仿生材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究取得進(jìn)展

材料的強(qiáng)度和斷裂韌性是保障構(gòu)件安全服役的重要性能參數(shù)，但二者往往表現(xiàn)為相互制約關(guān)系，且材料性能的持續(xù)優(yōu)化壓縮了既有強(qiáng)韌化策略進(jìn)一步發(fā)揮作用的空間。

近日，中國科學(xué)院金屬研究所在研制高阻尼鎂基仿生材料的基礎(chǔ)上，通過模仿典型天然生物材料的微觀三維互穿結(jié)構(gòu)與空間構(gòu)型，利用“3D 打印+熔體浸滲”工藝制備了一系列新型鎂-鈦仿生材料，在金屬體系中構(gòu)筑了類似鮑魚殼的“磚-泥”結(jié)構(gòu)、螳螂蝦殼的螺旋編織結(jié)構(gòu)和紫石房蛤殼的交叉疊片結(jié)構(gòu)，并在經(jīng)典層合理論基礎(chǔ)上建立了能夠定量描述仿生材料結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間關(guān)系的力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了其模量與強(qiáng)度的定量預(yù)測(cè)。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature Communications上。

研究發(fā)現(xiàn)，在鎂-鈦復(fù)合材料體系中，仿生結(jié)構(gòu)能夠起到顯著的強(qiáng)韌化作用，與不具有仿生結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料相比，仿生材料的強(qiáng)度與韌性同步提高，特別是交叉疊片結(jié)構(gòu)因具有多級(jí)結(jié)構(gòu)特征而表現(xiàn)出最佳的強(qiáng)韌化效果。仿生材料中，鎂、鈦兩相在三維空間相互貫穿，利于促進(jìn)它們之間的應(yīng)力傳遞，并抑制各自相中的變形與損傷演化，減輕應(yīng)變局域化程度，從而延緩仿生材料整體發(fā)生斷裂，提高其拉伸強(qiáng)度與塑性。不同類型的仿生結(jié)構(gòu)均可通過提取結(jié)構(gòu)中的最小重復(fù)單元，并考察其在三維空間的緊密堆積形式進(jìn)行定量描述，建立仿生材料的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的定量關(guān)系，為預(yù)測(cè)仿生材料的性能以及優(yōu)化設(shè)計(jì)仿生結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。左圖為具有不同仿生結(jié)構(gòu)的鎂-鈦復(fù)合材料及其與天然生物材料原型的比較。

（本刊記者 大漠）

3 D打印過渡金屬表面超鈍化膜的形成與失效機(jī)制

激光- 電解整體制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高性能、大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高效率、低成本精確成形。然而，電解加工過程中，過渡金屬試件表面所形成的超鈍化膜一旦發(fā)生局部破壞，便會(huì)誘導(dǎo)選擇性溶解進(jìn)而降低電解加工質(zhì)量，這在激光增材制造過渡金屬構(gòu)件中表現(xiàn)得尤為突出。自20 世紀(jì)70年代以來，盡管研究者們對(duì)超鈍化膜進(jìn)行了一定數(shù)量的研究，但是對(duì)該膜的定義尚未達(dá)成一致，這意味著研究者對(duì)超鈍化膜形成機(jī)理仍然缺乏準(zhǔn)確的理解；針對(duì)電解加工過程中超鈍化膜的失效，研究者普遍認(rèn)為這是由高速流動(dòng)的電解液對(duì)超鈍化膜的沖刷作用所致，而對(duì)金屬微觀組織以及膜內(nèi)點(diǎn)缺陷的誘導(dǎo)機(jī)制尚不明確。

近日，青島理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)以及加州大學(xué)伯克利分校等開展聯(lián)合研究，基于點(diǎn)缺陷模型（PDM）理論，采用FIBSEM 雙束系統(tǒng)和高分辨TEM 對(duì)激光增材制造鎳基高溫合金表面超鈍化膜進(jìn)行觀察分析，探究了超鈍化膜的形成過程，闡明了“二次鈍化”誘導(dǎo)超鈍化膜的形成本質(zhì)；同時(shí)基于金屬微觀組織特征及點(diǎn)缺陷模型理論，揭示了超鈍化膜的失效是由Nb 偏析區(qū)表面膜的自誘導(dǎo)開裂、流體流動(dòng)剪切應(yīng)力引起的膜侵蝕降解以及金屬陽離子空位在金屬/膜界面凝結(jié)導(dǎo)致兩者脫粘等共同作用所致。相關(guān)工作以Unveiling the transpassive film failure of 3D printing transition alloys為題發(fā)表在Corrosion Science上。研究了電解加工過程中過渡金屬或合金表面超鈍化膜的形成本質(zhì)，揭示了超鈍化膜的失效機(jī)制，促進(jìn)激光-電解整體制造技術(shù)的發(fā)展。

左圖為電流密度為20A/cm2時(shí)，超鈍化膜的上表面和剖面形貌及超鈍化膜剖面上元素分布。

（本刊記者 大漠）

西工大鈦合金增材制造獲得重要突破

近日，西北工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過深入分析金屬增材制造熔池特征和凝固過程中的晶粒生長行為，創(chuàng)造性地提出了一種原位工藝參數(shù)調(diào)整策略，在TC4 鈦合金中獲得了全等軸晶組織。相關(guān)工作以In-situ grain structure control in directed energy deposition of Ti6Al4V為題發(fā)表在Additive Manufacturing上。

在鈦合金增材制造過程中，受控于成形工藝參數(shù)及其形成的熔池內(nèi)部溫度場(chǎng)特征，熔池底部往往生長為柱狀晶，而熔池頂部由于發(fā)生柱狀晶/等軸晶轉(zhuǎn)變（CET），會(huì)形成一定厚度的等軸晶區(qū)。在傳統(tǒng)的單一成形工藝參數(shù)條件下，由于后一層沉積時(shí)再熔化深度大于等軸晶區(qū)厚度，等軸晶區(qū)會(huì)在下一層沉積過程中被完全重熔，形成從結(jié)構(gòu)底部到頂部外延生長的柱狀晶組織。

研究通過在不同層間切換低能量密度和高能量密度成形參數(shù)，使熔池頂部的等軸晶區(qū)被部分保留，有效阻斷了柱狀晶的外延生長。結(jié)合增材制造過程中后熱循環(huán)作用下的晶粒粗化行為，最終獲得的沉積態(tài)組織呈現(xiàn)為全等軸的晶粒形貌。

在增材制造TC4 鈦合金的前期研究中，所獲得的宏觀晶粒主要為柱狀晶粒，因此即使通過調(diào)控工藝參數(shù)的手段降低成形結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度指標(biāo)各向異性，塑性指標(biāo)各向異性仍然維持在較高水平（>10%）。本研究中通過形成的等軸晶，使增材制造TC4 鈦合金力學(xué)性能強(qiáng)度和塑性的各向異性指標(biāo)分別降低到2.4%和3.8%。

這一研究成果有望提高增材制造鈦合金零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)自由度，并進(jìn)一步推動(dòng)增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

（本刊記者 大漠）

沈陽自動(dòng)化所重點(diǎn)項(xiàng)目通過綜合績(jī)效評(píng)價(jià)

近日，由中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所承擔(dān)的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃政府間/港澳臺(tái)重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目“面向智能工廠的安全、可靠無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與示范”通過綜合績(jī)效評(píng)價(jià)。

該項(xiàng)目中方研究團(tuán)隊(duì)包括沈陽自動(dòng)化所、浙江大學(xué)和沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，德方研究團(tuán)隊(duì)包括柏林工業(yè)大學(xué)和KT-Elektronik 公司。在項(xiàng)目負(fù)責(zé)人梁煒的帶領(lǐng)下，該項(xiàng)目在基于認(rèn)知無線電的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)與優(yōu)化、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)共存、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息安全、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)可靠中繼部署等方面取得了多項(xiàng)創(chuàng)新成果，形成了一套面向智能工廠的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全、可靠傳輸基礎(chǔ)理論和技術(shù)體系，并搭建了面向機(jī)器人數(shù)字化車間設(shè)備互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)平臺(tái)。此外，通過項(xiàng)目的合作研究，建立了完善的中德研究團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)交流渠道，形成了一支高水平的國際化研究團(tuán)隊(duì)。

該項(xiàng)目形成的成果在智能工廠中擁有廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)推進(jìn)制造業(yè)由傳統(tǒng)大批量生產(chǎn)模式向工業(yè)4.0 時(shí)代的個(gè)性化生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變具有重要意義，并將在提升生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本等方面發(fā)揮重要作用。

（本刊記者 大漠）

清華大學(xué)研發(fā)微小型管道機(jī)器人實(shí)現(xiàn)亞厘米級(jí)管道高效探測(cè)

近日，清華大學(xué)機(jī)械系現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)與機(jī)器人化裝備實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了一種可在亞厘米級(jí)管道中高效運(yùn)動(dòng)的管道探測(cè)機(jī)器人。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和煉油機(jī)等復(fù)雜系統(tǒng)中有大量管道。需要定期從外部和內(nèi)部進(jìn)行管道檢修。目前已開發(fā)的各種管道巡檢機(jī)器人多采用電磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)，適用于大口徑管道的檢測(cè)。當(dāng)涉及直徑小于1 cm微細(xì)管道時(shí)，機(jī)器人的尺寸很難按比例縮小。

清華大學(xué)研發(fā)的這種新型智能材料驅(qū)動(dòng)的微型管道檢測(cè)機(jī)器人（重量2.2 g，長度47 mm，直徑<10 mm），可以適應(yīng)亞厘米直徑和變化曲率的復(fù)雜管道。機(jī)器人采用高功率密度、長壽命的介電彈性體致動(dòng)器作為人造肌肉，采用基于智能復(fù)合微結(jié)構(gòu)的高效錨固單元作為傳動(dòng)裝置，使用具有可調(diào)節(jié)數(shù)目的磁單元來快速組裝機(jī)器人，以適應(yīng)不同管道的復(fù)雜幾何形狀。通過考慮軟材料的獨(dú)特特性來分析機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性，并相應(yīng)地調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓的頻率和相位，以優(yōu)化機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度。這個(gè)基于高頻蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)原理的管道機(jī)器人由外部的纜線來提供動(dòng)力，在亞厘米管道中實(shí)現(xiàn)了水平和垂直快速運(yùn)動(dòng)。此外，它能夠在不同幾何形狀的管道（變徑管、L 形管、S 形管、螺旋形管等）、不同填充介質(zhì)（空氣、油等）和不同材質(zhì)（玻璃、金屬、碳纖維等）的管道中高速行進(jìn)。機(jī)器人正面安裝了一個(gè)微型攝像頭，從外部控制該機(jī)器人。該技術(shù)將來有望在航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路檢修等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

該成果以A pipeline inspection robot for navigating tubular environments in the subcentimeter scale為題發(fā)表在Science Robotics上。論文第一作者為清華大學(xué)機(jī)械工程系博士后湯超，通訊作者為機(jī)械工程系副教授趙慧嬋，其他作者包括機(jī)械工程系教授劉辛軍和博士生杜伯源、姜淞文、邵琦、東旭光。左圖為微型管道檢測(cè)蠕動(dòng)機(jī)器人。

（本刊記者 大漠）

復(fù)合材料3D 編織預(yù)制件高效制造技術(shù)應(yīng)用取得新進(jìn)展

近日，法國圣戈班航宇公司和Roctool 公司正在法國波爾多的工廠聯(lián)合為航空、船舶、軍事、通信等各行業(yè)快速提供復(fù)合材料或熱塑性部件3D 編織預(yù)制件解決方案。3D 自動(dòng)編織預(yù)制層壓技術(shù)以及提高固化效率的加熱/冷卻技術(shù)為復(fù)合材料和熱塑性塑料部件的應(yīng)用開辟了新的機(jī)遇。

圣戈班航宇公司于2018年3月開始應(yīng)用3D自動(dòng)化編織預(yù)制層壓技術(shù)，能夠優(yōu)化部件的性能和重量，同時(shí)提高材料利用率。此外，該技術(shù)通過快速可復(fù)制的3D 凈成型制造取代了耗時(shí)的手工鋪層，獲得的預(yù)成型件可通過向液態(tài)熱固性樹脂或在編織過程中摻入熱塑性增強(qiáng)纖維進(jìn)行固化。

為了加快固化過程，塑料和復(fù)材模具加熱和冷卻技術(shù)企業(yè)Roctool 公司開發(fā)了一種成型系統(tǒng)，將復(fù)合材料聚合或熱塑性部件的熱壓縮固化效率提高到15～30 min，同時(shí)將單個(gè)模具的生產(chǎn)能力提高50倍。Roctool 公司利用其獲得專利的冷熱布局，通過高頻電流流過的柔性感應(yīng)器在模具表面提供快速均勻的加熱，并通過具有充分湍流流速的標(biāo)準(zhǔn)冷卻通道實(shí)現(xiàn)有效冷卻。

這兩種技術(shù)的結(jié)合提高了制造速度，并為需要復(fù)合材料或熱塑性部件的客戶提供了應(yīng)用窗口。同時(shí)極大地改善了環(huán)境足跡。例如，編織技術(shù)不會(huì)產(chǎn)生任何浪費(fèi)，也不需要任何冰箱來儲(chǔ)存原材料。

（本刊記者 大漠）

基于雙溫非平衡熱力學(xué)框架的非晶合金本構(gòu)模型

考慮材料內(nèi)部微介觀尺度非平衡結(jié)構(gòu)演化效應(yīng)的非線性本構(gòu)關(guān)系是力學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域的核心問題之一。由于固有的長程拓?fù)錈o序，外載激勵(lì)下的非晶合金在變形過程中內(nèi)蘊(yùn)非平衡無序結(jié)構(gòu)的跨時(shí)空尺度涌現(xiàn)與演化，導(dǎo)致其變形行為呈現(xiàn)復(fù)雜多樣性。研究表明，非晶的結(jié)構(gòu)無序度可以利用非平衡統(tǒng)計(jì)理論中提出的構(gòu)型溫度來描述，有別于傳統(tǒng)表征原子振動(dòng)的熱力學(xué)溫度。這兩種類型的溫度對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的兩個(gè)熱力學(xué)子系統(tǒng)，且在時(shí)間尺度上存在顯著差異，致使非晶合金塑性變形系統(tǒng)遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡態(tài)。

中國科學(xué)院力學(xué)研究所戴蘭宏研究團(tuán)隊(duì)在基于非平衡統(tǒng)計(jì)理論的熱力學(xué)框架下，提出了一個(gè)能夠有效考慮非晶合金本征非平衡特性的本構(gòu)模型。在該本構(gòu)模型中，非晶合金熱力學(xué)系統(tǒng)由相互耦合作用的構(gòu)型和振動(dòng)子系統(tǒng)構(gòu)成。兩個(gè)子系統(tǒng)之間的耦合效應(yīng)將驅(qū)使非晶合金系統(tǒng)朝著平衡態(tài)過渡。在經(jīng)典的剪切轉(zhuǎn)變理論基礎(chǔ)上，該模型進(jìn)一步考慮了剪切變換與周圍基體的約束作用對(duì)后續(xù)結(jié)構(gòu)弛豫的影響。研究人員應(yīng)用該模型對(duì)不同溫度和應(yīng)變率等多種加載條件下的非晶合金變形行為進(jìn)行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)該模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的有效預(yù)測(cè)，同時(shí)能夠揭示非晶合金在不同加載條件下變形模式轉(zhuǎn)變和變形局部化剪切帶演化機(jī)制。

相關(guān)研究成果以A constitutive model for metallic glasses based on twotemperature nonequilibrium thermodynamics為題發(fā)表在International Journal of Plasticity上。

下圖為非晶合金構(gòu)型與振動(dòng)子系統(tǒng)及其能量傳輸示意圖。

（本刊記者 大漠）

中熵合金變形孿晶及馬氏體形核機(jī)制被提出

CrCoNi 中熵合金由于具有較高的強(qiáng)度、良好的成形性及斷裂韌性，近年來受到了極大的關(guān)注。該合金具有較高強(qiáng)韌性的主要原因是在變形過程中會(huì)形成高密度的變形孿晶和HCP 馬氏體，控制孿晶和馬氏體的形成對(duì)于合金的強(qiáng)韌化至關(guān)重要。通常變形孿晶是由相同柏氏矢量的肖克萊不全位錯(cuò)（SPD）在連續(xù)的{111}面上滑移所產(chǎn)生，而HCP 馬氏體是由SPD 在每間隔一層{111}面上滑移產(chǎn)生。這些不全位錯(cuò)往往是通過特定的位錯(cuò)反應(yīng)所產(chǎn)生，對(duì)于傳統(tǒng)的FCC 金屬，已經(jīng)有不同的孿晶形核機(jī)制提出。但對(duì)于高熵合金，由于其特殊的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其孿晶和馬氏體形核機(jī)制與常規(guī)FCC 合金不同，該問題一直并未得到解決。

南京工業(yè)大學(xué)輕質(zhì)材料中心與比利時(shí)法語天主教魯汶大學(xué)、安特衛(wèi)普大學(xué)合作，采用雙束電鏡成像和原子分辨率的HAADF-STEM 技術(shù)對(duì)CrCoNi 中熵合金在塑性變形過程位錯(cuò)及孿晶演變規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究，揭示了中熵合金獨(dú)特的變形孿晶和馬氏體形核機(jī)制，相關(guān)論文以Potential TRIP/TWIP coupled effects in equiatomic CrCoNi mediumentropy alloy為題發(fā)表在Acta Materialia上。

本研究從原子尺度上揭示了中熵合金中的變形孿晶和HCP 馬氏體形核機(jī)制，為調(diào)控合金的強(qiáng)韌性奠定了基礎(chǔ)。左圖為層錯(cuò)與孿晶之間的相互作用。

（本刊記者 大漠）