哈工大合成功能性高分子結(jié)構(gòu)強(qiáng)化金屬/熱塑復(fù)材熱連接界面

輕質(zhì)合金與熱塑性復(fù)合材料形成的多材料混合結(jié)構(gòu)，成為未來(lái)裝備輕量化的主要表現(xiàn)形式，可實(shí)現(xiàn)局部減重30%～40%，在航空航天、軌道交通、汽車(chē)等行業(yè)具有廣泛應(yīng)用前景。但是，金屬與熱塑性復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和熱物理性能差異巨大，難以直接進(jìn)行熔化焊接，使得實(shí)現(xiàn)兩者的高強(qiáng)度直接熱連接成為異質(zhì)材料連接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

激光連接作為工業(yè)適用性較強(qiáng)的熱連接工藝，通過(guò)優(yōu)化工藝窗口及施加界面壓力可使金屬與熱塑性復(fù)合材料達(dá)成可靠連接，但直接連接的接頭強(qiáng)度較低，因此需要界面調(diào)控。

近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)檀財(cái)旺教授團(tuán)隊(duì)提出通過(guò)一種通過(guò)化學(xué)合成功能性高分子結(jié)構(gòu)定向誘導(dǎo)高密度二次交互作用的界面調(diào)控技術(shù)：根據(jù)金屬及熱塑性復(fù)合材料的原子及官能團(tuán)組成，合成功能性席夫堿聚合物，通過(guò)金屬原子與席夫堿官能團(tuán)的絡(luò)合作用及熱塑性復(fù)合材料與功能性席夫堿聚合物中的極性官能團(tuán)間的二次交互作用，結(jié)合高分子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬/熱塑性復(fù)合材料熱連接界面高密度二次交互作用的定向誘導(dǎo)。

相關(guān)論文以“Directionallyinduced high-densitysecondary interactionforenhancing thebondingreliabilityof titaniumalloyandCFRTP viafunctionalschiffbasecontainedpolymer”為題發(fā)表在CompositesPartB:Engineering上。

研究人員以TC4 鈦合金與碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮為待連接材料，篩選待連接材料內(nèi)的金屬原子及官能團(tuán)組成，通過(guò)化學(xué)合成手段成功制備了功能性席夫堿聚合物。通過(guò)定量噴涂法向TC4 鈦合金表面引入均勻的納米級(jí)功能性涂層，納米級(jí)功能性席夫堿高分子結(jié)構(gòu)在激光連接過(guò)程中對(duì)TC4 鈦合金內(nèi)鈦原子與碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料內(nèi)極性官能團(tuán)實(shí)現(xiàn)了高密度二次交互作用的定向誘導(dǎo)，通過(guò)傅立葉紅外光譜將交互作用進(jìn)行精確捕捉與鑒定，并通過(guò)第一性原理分析驗(yàn)證了作用機(jī)理及調(diào)控的定向性。改性的鈦合金/熱塑性復(fù)合材料激光連接接頭性能提升了287%。

同時(shí)，該技術(shù)的成本/效益系數(shù)低于目前界面強(qiáng)化研究領(lǐng)域報(bào)道的平均水平，具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景，并成功制備工業(yè)可應(yīng)用的大尺寸構(gòu)件。

這項(xiàng)研究突破了現(xiàn)有針對(duì)調(diào)控機(jī)械嵌合機(jī)制的微織構(gòu)引入加工時(shí)效長(zhǎng)、調(diào)控化學(xué)鍵合機(jī)制的界面鍵合誘導(dǎo)困難等局限，創(chuàng)新地結(jié)合化學(xué)合成手段，通過(guò)制備功能性調(diào)控結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)高密度二次交互作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬/熱塑性復(fù)合材料熱連接界面較弱連接機(jī)制的定向強(qiáng)化。該技術(shù)也為金屬/熱塑性復(fù)合材料熱連接界面定向調(diào)控提供新思路，為界面的二次交互作用的定向誘導(dǎo)、鑒定及驗(yàn)證奠定了理論基礎(chǔ)。

下圖為合成的功能性席夫堿聚合物及其定量噴涂示意圖。

（本刊記者 大漠）

山東大學(xué)克服雙相高熵合金強(qiáng)韌性倒置關(guān)系

山東大學(xué)機(jī)電與信息工程學(xué)院宋凱凱教授團(tuán)隊(duì)在高熵合金（HEA）材料結(jié)構(gòu)調(diào)控和力學(xué)提升方面取得新進(jìn)展。該工作創(chuàng)新性地將超快速退火（閃燈加熱）工藝和深冷處理工藝（UHDCT 工藝方法）應(yīng)用于TRIP 型雙相Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金，使其極限抗拉強(qiáng)度和延伸率同時(shí)提高了約58%和96%，為制備高強(qiáng)高韌高熵合金提供了新的思路。

相關(guān)成果以“Evading strength-ductilitytrade-off dilemmainTRIP-assisted Fe50Mn30Co10Cr10duplex high-entropyalloysvia flashannealinganddeep cryogenictreatments”為題，發(fā)表在ActaMaterialia。

研究表明，經(jīng)過(guò)UHDCT 工藝方法處理后，雙相高熵合金形成了一個(gè)包含超細(xì)表面區(qū)域、過(guò)渡區(qū)域和內(nèi)部區(qū)域的梯級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在這一過(guò)程中，深冷處理的應(yīng)用促成了超細(xì)表面區(qū)域形成納米針狀馬氏體。這些馬氏體因其出色的熱穩(wěn)定性，并未轉(zhuǎn)回奧氏體狀態(tài)，而是在表面區(qū)域粗化形成了納米層狀結(jié)構(gòu)。在靜態(tài)加載過(guò)程中，孿生誘導(dǎo)塑性主要控制著表面區(qū)域的塑性變形，從而提高了強(qiáng)度，使表面區(qū)域的維氏硬度比內(nèi)部區(qū)域高出約72%。另一方面，隨著過(guò)渡區(qū)和內(nèi)部區(qū)奧氏體轉(zhuǎn)變的逐步進(jìn)行，奧氏體含量得到了增加，晶粒得到了細(xì)化，促進(jìn)了馬氏體轉(zhuǎn)變誘導(dǎo)塑性效應(yīng)的發(fā)生，進(jìn)一步提高了強(qiáng)度和塑性。

此類(lèi)方法制備的高熵合金的力學(xué)性能可以媲美通過(guò)復(fù)雜熱機(jī)械過(guò)程制備的高熵合金的力學(xué)性能。

（本刊記者 大漠）

一種超高強(qiáng)度多尺度結(jié)構(gòu)的摩擦電氣凝膠膜

新一代可穿戴電子產(chǎn)品在生物醫(yī)學(xué)、個(gè)人健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，具有徹底改變?nèi)祟?lèi)未來(lái)生活方式的潛力。在改善功能電子產(chǎn)品魯棒性的同時(shí)提高其可持續(xù)穿戴能力，是推動(dòng)上述變革的有效途徑。基于接觸起電和靜電感應(yīng)耦合機(jī)制的摩擦電式傳感器，成為改變?nèi)祟?lèi)獲取周?chē)h(huán)境信息的高效工具。智能摩擦電式傳感器在解決電子產(chǎn)品能源供給問(wèn)題的同時(shí)，拓寬了材料的選擇范圍，以此將靈活賦予傳感設(shè)備更多的特殊功能。這為通過(guò)定制輕質(zhì)、堅(jiān)固的摩擦電材料以協(xié)同提高可穿戴電子產(chǎn)品的魯棒性和持續(xù)可穿戴能力提供了設(shè)計(jì)思路。

近日，王雙飛院士團(tuán)隊(duì)聶雙喜教授課題組基于“以患為利”的設(shè)計(jì)思想，制備了一種具有超高強(qiáng)度和多尺度結(jié)構(gòu)的摩擦電氣凝膠膜。自加速效應(yīng)幫助聚合物分子鏈之間形成多重氫鍵并快速出現(xiàn)凝膠化行為，迅速匹配的雙氫鍵誘導(dǎo)纖維素納米纖維與聚苯胺超分子在納米空間內(nèi)自組裝出具有多尺度纏繞的凝膠結(jié)構(gòu)。同時(shí),結(jié)合樹(shù)葉仿生的增強(qiáng)機(jī)制，氣凝膠膜的拉伸強(qiáng)度提高至104 MPa?；谠摎饽z膜所構(gòu)筑的可穿戴摩擦電傳感器顯示出良好的魯棒性和超快的響應(yīng)（48 ms）。

該項(xiàng)成果以“Multiscalestructural triboelectricaerogelsenabled byself-assemblydriven supramolecularwinding”為題發(fā)表在Advanced FunctionalMaterials上。

這項(xiàng)工作通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)自由基聚合反應(yīng)中“不利的”自加速效應(yīng)進(jìn)行合理控制，制備了一種具有多尺度纏繞結(jié)構(gòu)的纖維素基摩擦電氣凝膠，并基于此材料開(kāi)發(fā)了一種用于有毒環(huán)境中的高魯棒性自供電傳感器。這種“以患為利”的有趣設(shè)計(jì)思想，為高性能氣凝膠的簡(jiǎn)便制備提供了參考，以此構(gòu)建的自供電傳感器有望促進(jìn)可穿戴產(chǎn)品在復(fù)雜環(huán)境中的進(jìn)一步應(yīng)用。

左圖為摩擦電式傳感器的結(jié)構(gòu)組成。

（本刊記者 大漠）

西安交大：高精度數(shù)值仿真揭示流體彈性對(duì)聚合物3D 打印的影響

近年來(lái)，隨著材料領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展和計(jì)算機(jī)水平的不斷提高，3D 打印技術(shù)被越來(lái)越多地應(yīng)用于生產(chǎn)、生活。墨水直寫(xiě)因其受到溫度、光照和激光等外部條件的影響較小，設(shè)備需求相對(duì)簡(jiǎn)單 ，被廣泛應(yīng)用于藥物輸送、義肢制造、電子設(shè)備加工等領(lǐng)域。

西安交通大學(xué)袁文君特聘研究員和陳飛教授，與新加坡國(guó)立大學(xué)閆文韜教授合作，基于指數(shù)型PTT（Phan-thien tanner）本構(gòu)模型和高精度直接數(shù)值模擬方法，研究了黏彈性聚合物流體在打印噴嘴中的擠出、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的沉積及打印線條的變形行為。此研究主要從應(yīng)力層面揭示了彈性對(duì)線條沉積的影響機(jī)理，并針對(duì)不同打印速度和噴嘴距基底高度對(duì)線條的影響進(jìn)行了研究。

相關(guān)研究成果以 “Numericalinvestigation ontheviscoelasticpolymer flowinmaterialextrusion additivemanufacturing” 為題 發(fā) 表 在Additive Manufacturing上。

該工作通過(guò)研究彈性、打印速度和噴嘴與基底間的高度對(duì)線條形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)打印初期因彈性的增大產(chǎn)生的比較大的頭部會(huì)明顯影響打印線條的質(zhì)量。同時(shí)，當(dāng)噴嘴和基底間的距離較大時(shí)，線條中部會(huì)出現(xiàn)明顯凹陷。

本工作研究了打印參數(shù)對(duì)于打印線條形態(tài)穩(wěn)定性的影響，從應(yīng)力角度揭示了線條變形的機(jī)理，為墨水直寫(xiě)打印的實(shí)際應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。

下圖為不同橫截面上打印線條內(nèi)部應(yīng)力分量。

（本刊記者 大漠）

華中科技大學(xué)研制出可自愈可回收重構(gòu)可印刷的柔性光電探測(cè)器

柔性光電探測(cè)器在人體健康監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互、可穿戴視覺(jué)傳感等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。將半導(dǎo)體納米材料共混填充到聚合物基體內(nèi)，在保持聚合物本征特性基礎(chǔ)上進(jìn)一步疊加半導(dǎo)體材料的光電性能，是制備耐久穩(wěn)定的柔性光電探測(cè)器的普適性方法，但聚合物主體會(huì)嚴(yán)重束縛載流子傳輸路徑與遷移速率，導(dǎo)致難以獲得較佳的光電性能。同時(shí)，大部分柔性光電探測(cè)器難以在機(jī)械破損廢棄后進(jìn)行重復(fù)利用，這嚴(yán)重阻礙了其長(zhǎng)期可靠的應(yīng)用。

針對(duì)上述問(wèn)題，華中科技大學(xué)翟天佑教授/李會(huì)巧教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種可自愈可回收重構(gòu)的高性能Te NWs/MoS2/Polyimine柔性光電探測(cè)器。該工作以MoS2作為光電功能基元、以Te NWs 作為載流子橋梁，以聚亞胺作為動(dòng)態(tài)聚合物基體，通過(guò)流體限域刮涂方法在Polyimine 基體中構(gòu)筑長(zhǎng)程取向–橋接的1D/2D Te NWs/MoS2載流子輸運(yùn)通道，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了器件載流子遷移率與光電探測(cè)性能的顯著提升，并賦予其優(yōu)異的彎曲/環(huán)境穩(wěn)定性、自修復(fù)性以及可回收重構(gòu)性。同時(shí)，還可通過(guò)絲網(wǎng)印刷的方式將Te NWs/MoS2/Polyimine 柔性光電探測(cè)器與織物結(jié)合，進(jìn)行圖案化定制，實(shí)現(xiàn)了大面積圖像傳感。

該研究以“High-performanceTe nanowires/MoS2/polyimine nanocomposite-basedselfhealable,recyclableand screen-printableflexible photodetectorforimage sensing”為題發(fā)表在AdvancedFunctional Materials上。

下圖為T(mén)e NWs/MoS2/Polyimine 柔性光電探測(cè)器性能及應(yīng)用示意圖。

（本刊記者 大漠）

室溫下高變形性高強(qiáng)度的多晶氮化硼塊體陶瓷

近日，燕山大學(xué)的田永君院士和趙智勝教授課題組共同報(bào)道了一種在室溫下具有高變形性和高強(qiáng)度的多晶氮化硼塊體陶瓷。這種陶瓷采用洋蔥狀氮化硼納米前驅(qū)體，結(jié)合傳統(tǒng)的火花等離子體燒結(jié)和熱壓燒結(jié)工藝，形成了由互鎖的層狀納米板構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，這些納米板在不同的扭曲角度下平行堆疊。該塊狀陶瓷的壓縮應(yīng)變?cè)跀嗔亚翱蛇_(dá)到14%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)陶瓷的1%的變形率，其壓縮強(qiáng)度也是常規(guī)六方氮化硼層狀陶瓷的6 倍。這種出色的機(jī)械性能得益于納米板內(nèi)扭曲分層的固有變形能力，以及三維交錯(cuò)結(jié)構(gòu)對(duì)變形在單個(gè)納米板上擴(kuò)散的限制。這種新型扭曲層狀氮化硼塊狀陶瓷的開(kāi)發(fā)，為制造具有高變形性的塊狀陶瓷開(kāi)辟了新途徑。相關(guān)研究成果以“Twistedlayerboronnitrideceramic withhighdeformability andstrength”為題發(fā)表在Nature。

通過(guò)在納米板內(nèi)引入扭曲層狀結(jié)構(gòu)和構(gòu)造三維互鎖納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了vdW BN 陶瓷的高變形性、可塑性和強(qiáng)度。進(jìn)一步地，通過(guò)添加BN 或碳納米纖維、納米管或引入第2 種陶瓷相，有望提升扭曲層陶瓷的韌性和強(qiáng)度。

這種塑性變形的能力表明，陶瓷材料能夠像金屬一樣實(shí)現(xiàn)真正的永久形變而不發(fā)生斷裂。此項(xiàng)研究所展示的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，為開(kāi)發(fā)具備更高室溫變形能力、強(qiáng)度、韌性及能量吸收性能的其他層狀vdW 工程陶瓷提供了新的思路。

（本刊記者 大漠）

激光表面區(qū)熔快速凝固揭示復(fù)合陶瓷的組織演化和凝固行為

在眾多高溫結(jié)構(gòu)材料體系中，熔體生長(zhǎng)的共晶復(fù)合陶瓷具有高熔點(diǎn)、低密度、良好的高溫力學(xué)性能和抗氧化、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，有望成為超高溫極端環(huán)境服役的新一代結(jié)構(gòu)材料。

激光表面區(qū)熔（LSZM）技術(shù)利用高能激光束為熱源，對(duì)試樣局部加熱，使其完全熔化并形成穩(wěn)定熔區(qū)，并通過(guò)激光束的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)材料從底部到表面的定向凝固。高能量密度激光（105～107W·cm-2）可以在短時(shí)間內(nèi)（10-3～10-2s）使材料熔化并發(fā)生凝固。不同于傳統(tǒng)燒結(jié)陶瓷，LSZM 技術(shù)制備陶瓷無(wú)須添加燒結(jié)助劑，通過(guò)熔體生長(zhǎng)可獲得界面結(jié)合良好、無(wú)非晶相的超細(xì)化凝固組織，有利于陶瓷性能的提升。

近日，西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院蘇海軍教授團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了LSZM 制備ZrB2–SiC 復(fù)合陶瓷過(guò)程中的組織演化和凝固行為。研究表明，過(guò)高的掃描速度會(huì)導(dǎo)致熔體溫度的降低，進(jìn)而導(dǎo)致共晶組織的粗化。然而盡管在較低掃描速度（100 μm/s）下，關(guān)停激光造成的淬火現(xiàn)象所獲得的共晶間距僅為0.39 μm，比500 μm/s 下凝固的共晶組織還要細(xì)小。從熔池底部到頂部的凝固順序?yàn)榇殖跎鄥^(qū)、定向凝固共晶區(qū)、粗樹(shù)枝狀共晶區(qū)和迷宮狀共晶區(qū)。共晶區(qū)中有一些弧形的粗共晶帶，是由熔池對(duì)前一個(gè)熔池中凝固的共晶區(qū)的二次加熱形成的。熔體成分的偏離和固液界面上雜質(zhì)元素的積累分別會(huì)導(dǎo)致?lián)p害力學(xué)性能的單相失穩(wěn)和雙相失穩(wěn)，這種現(xiàn)象可以通過(guò)降低原料中的雜質(zhì)含量，適當(dāng)提高SiC 含量，或通過(guò)調(diào)整激光功率和掃描速度來(lái)控制凝固速率來(lái)抑制。

（本刊記者 大漠）