我國學(xué)者在低氧稀土鋼研究領(lǐng)域取得進(jìn)展

在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號：52031013、U1708252、51725103）等資助下，中國科學(xué)院金屬研究所李殿中研究員率領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)與所內(nèi)相關(guān)課題組合作，在低氧稀土鋼研究領(lǐng)域取得進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“低氧稀土鋼（Low-oxygen Rare Earth Steels）”為題，于2022 年9 月8 日在《自然·材料》（Nature Materials）上在線發(fā)表。

國內(nèi)外大量研究表明，在鋼中添加微量的稀土即可顯著提高鋼的韌塑性、耐磨、耐熱、耐蝕等性能。然而，由于稀土金屬極為活潑，在其電解制備時容易形成大尺寸稀土氧化物，這些稀土氧化物隨稀土金屬或合金加入鋼液中，帶入的大尺寸稀土夾雜物難以上浮去除，從而導(dǎo)致稀土鋼性能波動并與耐火材料反應(yīng)堵塞澆口。

該工作利用自主發(fā)明的夾雜物萃取三維表征技術(shù)，分析了稀土GCr15 軸承鋼和進(jìn)口某軸承鋼中的夾雜物形貌，發(fā)現(xiàn)在三維尺度上進(jìn)口軸承鋼中以氧化鋁和大尺寸硫化錳夾雜物為主，而稀土軸承鋼中夾雜物主要是細(xì)小的球狀稀土氧硫化物。與氧化鋁夾雜物相比，稀土氧硫化物在疲勞加載過程中可以發(fā)生塑性變形，引發(fā)夾雜物周圍應(yīng)力集中顯著減小，有效延緩疲勞裂紋的萌生?；谏鲜霭l(fā)現(xiàn)，研究人員闡明了氧的關(guān)鍵作用，開發(fā)了鋼液低氧和稀土金屬低氧的控制技術(shù)（“雙低氧稀土鋼”技術(shù)），有效解決了稀土鋼工業(yè)應(yīng)用中的瓶頸問題。研究表明，在高純凈度的GCr15 軸承鋼中應(yīng)用后，與不加稀土的軸承鋼相比，稀土軸承鋼±800 MPa 拉壓疲勞壽命提升了40 倍，滾動接觸疲勞壽命提升了40%，而添加現(xiàn)有商業(yè)稀土金屬（稀土金屬中氧含量為270 ppm）的對比樣品疲勞壽命出現(xiàn)明顯波動。同時研究人員利用計(jì)算和表征證實(shí)了鋼中存在一定數(shù)量的固溶稀土，固溶的稀土能夠顯著降低鋼中碳的擴(kuò)散系數(shù)，為通過調(diào)控碳擴(kuò)散優(yōu)化鋼的顯微組織和力學(xué)性能提供了新途徑。

該工作揭示了稀土在鋼中的關(guān)鍵作用機(jī)制，即控制夾雜物和稀土固溶，制備出性能優(yōu)越、穩(wěn)定的低氧稀土鋼，噸鋼只需添加百余克的鑭鈰輕稀土，即可在成本基本不增加、工藝流程基本不變的條件下顯著提升鋼的性能，對于發(fā)揮我國稀土資源優(yōu)勢，平衡稀土資源利用，提升優(yōu)特鋼的品質(zhì)具有重要意義。

（國家自然科學(xué)基金委員會）

Angew.Chem.：激光器調(diào)節(jié)讓上轉(zhuǎn)換熒光調(diào)控更便捷

熒光壽命不僅可以反映發(fā)光動力學(xué)過程，也可以作為獨(dú)特的光學(xué)特征維度用于熒光編碼、光學(xué)防偽、生物成像及分子/病毒檢測等，因此對其調(diào)控方法及潛在機(jī)理的研究具有重要意義。目前已有的研究多通過控制摻雜濃度、顆粒尺寸、特殊核殼結(jié)構(gòu)等化學(xué)方法進(jìn)行稀土離子上轉(zhuǎn)換熒光壽命調(diào)控，即內(nèi)參法。然而，對于控制激發(fā)光（脈沖寬度、功率）來實(shí)現(xiàn)顆粒內(nèi)部能量狀態(tài)及熒光壽命的變化還沒有研究，也因此，對激發(fā)與衰減動力學(xué)關(guān)系及其對瞬態(tài)發(fā)光影響的研究還是空白。

近日，南京工業(yè)大學(xué)、新疆大學(xué)黃嶺教授與南開大學(xué)宋峰教授合作僅通過控制激發(fā)光源參數(shù)，即外參法，就在同一個納米顆粒上實(shí)現(xiàn)了超20 倍的熒光壽命調(diào)節(jié)，并且首次觀察到紅?綠雙向可調(diào)節(jié)的瞬態(tài)發(fā)光。

在稀土發(fā)光材料內(nèi)部，敏化劑離子吸收的激發(fā)光能量可以通過能量傳遞直接作用于激活劑離子發(fā)光，也可通過多步能量遷移作用于遠(yuǎn)離初始激發(fā)位的激活劑離子發(fā)光。這兩種不同的過程所產(chǎn)生的微小的時間差使得每一個稀土離子的激發(fā)與發(fā)射都不同步，因此稀土材料的發(fā)光實(shí)際上是所有稀土離子在某一特定時間發(fā)光的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。而能量遷移與能量傳遞過程對激發(fā)光脈寬與功率的不同響應(yīng)將導(dǎo)致激活劑離子不同的激發(fā)與衰減動力學(xué)，并最終導(dǎo)致可被激發(fā)光調(diào)節(jié)的瞬態(tài)發(fā)光光譜與瞬態(tài)發(fā)光顏色。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過改變激發(fā)光脈寬可使Er3+在540 nm 處的熒光壽命從26.8 微秒調(diào)節(jié)的536.3 微秒，而紅綠光強(qiáng)度比可以從0.26 變化到18.15。進(jìn)一步研究證實(shí)，激發(fā)調(diào)制熒光壽命的現(xiàn)象普遍存在于尺寸大于20 nm 以上材料中。

該團(tuán)隊(duì)通過調(diào)控激發(fā)光脈寬實(shí)現(xiàn)了同一顆粒NaLuF4:Yb/Er 紅?綠雙向可調(diào)節(jié)的瞬態(tài)發(fā)光。這是基于上轉(zhuǎn)換發(fā)光動態(tài)過程調(diào)控，既可使NaLuF4:Yb/Er 的綠光熒光壽命長于紅光壽命，也可短于紅光壽命，因此在短脈寬激發(fā)后顆粒發(fā)光顏色從綠向紅變化，而長脈寬激發(fā)后發(fā)光顏色從紅向綠變化。

該工作研究了稀土離子的熒光壽命“動態(tài)”響應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理，證實(shí)了激發(fā)（上升沿）與發(fā)射（下降沿）之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，首次在僅改變激發(fā)光的條件下實(shí)現(xiàn)超20 倍熒光壽命調(diào)控，基本界定了熒光壽命與激發(fā)脈寬、功率及自身尺寸的關(guān)系，填補(bǔ)了目前該領(lǐng)域的研究空白。該研究成果提供了不依賴于繁冗的材料化學(xué)設(shè)計(jì)與合成實(shí)現(xiàn)熒光壽命與發(fā)光顏色大幅度調(diào)控的方法，為理解稀土摻雜上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的熒光壽命和發(fā)光動力學(xué)過程提供了新視角，也為與熒光壽命相關(guān)的激光產(chǎn)生、快速成像、傳感等應(yīng)用提供了新啟示。

這一成果近期發(fā)表在《Angewandte Chemie -International Edition》 上，文章的第一作者是韓迎東博士和高潮博士，通訊作者為宋峰教授和黃嶺教授。

上轉(zhuǎn)換納米顆粒在短（a,b,c）、長（d,e,f）脈寬激發(fā)下的能量傳輸機(jī)理及時域響應(yīng)曲線