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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

Corrosion Science|德国汉堡工业大学|LLM 破解镁腐蚀缓蚀剂预测难题，小样本超越传统机器学习 2026-04-07 ; 标题:;Large language models predicting the corrosion inhibition efficiency of magnesium dissolution modulators DOI:;https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.113080 工作亮点 一、方法创新：提出LLM 小样本预测框架，攻克镁合金缓蚀效率数据稀缺建模难题 首次将通用大语言模型（GPT‑4o/o1/o3‑mini）用于镁合金 ZE41 缓蚀效率预测，仅依托分子名称、SMILES 字符串与少量描述符即可完成建模，无需复杂特征工程；对比化学专用 LLM 与传统神经网络，依托大模型预训练化学知识实现上下文推理，在75 样本极小数据集下规避过拟合，突破腐蚀领域数据匮乏、传统模型依赖大规模标注数据的核心瓶颈。 二、性能突破：GPT‑4o 预测精度全面领先，小样本超越传统机器学习 基线在 RMSE、MAE、皮尔逊相关系数三大指标上，GPT‑4o 配合预分析提示 + 分子描述符输入实现最优表现，MAE 低至 43.4、相关系数达 85.8%，较传统 MLP 基线误差显著降低、相关性大幅提升；o1、o3‑mini 等推理型大模型对提示依赖性低，未优化 prompt 即可超越基线，在小样本化学腐蚀预测任务中实现性能跨越式突破。 三、价值创新：通用大模型赋能腐蚀材料筛选，建立低成本高效筛选新范式 无需针对腐蚀领域微调大模型，仅通过提示工程即可挖掘分子结构‑缓蚀性能关联规律；验证通用 LLM 在材料腐蚀领域的强泛化能力，大幅减少实验量与数据采集成本，形成 “分子信息输入 — 提示工程优化 —LLM 预测 — 候选剂筛选” 的轻量化流程，为镁合金缓蚀剂快速开发、有机腐蚀调节剂高通量筛选提供可落地、高效率的 AI 新范式。 ; 图文解析 01 图1.不同评估指标下基线结果的概览。 MLP 结果引自Schiessler等人[38]的研究。相关性指标反映预测值与实验值之间的关联程度，数值越高表明结果越好（右图）。相反，误差指标 RMSE（中图）和MAE（左图）数值越低则表明性能提升。 02 图2.不同参数组合下ChemBERTa方法预测结果的平均绝对误差（MAE）概览。红色虚线表示我们前期研究中用于直接对比的 MLP 结果。 03 图3.通用LLM结果概览：未添加额外描述符输入时的平均绝对误差（MAE）。红色虚线表示用于对比的 MLP 结果。提示方法包括1种ChatGPT生成提示和3种人工编写提示策略。基础少样本方法未包含任何辅助步骤，而人工优化提示则包含这些步骤。预分析阶段指在预测步骤前预先对训练数据进行分析的提示方法。 04 ; 图4.通用LLM结果概览：含附加描述符输入的平均绝对误差（MAE）。红色虚线表示用于对比的 MLP 结果。提示方法包括1种ChatGPT生成提示和3种人工编写提示策略。基础少样本方法未包含任何辅助步骤，而人工优化提示则包含这些步骤。预分析阶段指在预测步骤前对训练数据进行预先分析的4种提示方案。 05 图5.通用大语言模型（LLM）结果概览：与附加描述符输入的相关性分析。红色虚线显示用于对比的 MLP 结果。提示方法包括1种ChatGPT生成提示和3种人工编写提示策略。基础少样本方法未包含任何辅助步骤，而人工优化提示则包含这些步骤。预分析阶段指在预测步骤前对训练数据进行预先分析的4种提示方案。 06 图6.各组使用不同评估指标的最佳结果概览。 MLP 结果引自Schiessler等人[38]的研究。相关性指标反映预测值与实验值之间的关联程度，数值越高表明结果越好。反之，误差指标 RMSE 均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）数值越低，则说明模型性能越优。 07 图7. 提示策略概述。除少数例外情况外，提示系统的工作原理类似于聊天界面：从顶部开始，当前提示前会以聊天记录形式附加历史提示与回答。该示意图展示了未添加描述符时的提示方案。当输入数据中添加描述符时，预分析提示将扩展为具有不同聚焦点的分析集合。
新型热双屏障涂层让发动机效率飙升20% 2026-03-18 ; 在高温工业领域，热障涂层（TBCs）是燃气轮机和航空发动机的“守护神”，能保护涡轮叶片免受超过1700°C的燃烧气体侵蚀。然而，传统TBCs主要关注降低热传导，却在高温下忽视了辐射热传递的威胁——而辐射热随着温度升高呈四次方增长，成为效率的“隐形杀手”。 近日，一项研究提出热双屏障涂层（TDBCs），通过引入金属硅化物超材料，首次实现传导与辐射热量的双重阻断。这项技术不仅让涂层在1200°C高温下保持稳定，更模拟出20K的温度梯度提升，有望将发动机效率提高10-15%！ 01 传统TBC的瓶颈：辐射热成了“漏网之鱼” 传统TBCs依赖多孔氧化钇稳定氧化锆（YSZ）降低热传导，但在1000°C以上，辐射热传递贡献超过30%的总热流。正如研究指出，“光子层面的辐射热转移长期以来被忽视”。 图1f显示，TBC性能提升对应着千亿级市场规模——2021年燃气轮机市场达1010亿美元。而图1g中，涂层冷侧通过流体冷却，热侧承受辐射负荷，这种“双环境”配置正是TDBC的设计初衷。 02 创新设计：超材料嵌入，双管齐下阻热流 TDBC的核心是在YSZ基质中嵌入三层超薄金属超材料（每层50-100 nm），层间以YSZ间隔（75-100 nm）。这种设计巧妙分离了热传导和辐射抑制功能： YSZ基质保持低热导率（0.7-1.5 W·m⁻¹·K⁻¹）； 金属层反射可见至中波红外辐射，阻断辐射热。 图3c的模拟显示，单层YSZ在1-5 μm波段透射率高，与黑体辐射谱重叠，而超材料可实现近零透射。通过混合热传递模型（图3d），团队预测理想TDBC支持额外20K温度梯度，对应显著能效提升。 03 攻克氧化难题：PBR工程筛选“高温战士” 高温下氧化是超材料的“阿喀琉斯之踵”。研究引入Pilling-Bedworth Ratio（PBR）作为材料筛选标准：PBR=1-2时，氧化物层形成保护性钝化膜（如TiO₂），否则易氧化或剥落。 图4a中，钛（Ti, PBR=1.7）处于保护范围，而钨（W）等虽熔点高但PBR非保护性。SEM图像（图4b-d）证实：Ti/YSZ在1000°C退火后结构完整，而W基材料严重降解。红外透射谱（图4e）显示Ti/YSZ透射率仅7%，远低于W基材料。 04 金属硅化物：1200°C下稳如泰山的“秘密武器” 为进一步提升氧化抗性，团队转向金属硅化物（如TiSi₂、W₃Si₄）。这类材料通过形成低氧渗透性SiO₂钝化层，实现超强稳定性。 图5a-c中，W₃Si₄在大气中反射率几乎不变，而Ti/YSZ显著退化。图5d-f显示W₃Si₄在1200°C下结构稳定，仅顶部颗粒化。反射谱（图5g）表明再结晶反而增强金属性。 微观分析（图6）揭示机制：W₃Si₄层中W集中于中心，Si在边缘形成SiO₂钝化层，有效阻氧。 05 应用前景：从航空发动机到绿色能源 TDBCs技术不仅适用于燃气轮机，还可扩展至： 航空发动机：提升效率，延长寿命； 高温工业炉：减少能源损失； 热光伏系统：提高光热转换效率。 研究通过可扩展的薄膜沉积技术（如溅射），使TDBCs易于大规模应用，兼顾性能与成本。
文献分享| ACS |受贻贝化学与 “砖 - 泥” 结构启发的纳米复合涂层及其长效海洋防污防腐性能 2026-03-17 ; 大家好，今天给大家分享一篇浙江大学张庆华教授研究团队发表在ACS Applied Materials & Interfaces的文章。本文章受贻贝强黏附机制及其贝壳独特的“砖 - 泥” 结构启发，以单宁酸（TA）/ 己二酰肼（ADH）改性氧化石墨烯（GO）（TDGO）为 “砖”，有机硅烷改性环氧树脂（EPUR）为 “泥”，构建并制备了一种兼具防污与防腐性能的新型仿生纳米复合涂层。TDGO 与 EPUR 界面形成的高密度氢键赋予复合材料强界面相互作用，使其形成逆珍珠层结构；同时分子间相互作用显著提升了复合材料的强度与韧性。涂层低表面能带来的污损释放特性，结合单宁酸的抗菌性能，产生了优异的物理化学协同防污效应，对多种海洋生物污损均表现出优异的抵抗能力。TDGO 的片层体积效应、迷宫效应以及单宁酸的配位作用，有效提升了涂层的防腐性能。此外，该涂层还具备优异的力学性能、基材附着力、良好的热稳定性、在酸碱溶液中出色的稳定性，以及热刺激下卓越的自修复能力，在制备海洋用仿生防污防腐涂层领域展现出巨大应用潜力。 1. 文章背景 ; ; ; 海洋生物污损是指污损生物及其分泌物在海洋装备表面的附着与定植，这对海洋装备的使用与维护构成了严峻挑战。该现象不仅会导致装备性能下降、维护成本增加，还会改变金属 - 溶液界面的电化学环境（pH、溶解氧及离子浓度），进而诱发氧化还原反应、加速金属材料的腐蚀。据统计，全球每年因金属腐蚀造成的损失高达 2.5 万亿美元，其中约 20% 的腐蚀失效由海洋生物污损直接引发。为实现海洋工业的可持续发展，亟需采取有效手段应对上述难题。 ; ; ; 在众多防污防腐策略中，有机涂层因施工便捷、防护效果好、成本低廉而备受青睐。通常以高分子材料作为成膜剂，在基材表面涂覆形成防护层。其中，环氧树脂凭借致密的交联结构，具备优异的化学稳定性与力学强度，在腐蚀防护领域得到广泛应用；同时其分子中丰富的极性官能团，可与金属基材形成强附着力。而防污涂层的设计主要依托涂层材料的表面工程改性，或负载抗菌活性组分以提升防污性能。在此方面，聚二甲基硅氧烷（PDMS）因具有低表面能特性，已成为主流的环保型污损释放型防污涂层基体。遗憾的是，传统防污或防腐涂层大多功能单一，往往需要采用多层体系才能实现防污与防腐性能的协同耦合。防腐底漆与防污面漆之间存在相容性差、模量不匹配等突出问题。 ; ; ; 尽管引入中间连接层可缓解这一困境，但不可避免地会增加施工与维护流程的复杂度。在此背景下，将防污与防腐双重功能集成于单一涂层，同时保证优异的基材附着力，成为极具应用前景的技术路线。然而，单层涂层在成膜过程中易产生微孔、微裂纹等微观缺陷，大幅缩短了海水腐蚀介质的扩散路径，使其更易抵达金属表面，致使其耐腐蚀性显著逊于多层体系。 氧化石墨烯（GO）、六方氮化硼、层状双金属氢氧化物等二维纳米材料，已被证实是提升涂层防腐性能的高效功能填料。其微小尺寸可有效填充基体内部缺陷，提升复合涂层的致密性与完整性；片层间延长的扩散路径所产生的迷宫效应，能显著增强涂层抗渗透能力，构筑起强效的物理防腐屏障。其中，GO 因制备工艺成熟、化学稳定性高、易于改性等优势受到广泛关注。但 GO 自身易发生团聚，与聚合物链的界面相容性较差，不仅导致性能提升效果不佳，甚至会使涂层整体性能劣化。通过共价或非共价方式对 GO 进行功能化修饰，可在一定程度上克服上述局限。值得关注的是，采用单宁酸（TA）改性 GO 可实现三重优势：在基体中分散更均匀、赋予外源抗菌性能、具备天然缓蚀作用；进一步与己二酰肼（ADH）共价接枝，可形成多重氢键，构建强界面相互作用，提升复合材料的强度与韧性。 ; ; ; 自然界中的生物为适应环境，演化出了诸多独特的功能与结构。贻贝可通过足部分泌大量含邻苯二酚结构的左旋多巴（DOPA），使其在高速冲刷的海水中仍能非特异性地牢固附着于各类基材表面；天然珍珠层具有规整独特的 “砖 - 泥” 结构，赋予其优异的刚性与韧性。 2. 文章要点 图1 用于海洋防污与防腐的逆珍珠层结构仿生杂化涂层制备示意图(a) EPUR（聚合物基体）的化学结构。(b) TDGO 的制备过程。(c) 具有逆珍珠层结构与多类型动态相互作用的 TDGO/EPUR 复合涂层示意图。(d) 涂层中的交联位点与动态相互作用。 图 2 (a) EPUR 的傅里叶变换红外光谱与 (b) X 射线光电子能谱。(c) EPUR 的 C 1s 高分辨谱图。(d) GO 与 TDGO 的红外光谱、(e) X 射线衍射曲线、(f) 拉曼光谱及 (g) X 射线光电子能谱。(h) GO 与 (i) TDGO 的 C 1s 高分辨谱图。(j) GO 与 (k) TDGO 的扫描电镜（SEM）形貌图。(l) TDGO 中各元素的质量百分比。 图3(a) 500–4000 cm⁻¹ 范围内及 (b) 特定波数区间内不同 TDGO/EPUR 复合涂层的傅里叶变换红外光谱。(c) EPUR-1:1 与 (d) 0.5% TDGO/EPUR-1:1 的表面扫描电镜照片。(e) EPUR-1:1 与 (f) 0.5% TDGO/EPUR-1:1 的断面扫描电镜照片。 图4(a) 不同复合涂层的差示扫描量热曲线与 (b) 热重分析曲线。(c) 应力 - 应变曲线与 (d) 不同复合涂层的力学性能。(e) 不同涂层在金属基材上的剪切强度。(f) 不同涂层在金属及环氧树脂基材上的法向剥离附着力。(g) 磨损试验机实物图。(h) 钢丝棉磨损 30 个循环前后涂层的照片以及 (i) 水接触角（WCA）。 图5 TDGO/EPUR 复合涂层的表面性能(a) 涂层在人工海水中浸泡 15 天期间水接触角的变化。(b) 二碘甲烷接触角以及 (c) 涂层在人工海水中浸泡 15 天前后的表面能。(d) 涂层的粗糙度。 图 6(a) 原始涂层 Q235 钢与裸钢的开路电位（OCP）；涂层 Q235 钢在 3.5 wt% 氯化钠水溶液中浸泡后，(b) 15 天、(c) 31 天的开路电位（OCP）；用于拟合电化学阻抗谱（EIS）数据的等效电路（EEC）：(d) 0 天、(e) 15/31 天、(f) 31 天；(g) 奈奎斯特图、(h) 波德模量图、(i) 波德相位角图：涂层 Q235 钢与裸钢在 3.5 wt% 氯化钠水溶液中浸泡 0 天后的测试结果；(j) 奈奎斯特图、(k) 波德模量图、(l) 波德相位角图：涂层 Q235 钢在 3.5 wt% 氯化钠水溶液中浸泡 31 天后的测试结果。 图7.常规涂层和复合涂层的防腐蚀机理图。 图 8 不同涂层的防污性能(a1) 涂层的抗大肠杆菌性能；(a2) 抗金黄色葡萄球菌性能；(a3) 抗铜绿假单胞菌性能。不同涂层对 (b1) 大肠杆菌、(b2) 金黄色葡萄球菌、(b3) 铜绿假单胞菌的抑菌圈。(c) 涂层的抑菌率；(d) 涂层的抗菌机理。 图 9(a) 涂层的抗藻类性能；(b) 涂层的抗蛋白质吸附性能。(c) 0.5% TDGO/EPUR-1:1 涂层对不同污染物的自清洁性能。 图 10(a) EPUR-1:1 与 (b) 0.5% TDGO/EPUR-1:1 涂层在不同 pH 水溶液中浸泡后的水接触角（WCA）变化。(c) 浸泡过程中涂层粗糙度（Ra）的变化。 图 11 自修复与循环利用性能(a) TDGO/EPUR 复合涂层的自修复机理。(b) EPUR-1:1、(c) 0.2% TDGO/EPUR-1:1、(d) 0.5% TDGO/EPUR-1:1 以及 (e) 1.0% TDGO/EPUR-1:1 的应力 - 应变曲线（原始试样、分别在 60 ℃ 和 120 ℃ 下处理 12 h 后的试样）。(f) 自修复试样的拉伸强度与 (g) 对应的自修复效率。(h) 不同涂层在氙灯照射开启与关闭过程中的温度 - 时间变化曲线。(i) 光热性能测试过程中涂层表面的红外热成像图。 3. 文章结论 ; ; 本文章受贻贝强黏附机制及其贝壳独特的“砖 - 泥” 结构启发，以 TDGO 为 “砖”、EPUR 为 “泥”，制备了一种兼具防污与防腐性能的新型仿生纳米复合涂层。TDGO 与 EPUR 界面形成的高密度氢键赋予复合材料强界面相互作用，使其形成逆珍珠层结构；同时分子间作用力显著提升了复合材料的强度与韧性。涂层低表面能带来的污损释放特性，结合单宁酸（TA）的抗菌性能，产生了优异的物理 - 化学协同防污效应，对细菌、藻类及蛋白质均表现出强大的抵抗能力。TDGO 的片层体积效应与迷宫效应，协同 TA 的配位作用，共同提升了涂层的防腐性能。此外，该涂层具备优异的基材附着力、良好的热稳定性、环境稳定性，以及热刺激下卓越的自修复能力，在各类海洋场景中展现出重要应用潜力。因此，本文为多种水下装备的长效防护提供了一种创新策略。
厦门大学 | Acta Mater. | 贫化区消失之谜：Acta Mater报道，铝合金>25°晶界处，辐照缺陷为何“拒绝清净”？ 2026-03-17 ; 文章导读 本文通过原位透射电镜技术，系统研究了400 keV Al⁺离子辐照下5052铝合金中晶界取向差对辐照诱导位错环异常形核与演化的影响。研究发现，与传统认知中晶界作为强缺陷阱的行为不同，在低辐照剂量下，位错环优先在高角度晶界附近形核，且形核剂量阈值强烈依赖于晶界取向差。具体而言，取向角大于15°的晶界在0.4 dpa时即开始有位错环形核，而取向角为5-15°和1-5°的晶界形核阈值分别延迟至1.0 dpa和1.2 dpa。研究进一步揭示，这种异常形核行为源于晶界取向差所导致的固有应力差异以及溶质原子（Mg）在晶界处的偏聚与扩散行为差异。高角度晶界区域更高的应力集中分数和原子扩散速率促进了自间隙原子团的优先簇聚，从而主导了早期的位错环形核。随着辐照剂量增加，位错环在高角度晶界处生长、合并，并最终形成位错网络，此网络可作为二次缺陷阱吸收后续缺陷，改变了晶界附近的微观状态。此外，研究还发现缺陷贫化区的形成与宽度同样受晶界取向角调控，在高角度晶界附近甚至观察到贫化区的缺失。该工作通过建立晶界取向角、应力状态、缺陷演化和晶界微观状态变化之间的关联，为基于晶界工程设计高抗辐照铝合金材料提供了新的实验证据和机理见解。 重点部分·图文解读 图1：展示了未辐照样品的晶界取向差表征与分类结果。图1a为通过透射菊池衍射获得的带衬度图，显示了三个待研究区域的晶界。图1b将1°至>50°的取向差以5°为间隔分为11类并用不同颜色标示。图1c清晰地显示，在0.6 dpa剂量下，位错环显著聚集在取向角大于15°的晶界附近，而小于15°的晶界仅可见短位错线衬度。图1d和1e统计了样品中不同角度晶界的频率以及典型观察区域的晶粒取向差分布，表明低角度晶界在样品中占比最大。 图2：系统研究了不同取向差晶界处位错环形核的辐照剂量窗口。图2a-c分别展示了取向差为1-5°、5-10°和10-15°的晶界附近位错环的原位演化过程，证实了形核阈值的存在。图2d总结了不同取向差晶界处位错环形核与辐照剂量的关系图，明确指出位错环在晶界处的形成不仅与取向差相关，也与辐照剂量紧密相关。 图3：分析了位错环在五个高角度晶界（>15°）附近的生长行为。图3a-d追踪了每个晶界附近多个标记单环的尺寸随剂量的演化，统计显示较大取向角的晶界出现大尺寸环的频率更高，生长速率也更快。图3e和3f则统计了相同区域内（包含一个晶界）位错环的平均尺寸和数密度随剂量的变化，揭示了环的尺寸增长与数密度增加之间的竞争关系。 图4：通过改变衍射条件，验证了辐照诱导位错环确实位于晶界上。图4a显示当晶界处于刃型状态、完全展宽等不同形态时，位错环均随机分布在晶界上。图4b原位展示了晶界上位错环典型的生长和合并过程。图4c跟踪了图4b中几个标记环的尺寸变化，表明即使在晶界区域，位错环之间仍可发生合并。 图5：对比了低角度与高角度晶界附近缺陷贫化区的差异。图5a和b的弱束暗场像清晰地显示了基体中小尺寸缺陷簇的存在，再次证明了位错环在晶界处的优先形成。图5c和d显示在1.2 dpa时，1-5°的低角度晶界附近存在缺陷贫化区，而高角度晶界（GB-11）右侧则没有明显的贫化区。图5e和f进一步说明了低角度晶界附近的缺陷贫化区宽度随辐照剂量增加而变窄的趋势。 图6：将本研究观察到的缺陷贫化区宽度数据与文献中报道的不同晶体结构金属及合金的数据进行了对比分析。结果表明，贫化区的形成与材料晶体结构无关，但本研究中发现取向角超过25°的晶界表现出完全的贫化区抑制，凸显了晶界宏观与微观状态依赖的辐照损伤容忍度。 图7：通过几何必要位错密度图和示意图，分析了晶界取向差与应力集中的关系。图7a-c显示了标记的低角度和高角度晶界区域典型的应变水平。图7d表明GND密度随晶界取向角增加呈非线性增长，在10°和40°附近出现跃升。图7e示意图表明，高角度晶界区域具有更扩展的应力集中分数，能提供更宽的应力梯度驱动自间隙原子向晶界输运。 图8：利用几何相位分析法获得了典型低角度和高角度晶界在辐照前的应变分布。图8a和d分别为过滤后的低角度和高角度晶界高分辨像的逆傅里叶变换图。图8b-f展示了通过GPA提取的应变(sxy)分布图及对应的线扫描曲线。结果表明，高角度晶界区域的应变波动范围更大，这与更高的应力集中状态相符。 图9：通过建模和示意图阐述了晶界特性对缺陷优先形核的机理。图9a示意图描述了自间隙原子扩散模式与距晶界距离的关系。图9b基于Arrhenius公式估算了373 K下不同取向差晶界处的原子扩散系数，显示高角度晶界的扩散速率比低角度晶界高1-2个数量级。图9c-d和e示意图综合了扩散机制和晶界特性的影响，分阶段（优先形核、形成位错网络、作为二次缺陷阱）阐释了不同辐照阶段晶界处位错环分布模式的控制机制。 图10：重点讨论了辐照诱导的位错半环演化及其与晶界的相互作用。图10a展示了在2.2 dpa下，不同晶界（GB-2和GB-8）处的位错形态差异。图10b给出了存在大型位错半环的高角度晶界两侧晶粒的取向关系。图10c1-c2示意图描绘了紧邻晶界的位错半环形成、生长以及其滑移面随辐照剂量发生旋转的过程。 图11：通过示意图总结了低角度与高角度晶界附近缺陷聚集和贫化区形成过程的差异。图11a和b示意性地对比了在低角度和高角度晶界邻近区域，随着辐照剂量增加（Dose-1至Dose-3），位错环形核、生长、形成网络，并最终影响贫化区特征的不同路径。
新型抗1200℃高温氧化热障涂层粘结层材料研制取得重要进展 2026-02-09 ; 航空发动机是工业皇冠上的明珠，其核心涡轮叶片必须在高温、高压、高转速的极端环境下长期稳定工作，这对材料的耐温与抗氧化能力构成了严峻挑战。随着现代航空发动机向更高推重比、更高热效率方向发展，涡轮前温度已突破1900℃，远超现有高温合金的承受极限。为此，在叶片表面涂覆热障涂层已成为必不可少的防护手段。在这一多层体系中，位于陶瓷面层与合金基体之间的“粘结层”尤为关键：它既要缓解因热膨胀系数不匹配引起的应力，也要通过自身氧化形成连续、致密的热生长氧化层（TGO），从而阻隔氧气向内扩散，保护基体免受高温腐蚀。 自上世纪70年代起，NiCoCrAlY（常统称为MCrAlY）系列合金因其良好的相容性与出色的中高温抗氧化性能，成为热障涂层粘结层的首选材料。然而，该体系存在一个长期未能突破的瓶颈：当温度超过1100℃时，其氧化速率急剧上升，TGO快速增厚并容易发生剥落，最终导致涂层系统失效。数十年来，这一温度“天花板”始终制约着更高性能发动机的研制进程。面对下一代航空发动机对涡轮前温度提出的更高要求，亟待研制能够在1200℃乃至更高温度下稳定服役的新型粘结层材料。 为解决上述难题，近期，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心序构金属材料研究部联合高温合金研究部、北京大学王选计算机所、沈阳工业大学，在开发能够替代传统NiCoCrAlY合金在1200℃下具有优异抗氧化性能的下一代热障涂层粘结层材料方面取得了重要突破。 本研究创新性地提出一种“微结构调控与熵工程协同”的双重策略，从氧化过程两个关键阶段入手实现性能突破：（1）通过热力学计算确定共晶铝含量，设计出具有精细层状组织的合金，在氧化初期显著增强铝供应，降低形成单一α-Al2O3膜的临界铝浓度，从而促进连续、致密保护性氧化层的快速形成；（2）通过调整Co、Cr与Ni的比例，最大化体系构型熵，在热生长氧化层下方的铝耗尽区（Al-depletion zone, ADZ）内引入强烈的晶格畸变。这种高熵效应带来的晶格畸变能够提高空位形成能、增加铝原子迁移势垒，从而有效抑制铝在稳态氧化阶段的扩散速率。 基于上述策略，团队成功研制出新型NiCoCrAlYHf多主元合金（Multi-Principal Element Alloy, MPEA）。在1200℃、500小时的等温氧化实验中，新型合金的氧化增重显著低于传统合金，其氧化速率常数仅为;1.28×10⁻¹² g²·cm⁻⁴·s⁻¹，比传统合金低约;59%。更为重要的是，在循环氧化测试中，传统合金在;70;小时后就出现氧化膜剥落，500;小时后剥落面积超过;40%，而新型合金在整个测试周期内剥落面积小于;2%，展现出卓越的膜层结合力与抗剥落性能。这一进展为发展下一代极端温度下稳定服役的热障涂层粘结层材料，奠定了关键的材料基础与设计范式。 相关研究成果以“Outstanding 1200 ℃ Oxidation Resistance in a Novel Multi-Principal Element Alloy via Lattice Distortion-Induced Diffusion;Suppression”发表于Advanced Science, 2026 (0): e22526。博士生张新宇为第一作者，中国科学院金属研究所吕威闫高级工程师、王建强研究员和沈阳工业大学邱克强教授为共同通讯作者。 上述工作得到了国家自然科学基金项目、辽宁省中央引导地方科技发展专项等项目的资助。 图1：共晶多主元合金的设计：(a) Ni50-xCo25Cr25Alx体系的伪二元相图；(b);共晶多主元合金Ni32Co25Cr25Al18的平衡相随温度的分数；(c);商用MCrAlY合金体系;Ni63.8-xCo19.7Cr16.5Alx的伪二元相图；(d);商用MCrAlY合金;(Ni41.3Co19.7Cr16.5Al22.5)的平衡相随温度的分数。 图2：MPEA和商用MCrAlY合金的微观结构表征：(a, b) SEM图像显示MPEA中的层状微观结构，不同于商用MCrAlY中典型的椭球状微观结构；(c) MPEA的TEM图像；c1, c2): c中标记为f1和f2的区域的FFT；(d) MCrAlY的TEM图像；h1, h2): d中标记为h1和h2的区域的FFT；(e);图c的STEM-EDS图谱显示β相中存在富Cr纳米沉淀物；(f);图d中插图区域的STEM-EDS图谱显示，在MCrAlY的β相中没有富Cr纳米沉淀物。 图3：在1200℃条件下对MPEA和MCrAlY的抗氧化性能分析：(a) MPEA和MCrAlY在1200℃下的等温氧化动力学曲线；(b) 1200℃循环氧化过程中氧化剥落面积分数随时间的变化情况，表明MPEA的氧化膜附着力优于MCrAlY；(c) MPEA与现有Al2O3成形合金的氧化速率常数(kp)对比。 图4：两种合金ADZ中的晶格畸变和Al扩散速率的第一性原理分析：(a, b);弛豫后的MCrAlY (a)和MPEA (b)的ADZ超胞结构；(c);箱形图显示了超胞结构中不同原子对的1NN键长分布；(d, e);两种合金ADZ的HRTEM图像；(f, g) GPA方法获取的HRTEM图像的原子尺度应变分布图；(h);通过;CI-NEB;方法计算的Al在ADZ中扩散的能量势垒；(i, j);实验获得的两种合金合金从ADZ到Al2O3膜的Al浓度分布图；(k, l);基于图i和图j中浓度曲线利用Boltzmann-Matano方法计算得出的两种合金ADZ中Al的扩散系数D(c*)。
突破2000℃极限！新型热障涂层为高超音速飞行器披上“高温铠甲” 2026-02-05 ; ; 最新发表于《Defence Science Journal》的研究成果揭示了用于航空发动机和高超音速飞行器的高温防护涂层技术。这些涂层能让金属部件在2000℃高温和超过2马赫的极端环境下依然保持稳定，为新一代航空航天技术奠定材料基础。 ; 航空发动机的“金钟罩” ; 现代航空发动机涡轮叶片工作时面临超过1100℃的高温考验，相当于将金属部件置于熔岩中长时间炙烤。没有保护涂层的超级合金叶片会迅速氧化、腐蚀，最终导致结构失效。 研究人员开发的热障涂层系统采用独特双层设计： 内层结合涂层：采用铂改性铝化物，形成致密氧化铝保护层 外层陶瓷层：使用氧化钇稳定氧化锆，提供绝热保护 技术突破：通过电镀铂、扩散热处理和气相渗铝工艺，研究团队成功在低压涡轮叶片、高压涡轮导向器等关键部件上制备了75-100微米厚的铂铝涂层。测试显示，该涂层在1100℃高温下经过700小时循环测试仍保持稳定。 ; 高超音速飞行的“防火墙” ; 对于飞行速度超过6马赫的高超音速飞行器，其燃烧室壁面临更为严酷的考验：温度超过1400℃，同时承受极高气动应力。 研发的硅化物涂层系统厚度达250-300微米，外层陶瓷涂层更达到1毫米，创造了真正的“热屏障”。 实战检验：在模拟高超音速环境的动态测试中（热通量200W/cm²，流速3马赫，温度1450℃）： 未涂层合金30-100秒内侵蚀深度达5毫米 涂层样品10分钟测试后仅侵蚀200微米，且无脱落 ; 未来技术发展方向 ; 随着航空发动机对更高涡轮前温度的追求，下一代热障涂层需要： 更强结合涂层：添加钯、铑等铂族元素提升强度 更低导热率：掺杂镧、钆等稀土元素优化陶瓷层性能 更优工艺：开发悬浮等离子喷涂等经济型柱状结构涂层技术 ; 结语 ; 这项研究已在实验室规模证明其价值，不仅能够显著延长航空航天关键部件的使用寿命，更为未来高超音速飞行器的实现提供了材料基础。在航空航天技术激烈竞争的今天，这类基础材料研究的突破，将直接影响飞行器性能的极限突破。 ;
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。
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