简讯

在原子尺度上跟踪晶界滑动取得新突破

晶界（GB）是分离不同晶体取向的晶粒的界面。当相邻的两个晶粒发生平行于边界面的相对位移时，GB 发生滑动。近年来，GB 滑动在纳米晶金属的塑性变形和晶粒尺寸稳定研究中受到了广泛的关注。虽然利用各种原位和非原位试验技术对GB 介导的变形进行了研究，但GB 滑移所采用的原子尺度过程仍不清楚，这主要是因为缺乏直接的高分辨率试验观测。

在过去的几年中，原位原子分辨试验取得了迅速的进展。然而，与一般GB 变形相关的原子尺度过程还没有明确的解决，主要是因为在GB 变形过程中跟踪原子运动是极其困难的。

鉴于此，北京工业大学韩晓东教授、佐治亚理工学院朱廷教授和浙江大学张泽院士合作使用像差校正的原位电子显微镜观察在应变过程中的铂晶界，以揭示在铂双晶中的一般倾斜GB 中如何实现滑动主导变形。他们观察到沿GB 的直接原子尺度滑动或在边界平面上的原子转移滑动。后一种滑动过程是由使GB 原子能够传输的断开运动介导的，导致以前无法识别的耦合GB 滑动和原子平面转移的模式。这些结果使人们能够在原子尺度上理解一般GBs 如何在多晶材料中滑动。

该研究结果清楚地显示了一般GB 在低温下是如何滑动的，并且没有（或很少）伴随GB 迁移。这项工作展示了利用原位原子分辨率TEM 试验来理解多晶材料中界面介导的变形和失效机制的巨大潜力，并为试验和原子建模之间的高分辨率联合提供了新的机会。

相关研究成果以Tracking the sliding of grain boundaries at the atomic scale为题发表在Science上。

（本刊记者 雪松）

航空工业亮相首届世界防务展

2022年3月6～9日，首届世界防务展在沙特首都利雅得举办。中航技代表中国航空工业，作为中国国家国防科技工业局组织的“中国军工”国家展团的航空板块，携多型高新航空产品及解决方案精彩亮相，是规模最大的国家展团之一。

中航技的展品主要涵盖战斗机、运输机、无人机等高端装备，包括“鹘鹰”战斗机、运9E 运输机、“翼龙”-2 无人机及先进航空研发制造中心沙盘、外置式火控挂架系统，并展出AR-36 无人机、Vespa“虎头蜂”垂直起降无人机及其他小型无人机系统。先进的战斗机、运输机、无人机及机载武器系统展现了中国航空工业的发展成就。集设计研发、试验验证、零件制造、总装集成、调试试飞以及综合保障等能力为一体的先进航空研发制造基地沙盘则直观地展示了航空制造全价值链的核心要素，勾画了建设本地化航空工业能力和培养本地化人才的蓝图。

本届世界防务展由沙特军事工业总局主办，沙特国防部、内政部、国民卫队等部门协办，是沙特举办的首届国际性综合防务展会，致力于使沙特成为未来防务贸易和创新的理想枢纽。

据主办方介绍，本届世界防务展共吸引沙特本地及全球超过45 个国家的600 余家参展商参展，超过3 万专业观众参观。

（本刊记者 雪松）

增材制造双相钛合金的变体选择行为研究

近日，澳大利亚皇家墨尔本理工大学S.L. Lu等人对增材制造的双相钛合金的变体选择展开了研究，结果表明在增材制造双相钛合金中的柱状β晶粒和等轴β 晶粒内部展现出完全不同的变体选择行为，对合金的力学性能和变形行为具有显著影响，相关论文以Variant selection in additively manufactured alpha-beta titanium alloys为题发表于Journal of Materials Science & Technology。

双相钛合金(α+β)由于其强度高、耐热性好、综合力学性能好，在增材制造领域中占有很大的比重。对于传统的双相钛合金Ti-6Al-4V 和Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo，增材制造后的样品通常展现出明显的β 柱状组织。由于成形过程中利于生产的热梯度的影响，这种β 柱状晶粒通常具有<001>方向平行于构建方向BD 的织构，并在随后相变过程中会导致α 相的<0001>方向与水平面成0°或45°左右，最终对合金的力学性能和变形行为产生显著影响。由于β 相向α 相转变过程存在伯格斯位向关系，单一β 相可以随机转化为12种不同的α变体。显然，增材制造过程中，α 变体的产生并不是随机的，即发生了明显的变体选择。

本研究通过调节激光金属粉末沉积（LMD）工艺参数分别合成了具有柱状β 晶粒和等轴β 晶粒的Ti-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 和Ti-4Al-2V 双相钛合金，对具有不同β 晶粒形貌的增材制造双相钛合金的变体选择行为展开了研究。总的来说，具有不同β 晶粒形貌的双相钛合金（等轴和柱状）合金内部展现出截然不同的变体选择行为，从而显著影响了两种微观组织的变形行为和力学性能。实现β 晶粒形貌和α 变体选择的有效调控，将有助于获得力学性能优异的增材制造双相钛合金。

（本刊记者 雪松）

苏州纳米所提出微凝胶辅助悬浮3D打印气凝胶通用策略

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张学同团队提出了一种通用的微凝胶辅助悬浮打印（MSP）策略，用于按需构筑各种具有任意立体结构的介孔气凝胶。作为概念证明，研究采用去质子化的凯夫拉纳米纤维（KNF）分散液为墨水，选用合理设计的微凝胶作为辅助基质，通过基于挤出的3D 打印技术，将KNF 墨水按预先设定的结构逐层沉积到微凝胶基质中，经基质去除、溶剂交换和超临界CO2干燥，获得了由随机缠结纳米纤维组成的3D 打印Kevlar 气凝胶（3D-KA）。

研究发现，通过MSP策略，KNF 墨水在高速打印模式下展示了优异的可打印性和可编程性，可制备出具有任意空间结构的Kevlar 结构，如各种线条图案和体型结构。

为验证基于MSP 策略制备的凯夫拉气凝胶的实际应用，研究人员通过合理的工程设计定制了Kevlar 气凝胶绝热组件（3D-KAI）。由于气凝胶固有的隔热性能和Kevlar的极端耐高低温特性，该3D-KAI 显示出优异的低温防护性能，在-30℃下，安装有定制3D-KAI 的无人机电池（D-LIPO）放电容量为2217mAh，比未安装3D-KAI 的D-LIPO高26%（放电容量为1761 mAh），这表明电池可以得到有效保护，以确保其在恶劣环境下的正常放电。由MSP 策略定制的3D-KAI 可以准确复制实际设备的多尺度架构，并解决电池在低温下运行时容量下降的问题，可扩展到气凝胶在其他隔热保温环境的应用。

相关成果以General suspended printing strategy toward programmatically spatial Kevlar aerogels为题发表在ACS Nano上。

（本刊记者 雪松）

非晶合金领域取得重要进展

固液界面在工业加工中是普遍存在的，通过影响结晶相的形核和生长，控制着凝固材料的组织演变、缺陷的产生以及最终的性能。固液界面对形核和生长的影响常从其热力学（即界面自由能γ0）的角度进行讨论，在铸造和焊接中通过添加孕育剂或微量元素以获得理想的晶粒结构。另一方面，对界面结构经常从晶体生长动力学方面进行研究。通过过冷熔体的均质形核等技术可以确定固液界面γ0。即便有了对固液界面的理解，但对合金固液界面热力学和动力学的认识还远远不够。最近，来自德国和加拿大的科研人员研究发现了独特原子结构，表明层错和负温度依赖性界面自由能之间有很强的相关性，这可能是Al-Sm 和Cu-Zr 均为非晶形成系统的一个关键特征，目前尚不清楚这种异常依赖性是否可以扩展到其他非晶系统中。

该研究利用分子动力学模拟等方法，计算了Cu-Zr 体系中B2-液相界面的γ0，得到了Lennard-Jones 模型 B2-液态合金的温度依赖性，提出了独特的界面结构和非典型的温度依赖性是易形成非晶合金的标志。相关论文以Layering misalignment and negative temperature dependence of interfacial free energy of B2-liquid interfaces in a glass forming system为题发表在Acta Materialia上。

研究发现当B2 相保持化学计量成分/结构时，B2-液相界面的界面自由能具有负的温度依赖性。对于纯金属，固液界面γ0的温度依赖性是正的。对合金而言，固液相平衡成分随温度的变化沿液相线/固相线变化。因此，γ0不仅依赖于温度和过剩熵，还依赖于溶质原子的过剩比例和化学势。分子动力学模拟表明，在固-液界面附近溶质种类的数量密度峰可能存在负γ0依赖关系。

本研究用原子模拟的方法研究了Cu-Zr 和Lennard-Jones 体系中的B2-液相界面。证实在稀Al-Sm 和Cu-Zr 合金中观察到的层错与界面自由能对温度的负相关性之间的关联可以扩展到高浓度成分和具有fcc 以外晶体结构的固相。此外，只有当B2 相保持等原子组成以及在Al-Sm 和Cu-Zr 中的小溶解度时，才会发生配错和负依赖性。本研究为非晶合金的设计提供了理论基础。

（本刊记者 雪松）

纳米沉淀相调控获得高性能增材制造形状记忆合金

控制金属材料基体中沉淀相的尺寸和分布是调控其力学性能的重要方法之一。对于TiNi 合金而言，其中的Ti2Ni 沉淀相的形成与分布显著影响其形状记忆和力学性能。增材制造逐道逐层熔化和凝固金属粉末的非平衡凝固特点，决定了其独特的沉淀相析出行为。尤其，TiNi形状记忆合金的沉淀相析出行为对合金成分和凝固条件非常敏感。因此，增材制造TiNi 形状记忆合金的热处理工艺与组织性能关系，是一个亟待明晰的科学问题。

为获得高性能选区激光熔化（SLM）TiNi 合金，华南理工大学的研究人员对SLM 制备的TiNi 合金进行了3种不同的热处理，以调控SLM TiNi 合金中Ti2Ni 沉淀相的尺寸和分布，研究了SLM 制备富Ti的TiNi 合金中纳米Ti2Ni沉淀相的分布与尺寸演化规律，揭示了纳米Ti2Ni 相的分布与尺寸同其力学和形状记忆性能的内在关联。

通过设定的热处理工艺使得富Ti 的TiNi 合金基体中纳米Ti2Ni 沉淀相均匀化，具有均匀分布纳米Ti2Ni 沉淀相的TiNi 合金具有优异的拉伸性能（拉伸强度为(880±13) MPa，断裂应变为22.4%±0.4%），相对先前的文献报道结果，实现了SLM TiNi 合金强度和塑性的同时提高；同时，纳米Ti2Ni 沉淀相均匀化的TiNi 合金具有良好的形状记忆性能，其拉伸可回复应变为5.32%，回复率高达98.2%。

该研究得到了力学性能和形状记忆性能同步提升的TiNi 合金，后续研究需要聚焦于SLM 制备TiNi 合金的功能疲劳和结构疲劳特性，以加快其工业化应用进程。

左图为不同热处理条件下SLM TiNi 合金的组织演变示意图。

（本刊记者 雪松）

沈阳自动化所在陶瓷增材制造技术领域取得新进展

近日，中国科学院沈阳自动化研究所提出了一种光固化数学模型，用于分析研究立体光刻（SLA）零件的成型质量；发现前驱体陶瓷浆料在增材制造过程中存在固化缺陷，并提出了改善方法。该研究成果发表于Journal of the European Ceramic Society。

陶瓷作为材料界的新秀，其中的结构陶瓷和功能陶瓷广泛应用于航空航天、电子科技和生物医药等领域。增材制造技术使得陶瓷产品多样化、复杂化、多功能化和高性能化，但是增材制造过程中的光固化缺陷是影响最终产品的关键因素。以往的研究仅是局限于材料与激光之间的相互作用，而整体光固化的固化区域布局和缺陷分布规律未曾被研究，其中牵涉到的陶瓷浆料的单点光固化数学模型更没有被提出。

沈阳自动化所工艺装备与智能机器人研究室提出一种光固化数学模型，用于分析在不同点搭接率、线搭接率和面搭接率下，零件整体光固化中不同固化质量布局和缺陷形成规律；通过试验验证的方法，进一步提出结合浆料参数与设备参数相匹配的方法，从而改善陶瓷增材制造过程中的缺陷问题。

目前，沈阳自动化所拥有了国内先进的陶瓷增材制造能力，具备高精度成型的立体光刻工艺、材料热重分析仪器、温控精准的1700℃高温电炉和真空脱脂炉等设备，能够形成一条基于数字光固化成型的陶瓷产品制备的工艺链，自主研发和设计不同复杂形状的陶瓷零件。

左图为多孔且具备复杂和简单结构的氧化铝陶瓷。

（本刊记者 雪松）

高通量粉末X 射线衍射技术领域取得新进展

近日，南方科技大学材料科学与工程系讲席教授项晓东团队在材料结构和成分的高通量表征领域取得重要进展，相关成果以High-throughput powder diffraction using white X-ray beam and a simulated energydispersive array detector为题发表在《中国工程科学》英文版。

快速获得材料基因图谱中结构和成分的基础性数据一直是高通量表征技术的瓶颈。为了解决这一难题，必须大幅提高现有的X 射线衍射和荧光试验的表征效率。

目前，虽然高通量制备技术已日臻成熟，然而实时、原位、微区的高通量结构和成分表征技术的缺失制约了材料大数据库的建立和完善。

该研究工作不仅验证了白光X 射线能散面探衍射技术的可行性，实现结构和组分的高通量表征，也是对现有的普通面探测器衍射技术、多点能散衍射技术的一个巨大突破，拓展了这两种技术在能量和空间上的维度，为超快超高分辨XRD 技术奠定了基础，将进一步推动材料科学迈入以大数据为基础的科学第四范式。

（本刊记者 雪松）