負(fù)泊松效應(yīng)助力陶瓷基復(fù)合材料多功能設(shè)計(jì)

近日，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所董紹明院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種具有負(fù)泊松比、高比強(qiáng)度、超彈性和高抗壓強(qiáng)度的陶瓷基復(fù)合材料。該材料兼具負(fù)泊松比及高比強(qiáng)度（E～ρ1.3）特性，并可實(shí)現(xiàn)高溫條件下隔熱及電磁屏蔽多功能應(yīng)用。

該團(tuán)隊(duì)利用向心冷凍鑄造技術(shù)，設(shè)計(jì)相互垂直的溫度梯度以改變冰晶的生長(zhǎng)方向，最終形成內(nèi)凹向心結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了負(fù)泊松比效應(yīng)和優(yōu)異彈性。該項(xiàng)工作研究成果以Tailoring centripetal metamaterial with superelasticity and negative Poisson’s ratio for organic solvents adsorption為題發(fā)表在Science Advances上。上海硅酸鹽所2019 級(jí)博士研究生田力為第一作者，董紹明研究員和楊金山研究員為論文通訊作者。

在已有研究成果基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)結(jié)合向心冷凍鑄造及化學(xué)氣相沉積技術(shù)，形成內(nèi)凹取向結(jié)構(gòu)和“BN/石墨烯/BN”三明治片層，獲得具有層次結(jié)構(gòu)的陶瓷基復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的抗壓縮性能，具有負(fù)泊松比和高比強(qiáng)雙重超材料屬性。依賴于陶瓷組分的保護(hù)作用，該材料具有高效的隔熱性能，高溫下具有良好的電磁干擾屏蔽性能。在700℃時(shí)，比屏蔽效率（SSE/t）可達(dá)9416 dB·cm2·g-1。

基于負(fù)泊松比效應(yīng)定制層次結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和多功能應(yīng)用的關(guān)鍵。該團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)的分層結(jié)構(gòu)和超材料特性為實(shí)現(xiàn)陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)提供了一種新的方案。相關(guān)研究成果以Multifunctional hierarchical metamaterial for thermal insulation and electromagnetic interference shielding at elevated temperatures為題發(fā)表在ACS Nano上。田力為第一作者，董紹明研究員和楊金山研究員為論文通訊作者。

左圖為向心冷凍制備向心石墨烯氣凝膠示意圖。

（本刊記者 逸飛）

鳳凰涅槃法制備柔性、可賦型、耐1300℃高溫陶瓷氣凝膠

近日，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所王錦研究員等設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)便易行的策略來(lái)制備能耐受1300℃高溫的柔性可賦型陶瓷氣凝膠。通過采用商品化的氧化硅氣凝膠顆粒及莫來(lái)石陶瓷纖維作為結(jié)構(gòu)組分，用水溶性高分子將二者在水溶液中實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)重排（前驅(qū)體溶液），形成類似鳥巢結(jié)構(gòu)的交叉互扣的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，最后定型干燥后，采用明火將水性高分子去除（鳳凰涅槃法），從而得到具有仿生鳥巢結(jié)構(gòu)的柔性、輕質(zhì)和可賦型的氧化硅-氧化鋁復(fù)合陶瓷氣凝膠。柔性氧化硅-氧化鋁陶瓷雜化氣凝膠密度極低，僅為0.01 g/cm3。在燒盡高分子基底后，生成了FR-SACA，其密度最低為0.007 g/cm3。

FR-SACAs 的結(jié)構(gòu)完全由陶瓷纖維搭接而成，雖然整個(gè)制備過程沒有引入化學(xué)反應(yīng)，但類似鳥巢的結(jié)構(gòu)不僅賦予了其一定的強(qiáng)度，且具有良好的壓縮回彈性，能在80%的壓縮應(yīng)變下完全回彈。涅槃后的復(fù)合氣凝膠在900℃范圍內(nèi)幾乎沒有任何質(zhì)量損失，熱導(dǎo)率也維持在0.04 W·m-1·K-1以下。

該研究通過極為簡(jiǎn)單的純物理過程構(gòu)筑了具有輕質(zhì)、柔性、耐極端高溫、可賦型的陶瓷氣凝膠及其涂料。該方法有望實(shí)現(xiàn)連續(xù)化批量制備，可廣泛應(yīng)用于極端環(huán)境下的熱管理。

相關(guān)工作成果以Flexible and transformable ceramic aerogels via a fire-reborn strategy for thermal superinsulation in extreme conditions為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。論文第一作者為中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所輕量化實(shí)驗(yàn)室碩士研究生程瀅穎，通訊作者為本單位胡東梅研究員和王錦研究員。該工作得到蘇州市科技局基礎(chǔ)研究試點(diǎn)項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)支持。

下圖為復(fù)合陶瓷氣凝膠的制備路線圖、光學(xué)照片、大面積制備以及潛在應(yīng)用示意圖。

（本刊記者 逸飛）

金屬材料低溫應(yīng)變硬化研究取得重要進(jìn)展

近日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心盧磊研究員團(tuán)隊(duì)在現(xiàn)代凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展，該研究成果以Atomic faulting induced exceptional cryogenic strain hardening in gradient cell–structured alloy為題在Science上發(fā)表。

具有空間梯度序構(gòu)位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)的合金在低溫拉伸變形時(shí)不僅具有優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性，而且表現(xiàn)出超高的應(yīng)變硬化能力，其應(yīng)變硬化率甚至超過粗晶，顛覆了粗晶結(jié)構(gòu)具有最高加工硬化能力的固有認(rèn)識(shí)。這種低溫超高應(yīng)變硬化源于多滑移原子尺度層錯(cuò)束萌生主導(dǎo)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)細(xì)化。細(xì)化形成的亞十納米層錯(cuò)疇既能顯著阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，又能高效存儲(chǔ)更高密度的位錯(cuò)?？臻g梯度序構(gòu)、位錯(cuò)胞本征結(jié)構(gòu)及低溫環(huán)境協(xié)同激發(fā)了超高密度二維平面層錯(cuò)疇主導(dǎo)的應(yīng)變硬化完全不同于位錯(cuò)、孿生及相變等傳統(tǒng)應(yīng)變硬化機(jī)制。

這是該團(tuán)隊(duì)繼發(fā)現(xiàn)梯度納米孿晶金屬的額外強(qiáng)化與加工硬化、梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)塑性之后又一次發(fā)現(xiàn)，即梯度序構(gòu)位錯(cuò)結(jié)構(gòu)可激活原子尺度多滑移層錯(cuò)實(shí)現(xiàn)晶體低溫超高應(yīng)變硬化。該發(fā)現(xiàn)發(fā)展了晶體材料的應(yīng)變硬化理論，為研發(fā)高性能金屬材料及其極端環(huán)境應(yīng)用提供了新機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

參與該工作的美國(guó)學(xué)者在同步輻射X 射線表征、中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所武曉雷研究員團(tuán)隊(duì)在低溫力學(xué)性能、金屬所陶乃镕研究員在結(jié)果分析討論方面做出了重要貢獻(xiàn)；潘慶松研究員為論文第一作者。該項(xiàng)工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院以及沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心項(xiàng)目等資助。

（本刊記者 逸飛）

北航提出用于可編程超材料的“機(jī)械”傅里葉變換定制方法

2023年9月5日，《美國(guó)科學(xué)院院刊》（PNAS）發(fā)表了北京航空航天大學(xué)航空學(xué)院潘飛副教授、陳玉麗教授與向錦武院士、材料學(xué)院管娟副教授合作完成的研究成果Mechanical Fourier transform for programmable metamaterials。該工作提出了一種快捷高效的材料/結(jié)構(gòu)力學(xué)性能逆向定制方法，將復(fù)雜非線性力學(xué)性能的逆向設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為超材料模塊的應(yīng)力應(yīng)變曲線調(diào)幅問題，為先進(jìn)材料和結(jié)構(gòu)的按需定制設(shè)計(jì)提供了新的解決方案。航空學(xué)院博士研究生林新為文章第一作者，潘飛副教授和陳玉麗教授為共同通訊作者。北航為第一完成單位和唯一通訊單位。

該研究團(tuán)隊(duì)在前期的工作中，設(shè)計(jì)了“三維像素化”多穩(wěn)態(tài)陣列力學(xué)超材料，并實(shí)現(xiàn)了可視化的“搭樓梯”式力學(xué)性能逆向定制。然而，對(duì)于高度非線性的力學(xué)性能，該定制方法還具有一定的局限性。

為了實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜力學(xué)性能的定制，該團(tuán)隊(duì)提出了“機(jī)械”傅里葉變換（MFT）定制方法。該方法借鑒了傅里葉變換的思想，將任意的目標(biāo)應(yīng)力應(yīng)變曲線分解為一條常值曲線和多條余弦曲線，每條余弦（或常值）曲線由一個(gè)余弦多穩(wěn)態(tài)模塊實(shí)現(xiàn)。

該工作的合作者還有清華大學(xué)劉彬教授、北航航空學(xué)院丁彬副教授和安徽工業(yè)大學(xué)楊康教授，得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、中國(guó)博士后科學(xué)基金、先進(jìn)無(wú)人飛行器北京市高精尖學(xué)科、北航青年拔尖人才支持計(jì)劃、北航科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃等項(xiàng)目資助。（本刊記者 逸飛）

上海光機(jī)所在新型高溫鎳基合金激光焊接方面取得新進(jìn)展

近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所激光智能制造技術(shù)研發(fā)中心楊上陸研究員團(tuán)隊(duì)在高溫熔鹽用新型結(jié)構(gòu)材料激光焊接方面取得新進(jìn)展。該研究團(tuán)隊(duì)首次采用高功率激光器，實(shí)現(xiàn)了鎳基高溫合金的無(wú)缺陷焊接成形，并對(duì)焊接接頭顯微組織及力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)價(jià)。相關(guān)研究成果以Laser welding of GH3539 alloy for molten salt reactor:Processing optimization,microstructure and mechanical properties為題發(fā)表在Materials Characterization上。

該團(tuán)隊(duì)利用光纖激光焊接技術(shù)，研究了不同焊接工藝參量對(duì)3 mm 板厚GH3539 合金焊接成形的影響，通過工藝優(yōu)化抑制了焊接裂紋、氣孔等缺陷的生成，首次實(shí)現(xiàn)GH3539合金無(wú)缺陷焊接成形。在此基礎(chǔ)上對(duì)焊接接頭的顯微組織和常溫/高溫力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)價(jià)；并分析了激光焊接接頭的拉伸斷裂行為，闡明了合金激光焊接接頭斷裂模式。該工作為推動(dòng)GH3539 鎳基高溫合金激光焊接技術(shù)發(fā)展和合金的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。

左下圖為GH3539 激光焊接接頭焊接截面微觀圖。

（本刊記者 逸飛）

天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)4D 打印高性能銅基形狀記憶合金

近日，天津大學(xué)徐連勇教授課題組利用激光粉末床熔化技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了高性能Cu-Al-Ni 形狀記憶合金的精準(zhǔn)控形控性和有效功能響應(yīng)。

研究表明，增材制造成形過程中熔池經(jīng)歷重熔激光的作用，凝固過程涉及固相重熔、有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變等，沉積態(tài)微觀組織由柱狀母相內(nèi)部形核的高度協(xié)調(diào)的馬氏體變體群組成，同時(shí)微觀元素偏析誘導(dǎo)了2H 型馬氏體和板條內(nèi)2H 馬氏體疇的形成。18R 馬氏體板條間分布高密度超結(jié)構(gòu)本征層錯(cuò)，板條間互為孿晶關(guān)系。針對(duì)沉積態(tài)Cu 基形狀記憶合金獨(dú)特的微觀組織和變形響應(yīng)，該團(tuán)隊(duì)對(duì)合金在變形過程中拉壓各向異性的變形機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)孿生變形主導(dǎo)了全部變形過程并在不同階段表現(xiàn)出各異的響應(yīng)方式。

通過前期工藝設(shè)計(jì)篩選出最優(yōu)工藝參數(shù)為激光功率300 W、線間距100 mm、曝光時(shí)間66.7 ms，輔以選區(qū)激光重熔技術(shù)，成功制備出高性能沉積態(tài)銅基形狀記憶合金。試樣的馬氏體相變溫度達(dá)到130℃，比傳統(tǒng)NiTi 合金提升60 ℃。極限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到（1593±10）MPa,斷裂應(yīng)變?yōu)?3%；形狀記憶效應(yīng)測(cè)試顯示，試樣可在<6%應(yīng)變的條件下實(shí)現(xiàn)完全的形狀記憶恢復(fù)，最大形狀回復(fù)應(yīng)變可達(dá)3.39%。

該工作為制備高表面質(zhì)量和優(yōu)良的力學(xué)/功能特性的高性能銅基形狀記憶合金提供了新的思路。該工作成果以Deformation mechanism of Cu-Al-Ni shape memory alloys fabricated via laser powder bed fusion:Tension-compression asymmetry 和Processmicrostructure-properties of Cu-Al-Ni shape memory alloys fabricated by laser powder bed fusion為題發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上，第一作者為張顏坤博士研究生，指導(dǎo)老師為韓永典教授和徐連勇教授。

（本刊記者 逸飛）

中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所在微結(jié)構(gòu)和損傷演化的準(zhǔn)原位EBSD觀測(cè)研究中取得進(jìn)展

近日，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所非線性力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室微結(jié)構(gòu)計(jì)算力學(xué)課題組孫成奇研究員等將常規(guī)試驗(yàn)機(jī)（如MTS 試驗(yàn)機(jī)）與EBSD 觀測(cè)技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展了一種可以實(shí)現(xiàn)大載荷、高頻率、不同應(yīng)力比下微結(jié)構(gòu)和損傷演化的準(zhǔn)原位EBSD 觀測(cè)方法，并且研究了深海載人潛水器耐壓艙用鈦合金和增材制造鈦合金在（保載）疲勞載荷下的變形和損傷行為。

研究發(fā)現(xiàn)，α 晶粒中是否能形成孿晶取決于晶粒的晶體學(xué)取向和加載條件，一定程度的保載應(yīng)力促進(jìn)可以發(fā)生孿生的α晶粒中孿晶的形成；觀測(cè)到隨著循環(huán)周次增加α晶粒中取向差增大和亞晶粒的形成，以及α 晶粒中由于孿生而形成亞晶粒的過程，為循環(huán)載荷下位錯(cuò)滑移和孿晶的形成都可以誘導(dǎo)晶粒的細(xì)化提供了直接證據(jù)。

研究表明，一定程度的最大應(yīng)力保載有利于脆性微裂紋的形成，但如果保載應(yīng)力高或保載時(shí)間長(zhǎng)，保載引起的塑性變形會(huì)抑制脆性微裂紋的增長(zhǎng)，并誘導(dǎo)延性破壞模式。該研究從微觀尺度解釋了保載應(yīng)力和保載時(shí)間不同而導(dǎo)致的不同失效機(jī)制。

相關(guān)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心“非線性力學(xué)的多尺度力學(xué)研究”項(xiàng)目等支持。部分研究結(jié)果與北交大合作完成，主要研究成果發(fā)表在International Journal of Fatigue上。

（本刊記者 逸飛）