响应。所获得的结果表明，随着辐照通量的增加，GNSs的摩擦系数和能量耗散都有所增加。这一发现为航空航天工业解决辐照缺陷引起的摩擦挑战提供了宝贵的见解，并为开发基于GNSs的先进材料铺平了道路。研究背景：1、GNS 具有极低的摩擦阻力，非常适合航空航天和机械工程领域的润滑应用。与其他二维材料相比，GNS在大气条件下表现出更高的稳定性，并降低了对环境因素的敏感性。因此，有必要对GNS材料的摩擦机理进行进一步的研究。2、目前，研究人员正在研究各种用于太空环境的润滑剂，以有效应对摩擦和磨损带来的挑战。GNS已成为一种常见的润滑剂材料，在航空航天工业中得到了广泛的应用。3、与地面环境相比，空间环境呈现出更大的复杂性，其特点是紫外线辐射、高真空、高氧化性氧原子和高能离子辐照等因素。这些因素不可避免地会影响 GNS 的功能、性能和寿命，从而显著影响航空材料的可靠性。大量研究表明，重离子辐照对用于空间润滑的材料所表现出的摩擦行为产生了深远的影响。研究思路：重离子辐照是指通过施加高能重离子束对材料进行加速辐照。该过程将重离子流释放到材料中，导致其电子结构和物理化学性质的改变。该技术可以通过调整离子辐照参数来操纵缺陷尺寸和密度。本研究中采用可控重离子辐照对GNS进行有意诱导缺陷，采用拉曼光谱对样品进行分析，并跟踪不同剂量的重离子辐照引起的缺陷，从而确定GNS的缺陷密度。随后，利用原子力显微镜检查了摩擦变化与重离子辐照引起的缺陷之间的相关性，揭示了微观摩擦和粘附行为的见解。最终旨在阐明GNS在各种重离子辐照下的摩擦行为，以期更深入地了解重离子辐照如何影响GNS的机械性能以及航空航天领域GNS材料的整体可靠性。主要结论：1、GNSs的ID/IG比随着离子剂量的增加而增加，这意味着缺陷密度逐渐增加。缺陷的出现导致GNS的附着力和表面粗糙度增强，导致摩擦增加。2、在不同的扫描速度下，具有不同辐照通量的GNS的能量损失随着扫描速度的增加而增加，并且接收到的辐照通量越大，能量损失随扫描速度的变化就越大。同样，GNSs在不同辐照通量下的摩擦力也随着针头扫描速度的增加而增加。文章信息：1、Xinyi Yu, Hongli Li, Xinchen Gao, Muhammad Chhattal, Qingkai Zheng, Wenchao Wu, Zhenbin Gong*, Nong Wang*, and Jiande Liu. Effect of Heavy Ion Irradiation on Friction of GNSs: Implications for Aerospace Lubrication[J]. ACS Appl. Nano Mater., 2024, Publication Date:May 10, 2024.https://doi.org/10.1021/acsanm.4c016562、作者团队来自兰州交通大学化学与生物工程学院、中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室和中国科学院近代物理研究所。

AM：超耐用全寿命超疏水复合块体材料 2024-05-15 研究背景：1、超疏水材料主要通过作用于材料或器件表面形成“保护层”来实现其应用价值，在自清洁、防冰、防腐等诸多领域可以发挥非常独特的应用潜力。因此，它们直接面临来自应用环境的各种应力，通常集中在机械磨损、热冲击、和化学腐蚀，但其机械稳定性较差，其中，日常生活和生产中不可避免的机械磨损被认为是超疏水材料失效的最常见原因。2、通过独特的结构设计提高机械稳定性一直被认为是超疏水材料大规模工业应用的可靠保障。先前的研究主要集中在主动再生和被动抵抗策略，然而，这些策略只能解决部分问题，确保超疏水材料的耐久性并增加其对各种机械力的抵抗力仍然是1个重大挑战。研究思路：提出了1种新的策略来加强刚性微骨架和纳米填料之间的协同支持，以确保整个结构的鲁棒性和连续的超疏水性。具体来说，通过将近零收缩二氧化硅气凝胶嵌入刚性铁镍泡沫中并随后进行氟改性而制成超疏水复合块。这种相互支持的结构使所制备的超疏水复合块具有竞争能力，以实现特定的抗压强度和耐磨性。主要结论：1、首次展示了协同保护设计，以实现全寿命超疏水材料的高抗压强度和超低磨损。这一进展可以解决传统超疏水表面无法承受持久机械应力的功能失效问题。2、通过填充接近零的收缩型超疏水性二氧化硅气凝胶，复合块的抗压强度可以将铁镍泡沫的强度从~0.9 MPa提高到~7.4 MPa，其泰伯尔耐磨性也达到了前所未有的88 183 r/mm，甚至超过了CS-10橡胶砂轮的耐磨性（~6,849 r/mm）。3、复合块独特的非均匀润湿性不仅具有沙漠甲虫高效集水的特性，而且在过冷度为40 K时，利用微骨架的热通道和纳米填料的绝热性，可使WHR提高32.2%。这种协同保护设计将为制造在复杂环境中持久应用的超疏水材料提供新的策略。文章信息：1、Shanlin Wang, Zhimeng Zhao, Qiang Yu, Pengfei Li, Fei Zhou, Chao Xu, Xiaofeng Zhao, Yuancheng Teng. Superdurable Full-Life Superhydrophobic Composite Block [J]. Advanced Materials，2024, Publication Date: 08 May 2024.https://doi.org/10.1002/adma.2024038532、作者团队来自西南科技大学材料与化学学院环境友好型能源材料国家重点实验室和哈尔滨工业大学分析测量与计算中心。

有效的水下减阻：受蝴蝶翼鳞片启发的超疏水表面 2024-05-14 研究背景：1、当超疏水表面浸入水中时，微观结构之间形成的气液界面（GLI）有效地降低了流动阻力，从而在水下航行器、液滴撞击和管道运输中得到广泛采用。受自然界中生物表面的独特特性和润湿行为的启发，已成功开发出各种先进的仿生SHS来降低摩擦阻力。2、微结构的超疏水表面是降低水下航行器阻力的替代策略，但在流动剪切或高压下，滞留空气层的维持和相应气液界面在纹理中的稳定性仍然是1个巨大的挑战。研究思路：受黑絹斑蝶（Parantica melaneus）的启发，提出了1种仿生的超疏水分层结构表面，该表面由纵向脊和规则的空腔组成，可在水动环境中保留GLI。该策略使用三维（3D）打印和聚二甲基硅氧烷（PDMS）转印在各种基材上方便地实现。通过在封闭通道和明渠流动环境下进行阻力测量，全面评估了蝶翼鳞状表面（BWSLS）和其他典型微结构表面的水下减阻性能。详细研究了Poiseuille流动特性和气体膜在不同表面的固定效应，从微观角度阐明了BWSLS降低趋肤力的机制。此外，还研究了循环加压下气膜的耗尽调控，证明了稳定的气膜在BWSLS上的优势。主要结论：1、提出了1种由平行脊组成的分层结构表面，底部有1个模仿蝴蝶翅膀鳞片的空腔阵列，这增强了减阻效果和气膜稳定性。2、综合研究了BWSLS在明闭流下的减阻性能，由于分层结构的气体滞留能力提高，BWSLS的最大减阻率达到20.56%，比单结构表面提高了6.4%。通过对流场的分析，进一步阐明了地表气膜与二次涡旋协同作用的减阻机理。研究发现，BWSLS的分级结构可以捕获更多的气体并固定GLI，从而促进界面滑移并降低流动阻力，并且分级结构内次级涡旋的发展有效地降低了表面涡度和能量耗散。3、BWSLS在模拟过程中的滑移速度达到58.959 mm/s，最高滑移长度为4.34 μm，比单一结构表面高出30%以上，证实了BWSLS具有出色的减阻效果。该仿真评估了BWSLS的最大减阻潜力，这可以通过未来加工技术的进步来实现。4、在高静水压力等恶劣环境中，BWSLS增强了GLI稳定性，气体覆盖率比单一结构表面提高了13.5%，表明BWSLS在深水中可能表现出优越的性能。本研究揭示了仿生SHSs的设计与制备，为超疏水减阻表面在海洋工程、微通道等各个领域的应用奠定了理论和实验基础。在复杂流动条件下，如高雷诺数与多相流相结合，气液界面的减阻性能和稳定性仍有待进一步研究。文章信息：1、Yangmin Chen, Yue Hu, and Lu-Wen Zhang*. Effective Underwater Drag Reduction: A Butterfly Wing Scale-Inspired Superhydrophobic Surface[J]. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2024, Publication Date:May 7, 2024.https://doi.org/10.1021/acsami.4c042722、作者团队来自上海交通大学海洋与土木工程学院工程力学系。

NRM（IF 83.5）综述：强韧性水凝胶的设计原则 2024-05-13 研究背景：1、水凝胶是1种交联的固体和液体组分的结合体，类似于人体的软组织，是一种很有前途的材料，可用于组织工程中的支架、医用植入物或伤口敷料。许多应用需要水凝胶承受机械载荷，并在静态或循环载荷条件下抵抗失效。材料的宏观破坏源于细小缺陷的生长。抗缺陷扩展的能力-韧性-与材料的断裂能相关，断裂能是每单位面积裂纹扩展所需的能量。通常，承载生物组织具有高韧性。例如，骨骼肌的典型断裂能为~2.5 kJ m−2，软骨断裂能为~1 kJ m−2，肌腱断裂能为20~30 kJ m−2。然而，传统的合成水凝胶是由单个不均匀的亲水聚合物网络组成的，通常非常弱，具有低断裂能(<10 J m−2)。这种较差的机械性能极大地限制了这种水凝胶的应用。除了韧性外，弹性模量E(刚度)、断裂强度σf(强度)、断裂拉伸比λf(变形能力)和疲劳阈值也是重要的力学参数。对于1个简单的聚合物网络材料，这些力学性能是相互关联和冲突的。弹性模量和强度的增加导致变形能力、断裂能和疲劳阈值的降低。2、由于水凝胶是在水(溶剂)中膨胀的聚合物网络，因此这些力学参数与水凝胶的膨胀比λs密切相关。在平衡溶胀时，溶胀率由渗透压和网络弹性的平衡决定。因此，在不牺牲模量和强度的情况下设计和开发高韧性水凝胶是1个挑战。3、传统水凝胶力学性能差的原因是由于其固有的几个特点。一是聚合物密度分布和交联点之间聚合物链长的网络不均匀性。因此，水凝胶在加载时容易受到应力集中的影响，从而引发裂缝。另一种是由于缺乏能量耗散机制造成的橡胶样弹性，导致抗裂纹扩展的阻力低。此外，传统的水凝胶通常含有丰富的水分。较低的承载固相量进一步导致了弱而脆弱的力学性能。4、自2000年代以来，机械强度和韧性的水凝胶的发展导致了软材料研究和我们对其破坏机制的理解的重要进展。通过结构组分改善水凝胶力学性能的主要策略可分为三类：设计拓扑结构，如滑环凝胶、均匀四臂凝胶和高度纠缠凝胶，使应力分布在单网络体系中;通过牺牲键引入能量耗散机制，如双网络(DN)水凝胶和双交联水凝胶；高阶结构的引入，如微相分离，微晶体，和纤维或织物。从力学动力学的角度来看，在共同的观察窗口中，它们可以分为弹性水凝胶和黏弹性水凝胶，分别是应变速率无关的和依赖的。5、抗疲劳性——即在循环载荷下的长期稳定性——对于人工软骨等一些应用至关重要。自2017年的初步工作以来，抗疲劳机制的研究和抗疲劳水凝胶的开发引起了人们的极大兴趣。已经提出了许多抗疲劳设计策略。对于弹性凝胶，这些策略涉及分子水平的调节，如延长聚合物链，增加缠结，以及展开或降解交联剂。对于黏弹性凝胶，已经提出了中尺度改性，如微相分离、微晶化和原纤维，以及纳米复合物。具有分级结构的凝胶的疲劳阈值大大提高，解决了模量和疲劳阈值之间的冲突。6、经过近二十年的努力，目前水凝胶的断裂能和疲劳阈值可达到~200 kJ m−2和~10 kJ m−2。弹性模量从亚兆帕斯卡到数百兆帕斯卡，强度从亚兆帕斯卡到数十兆帕斯卡，拉伸比从几十兆帕斯卡到几百兆帕斯卡。7、受生物系统的启发，人们努力开发自愈水凝胶和各向异性水凝胶。与其他固体材料不同，水凝胶对小分子是可渗透的。因此，水凝胶可以作为1个开放的系统来开发机械触发的新网络生长。基于机械化学机制的自生长和强化水凝胶也引起了人们的关注，用于开发适应周围环境的材料，类似于生物系统。研究思路：鉴于水凝胶溶胀和溶胀特性的重要性，以及水凝胶在液体介质中处于溶胀平衡状态的实际需要，本文从溶胀和溶胀的角度探讨了获得高力学性能的设计策略。首先使用1个基本的水凝胶模型来阐明分子结构和膨胀或溶胀对力学性能的影响，包括弹性模量、延伸性、强度、韧性和抗疲劳性。然后，讨论了获得坚韧水凝胶的主要设计策略，随后讨论了开发抗疲劳水凝胶的进展以及了解其潜在机制。文中重点介绍了最近开发的具有组织样自生长特性的自增强水凝胶的策略。最后，强调了发展非弹性断裂力学理论的挑战和趋势，以捕捉大变形行为和下一代坚韧水凝胶的实际生物应用。设计策略：1、在实践中，水凝胶在合成后浸入水中时通常会发生溶胀。理论部分中描述的模型水凝胶的参考状态可以对应于合成的水凝胶。水凝胶在平衡状态下的溶胀比λs由聚合物-溶剂（水）混合自由能产生的渗透压和水凝胶的网络弹性之间的平衡决定，这可以用lory−Rehner理论来描述。2、通常，由中性聚合物制成的水凝胶表现出适度的溶胀，导致溶胀时的弹性模量降低。相反，聚电解质水凝胶，其中来自Donnan平衡的离子渗透压导致纯水中的过度溶胀，导致E随着溶胀而增加。当聚合物链之间可以形成物理键时，水凝胶在合成后会去溶胀。3、对于溶胀凝胶（λ>1 s），平衡λs随着Nx的增加而增加，而对于去溶胀凝胶（波长<1 s）来说，平衡λs几乎不依赖于Nx。Nx随着化学交联剂密度的增加而减小。溶胀水凝胶通常表现出可忽略不计的链间相互作用的弹性行为。另一方面，去溶胀水凝胶通常表现出黏弹性行为，因为聚合物链之间的物理键。需要注意的是，这些模式也有例外。这篇综述的重点是讨论这两种典型的模式。结论与展望：1、自2000年代以来，人们提出了各种成功的坚韧水凝胶设计，加强了水凝胶作为有前途的软湿材料的地位，特别是在生物医学领域。然而，基础科学和工程方面的挑战仍然限制了它们在现实生活中的应用。从基本的角度来看，断裂力学的前沿理论是针对非线性弹性材料，假设不依赖于应变速率。然而，与大多数生物组织一样，具有动态键的水凝胶具有强烈的应变速率依赖性。此外，具有相对强的动态键的水凝胶表现出加载历史依赖性，从而导致更丰富和更复杂的力学行为。需要新的理论和实验方法来理解与这种非线性黏弹性效应相关的增韧和抗疲劳机制。在理解材料的动态方面和分子机制方面取得的进展将有助于材料开发中新结构的设计。2、从工程的角度来看，开发具有与特定生物组织相匹配的综合力学性能的水凝胶是必不可少的。目前，加载引起的软化、大量的应力松弛和大的磁滞回线是韧性水凝胶的主要力学特征。在水凝胶中引入类似蛋白质的链内折叠结构可能是制造具有快速滞后恢复的水凝胶的未来策略。此外，还需要解决与生物相容性和生物化学稳定性相关的问题，以确保植入的水凝胶人工组织能够保持其结构和功能。由于水凝胶是1个开放的系统，当水凝胶被植入体内时，它们可能在长期使用过程中与各种矿物质和生物分子相互作用。3、使用生物聚合物作为组分或设计具有功能蛋白氨基酸单体序列的共聚物可能是解决这一问题的可能策略。对于后者，分子设计，特别是通过蛋白质结构的机器学习，以及对所设计的单体序列的精确控制是关键的挑战。4、坚韧的水凝胶带来了承载应用之外的新机遇。因为它们是开放系统，可以被小分子渗透，所以坚韧的水凝胶很有希望成为利用机械能驱动化学反应的力催化材料。作为概念的证明，坚韧的DN水凝胶可以使基于机械化学的代谢类活性物质的开发成为可能。这些新材料可以通过在机械加载过程中提供特定的单体来实现自增强、自生长或形态发生等功能。开发这种自适应材料——其结构在载荷作用下经历反复破坏和重建——面临的挑战包括去除被破坏的残留物和保持DN的内部断裂特征，这对材料在多次加载循环后的再生至关重要。对于前者，使用可逆化学反应途径可能是1种解决方案，而对于后者，从根本上理解内部破坏和重组的机制是关键。探索软材料的这一新领域需要在断裂力学、聚合物物理和聚合物化学方面进行跨学科研究。文章信息：1、Xueyu Li , Jian Ping Gong. Design principles for strong and tough hydrogels[J].Nature Reviews Materials ( IF 83.5 ) Pub Date : 2024-05-07. DOI: 10.1038/s41578-024-00672-32、作者团队来自日本札幌北海道大学高级生命科学学院软质和湿质实验室和日本札幌北海道大学化学反应设计与发现研究所。

利用生物精炼法从富含油脂的Brackish Coelastrella sp.中合成生物润滑剂 2024-05-11 研究背景：1、矿物油润滑剂会污染环境，含有重金属，有毒且不易生物降解。因此，必须将替代生物基或生物润滑剂与矿物油润滑剂一起使用，以减少基于矿物油的润滑剂产生的污染。2、生物润滑剂具有相当大的市场份额，并在汽车和工业应用中广泛使用，由经过化学改性或添加剂添加的陆生植物的油制成。与陆生植物相比，咸水或海洋微藻利用较少的耕地，淡水足迹较低。因此，它们是生产生物润滑剂的潜在原料来源。研究思路：本研究的第一个目标是筛选有前途的海洋/咸水微藻的脂质和类胡萝卜素产量。第二个目标是从微咸微藻生物质中提取色素和脂质，然后使用两种技术将微藻脂质部分转化为生物润滑剂：（1）使用三羟甲基丙烷（TMP）进行酯交换和（2）加入乙烯醋酸乙烯酯（EVA）共聚物。最终目标是利用生物精炼方法将微藻油分离成饱和和不饱和脂质部分，并评估由微藻油的饱和脂肪酸（SFA）部分生产的 EVA 添加生物润滑剂的物理化学和摩擦学特性。主要结论：1、在这项研究中，根据脂质、色素的存在和收获的易用性，从8种海洋微藻菌株的初步筛选中选择了3种海洋微藻菌株，即 Tetraselmis sp.、Chlorocystis sp. 和 Coelastrella sp.。2、由这些大规模养殖产生的微藻生物质制成的生物润滑剂具有混合特性；然而，这些生物润滑剂的特性不仅彼此相似，而且与生物润滑剂相当——由食用和非食用植物油原料制成。3、Coelastrella sp.因其高脂质和色素含量而被选为最有潜力生产生物润滑剂的物种。在生物精炼方法中，色素、大部分不饱和脂肪酸和剩余的生物质作为副产物从Coelastrella sp.生物质中分离出来。将Coelastrella sp.的饱和脂肪酸组分转化为TMP三酯生物润滑剂和EVA添加生物润滑剂；与TMP三酯相比，添加EVA的生物润滑剂表现出更高的热稳定性、运动黏度和黏度指数。4、增加 Coelastrella sp. 制成的生物润滑剂中 EVA 的比例可以显著减少金属磨损，并改善润滑性，使基于微藻的生物润滑剂成为传统矿物油基润滑剂的替代品。 ;文章信息：1、Shoyeb Khan, Probir Das*, Ahmed Bahgat Radwan, Mahmoud Thaher, Mohammed Abdulquadir, Mohamed Faisal, Peter Kasak, Alaa H Hawari, and Hareb Al-Jabri. Biolubricant Synthesis by Additization and Chemical Modification from Lipid-Rich Brackish Coelastrella sp. Using a Biorefinery Approach[J]. ACS Sustainable Chem. Eng. 2024, Publication Date:May 3, 2024.https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.3c083242、作者团队来自卡塔尔大学艺术与科学学院可持续发展中心藻类技术项目。

深度学习可对跳跃液滴冷凝和结霜进行综合评估 2024-05-10 研究背景：1、超疏水性跳跃液滴冷凝和结霜在各种工程应用中具有巨大潜力，如发电、电子器件的热点冷却、海水淡化等，从传热工艺到防雾/霜冻技术，在家庭与工业中得到了广泛的应用。2、跳跃液滴凝结在超疏水表面，其特点是液滴频繁周期性成核、生长和聚结诱导跳跃，使传热效率高，抗冻性能好。由于传热和结霜过程主要由液滴-液滴、液滴-表面相互作用决定，监测液滴的动态行为有助于了解冷凝和结霜，并测量传热系数和结霜率。由于液滴行为的频率高、液滴尺寸的跨尺度分布以及表面形态的多样性，监测此类液滴具有挑战性。3、基于深度学习的检测方法取得了重大突破并已应用于检测硅纳米线表面的液滴。但这些方法仍然难以在没有人工监督的情况下准确监测动态聚结引起的跳跃和结霜行为。此外，对各种超疏水表面，尤其是具有微观结构的表面，也缺乏适应性。另外如何减少训练这些模型所产生的海量标记数据，以减轻工作量，都存在挑战。研究思路：提出1种新型的半监督框架，可以有效地识别冷凝液滴，并区分不同超疏水表面上的动态液滴跳跃和结霜行为。所提出的框架仅使用最少量的标记数据，特别是约500个标记液滴，150个聚结诱导的跳跃液滴和每个表面10个磨砂区域，表现出了非凡的性能。此外，该方法还可以计算不同表面上跳跃液滴冷凝和结霜的关键参数，例如液滴生长速率、结霜率、热通量和跳跃概率。值得注意的是，该框架表现出出色的适应性，可以在大约 100 个标记液滴的帮助下快速调整新的照明技术以及新的表面。这种方法为高效和通用的液滴行为分析铺平了道路，为了解和优化超疏水表面在各种应用中的冷凝性能提供了1个有效的平台。。主要结论：1、提出了1个半监督液滴检测和霜冻分割框架，该框架利用标记和未标记的数据来准确监测不同表面上的液滴生长、聚结、跳跃和结霜行为。该方法能够量化瞬态液滴分布、动态生长速率曲线、热通量曲线和霜的蔓延速率，这对于理解液滴行为和优化材料设计至关重要。该方法在各种环境条件下表现出高度的适应性和精度，在实际应用中具有相当大的前景。此外，分析了影响不同表面跳跃概率的因素，并构建了呈现液滴跳跃性能的跳跃特征图。显然，该算法擅长捕捉液滴行为，从而更深入地理解液滴跳跃和结霜机制。2、该方法为基于深度学习的凝聚研究提供了数据准备。一方面，跳跃概率由合并的液滴参数（尺度、失配、空间分布）和液滴-表面相互作用（黏附能）决定；因此，通过拟合跳跃事件，可以建立黏附能和液滴聚结动能的定量模型。另一方面，液滴的生长速率提供了蒸汽速度场的边界条件，从而实现了温度场和压力场的可视化。应用前景：半监督液滴检测方法在有效监测液滴分布以及计算各种表面形态和照明技术中的热通量和跳跃特征方面具有巨大的潜力。该框架仅依赖于少量的注释数据，并且可以有效地适应具有不同表面形态和照明技术的新冷凝条件。这种适应性有利于优化表面设计，以增强冷凝、传热和防冻性能。该研究介绍的框架是1个强大的工具，可以优化具有高冷凝效率和抗冻性能的材料设计，预计这项技术可能会在材料科学、能源和环境工程各个领域产生重大影响。 ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;文章信息：1、Li Chen, Diwei Shi, Xinyue Kang, Chen Ma*, and Quanshui Zheng*. Deep Learning Enabled Comprehensive Evaluation of Jumping-Droplet Condensation and Frosting [J]. ACS Applied Engineering Materials, Publication Date: May 1, 2024. https://doi.org/10.1021/acsami.4c009762、作者团队来自清华大学工程力学系、深圳清华大学研究院材料研究专业和西北工业大学民航学院。

Carbon：从分散到网络—石墨烯增强钛基复合材料中增强体的分布 2024-05-09 研究背景：1、为了提高复合材料的综合性能以适应极端工况，钛基复合材料(TMCs)得到了开发。石墨烯及其衍生物由于具有超高强度(极限强度约130 GPa)、低密度、超常模量(约1 TPa)和大比面积(约2 630 m2/g)，被认为是金属基复合材料(MMCs)中最具吸引力的增强材料。2、分散在TMCs中的石墨烯纳米片(GNPs)可以细化基体晶粒，同时保持魏氏显微组织，有效地阻碍位错运动，从而提高复合材料的力学性能。但随着GNPs的增加，位错的严重积累和过度产生的TiC往往导致TMCs的延展性恶化。3、以网络化分布为代表的钛基体近年来成为研究热点。现有的研究已经就石墨烯及其衍生物在TMCs上的强化达成了共识。然而，关于石墨烯对TMC延展性的影响，目前研究研究结果相互矛盾，因此阐明其延展性行为差异迫在眉睫。研究思路：为了探索增强材料从分散向网络化转变所引起的微观结构演变以及延展性行为，基于核壳粉末制备了不同GNPs含量的GNP/Ti64。阐明了设计补强分布和调整基体微观结构对GNP/Ti64复合材料力学性能、微观结构形态和断裂特性的协同作用，并系统地研究了其强化增韧机制。该研究通过调节配筋分布和调整基体微观结构，为研究强延性匹配良好的GNPs增强TMC的多尺度微观结构演变提供了进一步的见解。主要结论：1、利用机械剥离原位合成核壳结构粉末，然后进行火花等离子烧结，成功制备出延展性可控的石墨烯纳米片(GNPs)增强Ti6Al4V复合材料(GNPs/Ti64)。2、随着GNP的增加，钢筋分布逐渐从分散向网络化转变。同时，微观结构从Widmanst¨atten演变为等轴组织，其中等轴α晶粒的比例稳步上升，从而导致强度单调增加和延展性双峰分布。3、GNP/Ti64复合材料强度的显著提高表现为晶粒细化、固溶、有效载荷传递和位错强化，其中载荷传递和晶粒细化占主导地位。4、GNP/Ti64复合材料的延展性随着GNP的增加呈双峰分布，晶粒细化是第一个峰值的主要原因，而第二个峰值主要由网状增强体的协调变形能力和微观结构的等轴化驱动。5、0.70wt%的GNP/Ti64复合材料表现出优异的韧性，这主要归因于相对较高的应变硬化能力、GNP的桥接和载荷传递，以及等轴微观结构。这些因素主要归因于具有网络化分布的TiC GNP TiC增强。文章信息：1、Qihang Zhou, Mabao Liu, Wei Zhang, Zheng Zhang, Yang Sun, Weijia Ren, Jiarui Wei, Pengfei Wu, Shuan Ma. The distribution of reinforcements in titanium matrix composites enhanced with graphene: From dispersed to networked[J].Carbon,Volume 226,2024,119204,ISSN 0008-6223.https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119204.(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622324004238)2、作者团队来自西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室、教育部多功能材料与结构重点实验室、西安工业大学工程力学系、中国电子科技大学分析测试中心和清华大学新型陶瓷与精细加工国家重点实验室。

拉伸载荷作用下天然铝表面涂层的断裂趋势预测 2024-05-08 研究背景：铝金属暴露于大气中时会形成1层天然保护涂层，如氧化铝或氢氧化物，这些天然存在的保护涂层比其下面的金属更稳定，从而降低或阻止了后续腐蚀速度。因此，了解这些涂层机械失效的条件有望为铝部件寿命预测模型提供重要帮助。研究思路：基于应力腐蚀开裂（SCC）预测模型及分子动力学（MD）研究，开发了1个基于单轴“拉伸试验”的MD模拟建模框架，使用ReaxFFMD来研究易形成铝表面涂层γ-Al2O3和γ-Al(OH)3的断裂行为。首先通过与实验和DFT计算的直接比较，评估了这种ReaxFF变体在描述γ-Al2O3和γ-Al(OH)3完美晶体的结构和弹性力学性能方面的准确性。然后，将该框架应用于预测这些材料的应力-应变曲线和极限抗拉强度，作为缺陷类型/密度、加载条件、加载速率和温度的函数。主要结论：1、相较于完美单晶，缺陷对氧化铝的强度有显著影响，晶界降低了失效应变，使εzz从0.300 降低至 0.219。2、孔隙率会降低氧化物的弹性刚度和屈服强度，发现5%、10%和20%的孔隙率因子分别将屈服应力降低了26%、36%和53%。3、通过MD模拟预测，在拉伸单轴应变载荷作用下，完美氢氧化物和氧化物单晶的失效应变分别为0.08和0.31，相应的屈服应力分别为1.6和11.1 GPa。这些数据表明，氢氧化物比氧化物更容易发生机械故障。4、高温和潮湿的条件有利于形成氢氧化物和缺陷氧化物涂层。同时，文献中描述的宏观机械测试表明，增加老化条件的侵蚀性（例如，增加温度和湿度）会导致铝零件的机械强度降低。文章信息：1、Jeremy A. Scher*, Brandon Foley, Maxwell Murialdo, Yue Hao, Tae Wook Heo, Stephen E. Weitzner, Sylvie Aubry, and Matthew P. Kroonblawd*. Predicted Fracture Tendency of Naturally Occurring Aluminum Surface Coatings under Tensile Loading [J]. ACS Applied Engineering Materials, Publication Date:May 4, 2024. https://doi.org/10.1021/acsami.3c188402、作者团队来自美国加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室。

JACS：接触界面微观压力的分子探测 2024-05-07 研究意义：从交通运输到高精度技术和地震学，在许多情况下，获得对纳米级摩擦的深入了解并能够将其转化为现实世界系统中的宏观摩擦行为至关重要。这项研究中提出的方法为在纳米和宏观层面统一对摩擦的理解提供了1种很有前途的方法，该方法可以将对表面粗糙度起关键作用的纳米级模型系统和实际情况的摩擦研究联系起来。研究背景：1、更深入地了解相对复杂的几何形状（例如接触中的粗糙表面）中的摩擦界面可以极大地影响日常系统的设计。2、在比较纳米尺度和宏观尺度时，摩擦系数、压力和粘附力等参数通常表现出明显的不一致，因此尚不清楚如何使用纳米级摩擦测量来推断有关宏观摩擦的一些东西。为了能够描述摩擦接触在滑动开始时是如何断裂的，并且能够桥接尺度，测量多孔系统中的微观属性（例如，局部剪切应力、局部压力）和微观接触面积非常重要。3、利用光物理特性，将探针引入接触界面，接触提供限制，虽然能够以亚微米分辨率可视化真实的接触面积和纳米黏度，但仍然明显缺乏能够提供直接的局部尺度力测量的方法，这对于理解摩擦至关重要。研究思路：提出了1种使用染料对局部法向压力成像的方法，该染料通过吸收光谱和荧光光谱的位移对压力做出响应。允许使用机械变色法直接探测局部力的荧光技术被广泛应用于聚合物系统的研究中。力影响下的颜色变化可能源于几种物理效应，从晶体和聚集体中分子间相互作用的变化到键断裂（机械化学），以及影响分子颜色的更渐进的构象变化。值得注意的是，大多数这些研究通常通过在本体材料内化学交联探针来检测本体中的拉伸应力。在这里，使用荧光显微镜和新设计的表面固定化探针来绘制粗糙聚合物珠粒和光滑玻璃表面之间机械接触的实际接触面积和局部压力。外力导致发色团的供电子部分和受电子部分之间的二面角减小。因此，吸收带红移并变得更强，这可以在荧光成像中通过在吸收带的红色边缘激发来探测。因此，荧光强度图像将包含关于界面处的局部接触压力的信息。主要结论：1、在这项工作中，引入了1种新的方法，使用荧光显微镜同时显示微观真实接触面积和局部压力。使用1种探针分子，它具有扭曲的基态，当暴露于不断增加的静态接触压力时，会经历渐进的平坦化。这种基态几何变化导致激发光谱的变色移，并伴随着吸光度的增强。通过荧光显微镜，能够通过在仔细选择的波长下间接探测吸收变化来定量评估接触面积。设计的1个关键方面是沿着扭曲坐标的低能量屏障，这可以通过相对较小的力来克服。2、计算和实验都表明，各向同性静水压力的影响与界面处对方向压力的敏感性之间存在差异；后者引起更大程度的平坦化。将不同法向力下的接触图像与模拟图像进行比较，揭示了荧光法测量实际接触面积的精度。通过实现像素到像素的比较，确定测量的局部强度表现出对局部压力的线性依赖性。因此，当比较粗糙聚合物珠粒与完全光滑表面的实验压力分布时，我们发现粗糙接触表现出更宽的压力分布，峰值明显高于其光滑表面。3、观察到的变化表明，接触面积的演变、断开接触所需的局部剪切力以及由此产生的宏观摩擦系数在很大程度上受到初始压力分布和切向载荷应用的影响。影响宏观摩擦系数的关键因素仍然是摩擦学中争论的话题。在绘制压力分布图的同时研究与粗糙度相关的摩擦系数可以提供进一步的见解。此外，研究不同材料和与时间相关的切向载荷的接触面积如何随着时间的推移而减少，可能会提供信息。 ;文章信息：1、Chao-Chun Hsu*, Allen Chu-Hsiang Hsu, Chun-Yen Lin, Ken-Tsung Wong, Daniel Bonn, and Albert M. Brouwer*. Molecular Probing of the Microscopic Pressure at Contact Interfaces[J]. J. Am. Chem. Soc., 2024,Publication Date:May 2, 2024. https://doi.org/10.1021/jacs.4c013122、作者团队来自荷兰阿姆斯特丹大学范霍夫分子科学研究所和国立台湾大学化学系中央研究院原子与分子科学研究所。

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