简讯

具有多路径变形能力的可折展力学超材料

自然界中普遍存在着可编程的“材料”，它们通过内嵌的“开关”来实现自身形状或运动方式的改变，从而实现特定功能或适应特殊工况。例如，捕蝇草通过感应外界环境来诱导叶面失稳完成对昆虫的捕捉，含羞草通过感应外界激励可以快速闭合叶片来实现主动保护。与此相比，传统材料尽管支撑了人类文明几千年的发展，但展示的是刚度和强度等被动的力学性能，不具有多模态和多路径的变形能力，也难以进行适时自主调整。

最近，清华大学航天航空学院陈常青教授课题组提出了一个基于“铰-杆”模型的通用设计框架，使力学超材料具有多模态、多路径变形能力。利用外界激励（如力、热、光、电、磁等）所诱导产生变形的临界阈值不同，使力学超材料实现了多步的顺序变形，从理论上证明了n步变形的可行性。并以双稳态自折叠单元作为折叠铰，通过改变尺寸来调控突跳阈值，进而构建具有不同变形模态的基本单元（力学超材料元胞），实现了可折展力学超材料从一维到二维和从二维到三维的多步、多模态变形。

课题组采用双材料增材制造技术，实现了具有可调双稳态性质的自折叠单元，克服了可展力学超材料在实际应用中不可恢复和无法重编程的难题，使其具备温度诱导的可恢复变形能力和不同变形路径间相互转换的能力，丰富了可展力学超材料变形模态的设计空间。上述力学超材料还有望应用于毫米级血管支架、多模态可重构超材料、自折叠自组装机器人、空间可展结构、可变形建筑等领域。

相关研究成果以Deployable mechanical metamaterials with multistep programmable transformation为题发表在Science Advances上。左图为多模态和多路径变形的可折展力学超材料。

（本刊记者 雪松）

马普所调控溶质偏析和纳米析出获得超高强钢

钢是应用最广泛的结构金属合金，尽管许多其他金属合金表现出优异的综合力学性能，然而，由于其成分中镍、钴等关键元素含量较高，成本昂贵，应用受到严重限制。冶金学的最新趋势是通过高合金化成分调整来实现新的机械性能，但可持续发展的目标鼓励使用精益成分和纳米结构调整。

德国马克思普朗克研究所A. Kwiatkowski da Silva 等提出了一种基于偏析的可持续钢的替代策略，这种成分为Fe18Mn3Ti（质量分数）超高强度钢，不含关键元素，而是通过第二相纳米沉淀使其强度变得超高，与低Co 等级的含镍马氏体时效钢抗拉强度相似。

该合金在450℃左右的预定时效温度下对成分波动不稳定，这些波动是α-Mn 纳米析出相形核的前驱体，可以降低基体中位错的迁移率，从而使马氏体基体发生沉淀强化。研究者通过加入质量分数为3% Ti，使奥氏体在淬火和冷轧过程中转变为α-马氏体，防止大量残余奥氏体和ε-马氏体，稳定第二相α-Mn 析出相。这种策略，避免了在常规超高强度马氏体时效钢中添加Co 和Mo 等导致金属间析出的关键元素。Mn 完全取代Ni，参与了奥氏体的稳定和沉淀的形成。相关研究成果以A sustainable ultrahigh strength Fe18Mn3Ti maraging steel through controlled solute segregation and α-Mn nanoprecipitation为题发表在Nature Communications上。

（本刊记者 雪松）

上海硅酸盐所在3D打印碳化硅陶瓷研究中取得新进展

碳化硅（SiC）陶瓷由于其易氧化、难熔融、高吸光，成为3D 打印陶瓷中亟待攻克的难题。目前大多数3D 打印SiC 陶瓷方法中打印材料固含量较低、硅含量较高、力学性能较低，普遍采用化学气相沉积CVI 或者前驱体浸渍裂解PIP 等后处理工艺，提高材料固含量来实现陶瓷材料综合性能的提升，这样势必降低3D 打印SiC陶瓷工艺的优越性。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所黄政仁研究员团队陈健副研究员首次提出高温熔融沉积结合反应烧结制备SiC 陶瓷新方法。该方法采用高温原位界面修饰粉体，低温应力缓释制备出高塑性打印体，获得了低熔点高沸点的高塑性打印体，材料固含量超过60%（体积分数）；之后对塑性体进行高密度叠层打印，打印的陶瓷样品脱脂后等效碳密度可精确调控至0.80 g/cm3，同时对陶瓷打印路径进行拓扑优化设计，可在样品中形成树形多级孔道；最终陶瓷样品无需CVI 或PIP 处理，直接反应渗硅烧结后实现了低残硅/碳的高效渗透和材料致密化，SiC 陶瓷密度可达（3.05±0.02）g/cm3, 三点抗弯强度为（310.41±39.32）MPa，弹性模量为（346.35±22.80）GPa，陶瓷力学性能接近于传统方法反应烧结制备SiC 陶瓷。

相关研究成果发表在Additive Manufacturing（d o i.o r g/1 0.1 0 1 6/j.addma.2022.102994）上，申请中国发明专利2 项。

（本刊记者 雪松）

NASA开展飞机“混合热高效核心机”研究

据报道，美国航空航天局（NASA）的研发人员正在为下一代单通道飞机设计一种新的喷气发动机，与目前的发动机相比，推力相当、外观相同，但更省油。

“混合热高效核心机”（HyTEC） 是NASA 于2021 年6 月启动的项目，面向下一代单通道飞机，开发小型涡扇发动机核心机，提高发动机燃油效率。该项目还包括混合动力研究，开发从发动机中提取更多电力的方法，为其他机上系统提供电力，这可以像混动汽车一样提高燃油效率。HyTEC 的目标是相关技术未来10 年内投入应用。NASA 格伦研究中心HyTEC 项目负责人Anthony Nerone 表示，小型核心发动机的目标是燃油消耗减少5%～10%。

HyTEC 研究工作的关键是发动机涵道比。HyTEC 项目将大幅提高涵道比，达到15。为保持发动机推力，进入核心机的空气的压力和温度将增加。由于目前发动机的结构材料无法承受这种压力和温度，项目正在开发新的更耐用的材料，如陶瓷基复合材料和保护涂层。这些材料必须在实验室中进行测试和验证。

研究人员目前正在NASA 格伦研究中心的材料实验室和合作伙伴开展研发和测试，以确保新材料能够承受高温高压，并且足够耐用。采用较小的发动机核心机，还需要对新的技术创新和设计进行研究和试验。在完成部件验证后，HyTEC 团队将与工业界合作伙伴合作，制造一台小型核心机，并开展运行试验，研究从小型核心机发动机中可以提取多少电力。

HyTEC 项目完成小型核心机技术验证后，NASA计划与发动机公司合作，使小型核心机技术比计划更快投入使用，以便其应用于21 世纪30 年代中期的飞机。下图为核心机示意图。

（本刊记者 雪松）

铝合金热稳定化研究取得重要进展

时效析出强化是高强铝合金一种重要的强韧化手段，其本质是溶质原子扩散控制的固态相变行为，而铝合金中置换型溶质原子扩散与空位迁移密切相关，因此经典时效析出理论认为过饱和空位起到了不可或缺的促进作用。室温下溶质脱溶的热稳定性不足，以及晶内位错存储匮乏的塑性变形能力不足，成为制约超细/纳米晶铝合金工程化应用的两大瓶颈问题。单纯从理论上考虑，空位浓度最小化是解决该瓶颈问题的可能途径，即在细化晶粒的同时尽量消除空位，使空位对溶质扩散的牵引力趋近于0。但是在实际应用中，消除空位几乎是无法实现的。

针对上述问题，西安交大金属材料强度国家重点实验室孙军院士团队提出了采用超高空位浓度来稳定纳米铝合金中溶质原子的新策略。不同于以往消除空位以稳定溶质原子的传统观点，他们基于强结合溶质原子-空位复合体的微观组织设计思想，通过在原子层次解析溶质原子-微合金化元素-空位之间的交互作用，借助第一性原理的计算模拟与分析，选用团队具有研究特色的Al-2.5%Cu-0.3%Sc（质量分数）合金作为模型材料，在液氮温度下采用高压扭转方法制备了纳米晶合金(AlCuSc-C)；同时归因于低温抑制热激活效应，以及Sc 微合金化元素对空位的强力捕获作用，获得了超高浓度的空位(原子分数～0.2%)，与常规大变形制备的铝合金相比提高了近2 个数量级，自发形成了具有极强结合力的、热力学上稳定的(空位-Cu-Sc- 空位) 原子复合体，均匀弥散而且稳定地分布在纳米晶晶粒内部，有效地阻止了Cu 向晶界扩散、偏聚和析出。这种双空位与Cu 和Sc 原子形成的原子复合体显示出了极好的热稳定性，230℃、时效50 h 条件下，在AlCuSc-C 合金中未观察到晶内或晶界的第二相颗粒析出。

相关研究成果以Freezing solute atoms in nanograined aluminum alloys via high-density vacancies为题发表于Nature Communications上。 （本刊记者 雪松）

高分子-金属连接界面研究取得新进展

近日，上海交通大学材料科学与工程学院焊接所王敏教授、陈科副教授课题组通过多尺度表征方法，阐明了高分子与金属的界面反应机制，揭示了高分子-金属界面结构及宏/微观结合机理。

研究团队以应用于5G 通信光缆金属铠装层中的钢塑复合带为研究对象，对复合带中乙烯丙烯酸与镀铬钢的界面结构、化学反应及结合机理开展研究。对覆膜镀铬钢界面结合机理的主流认识是氢键结合，但是，一直以来缺乏试验证据。在这项工作中，作者利用ToF-SIMS 深度剖析技术给出了氢键结合的直接试验证据。在此基础上，发现了一种共价键合的界面结合新机制：乙烯丙烯酸中羧基与镀铬钢表面Cr2O3之间化学反应形成-(O=)C-O-Cr 单齿键合和-C-(O-Cr)2双齿键合。并首次对共价键和氢键对界面结合的贡献进行了评估和比较。结果表明，共价键占据主导地位。

这项研究通过多尺度分析，为面向5G 通信光缆应用的钢塑复合带成型工艺优化、寻找新的高分子替代材料从而开发新型复合带提供了理论基础。

该成果以Chemical reaction and bonding mechanism at the polymermetal interface为题发表在ACS Applied Materials &Interfaces上。

（本刊记者 雪松）

南工大揭示钛合金断裂动态再结晶及相变机制

β-Ti 合金良好强韧性主要是由于变形过程中同步激活的多种变形机制，包括位错滑移、孪晶诱导塑性（TWIP）、相变诱导塑性（TRIP）。目前β-Ti 合金的变形机制已有大量研究，但是其断裂机制却极少受到关注。在前期工作中，南工大研究团队已经发现Ti-12Mo 合金在准静态拉伸断裂过程中，剪切带内的剧烈塑性变形可以使钛合金剪切带内的温度瞬间上升至1250～2450℃，导致断口附近出现局部熔化及动态再结晶。

针对该合金断裂过程中的动态再结晶现象，南京工业大学轻质材料中心与比利时法语天主教鲁汶大学、安特卫普大学合作，通过FIB 在Ti-12Mo合金断口的不同区域切透射样品，随后采用透射电子显微镜中配备的旋进电子衍射技术（自动晶体取向成像，ACOM-TEM，通过标定衍射斑获得纳米晶取向）揭示Ti-12Mo 断裂过程中的动态再结晶机制。相关论文以Shear banding-activated dynamic recrystallizationand phase transformation during quasi-static loading of β-metastable Ti-12 wt%Mo alloy发 表 在Acta Materialia上。

在本试验中，首先在合金断口表面至芯部4 个不同位置切透射样品，这4个区域分别对应断裂的不同阶段。通过分析不同区域内等轴晶粒内部的取向变化，可以判断连续再结晶是断裂过程中的主要再结晶机制。在绝热剪切带拓展的最初阶段，由于切变应力较小且温度升高较小，表面晶粒会逐渐旋转并与切边方向平行，同时产生一定量的动态回复。而随着切应力的不断增大及温度升高，断口表面会出现连续动态再结晶，形成等轴纳米晶，同时再结晶区域的ω 析出相会首先溶解并再次析出。

以上发现丰富了β-Ti 合金的断裂机制的认识。左图为Ti-12Mo 合金断裂过程中的动态再结晶机制。

（本刊记者 雪松）

最新研究：电子束熔化和选区激光熔化Ti6Al4V 的关键区别

增材制造（AM）Ti64材料通常易受到微观结构的影响，AM 工艺引起的缺陷会改变机械性能或破坏耐腐蚀性。由于每种工艺产生的微观结构不同，材料的机械性能可能会有很大差异。即使在相同技术和相似工艺参数生产时，由于AM 工艺的高度可变性，材料结构和响应也会有很大差异。

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的一项最新研究通过比较电子束熔化成形（EBM）制备的Ti64 试样与不同参数下选区激光熔化（SLM） Ti64 试样的拉伸性能，评估哪些微观结构特征对AM Ti64 的屈服强度、均匀伸长率和断裂发生最为关键。相关论文以Critical differences between electron beam melted and selective laser melted Ti–6Al–4V为题发表在Materials & Design上。

研究者使用不同尺寸金属粉制备试样，分别为粗粉（CP）、细粉（FP）和具有较厚矩形板几何形状的细粉（FPT），评估了不同方法制备的Ti64 的拉伸性能，并对用粗粉构建的EBM Ti64 进行了详细的微观结构分析，与SLM Ti64 的微观结构进行比较。当总孔隙率较低时，构建方向对延展性和失效应变的影响较低，这是因为织构和原β 晶粒形态对延展性的影响不如Ti64中保留的β 相和板条α 相的影响。虽然EBM Ti64 与SLM Ti64 相比在延展性方面存在一定改善，但从设计的角度来看，除非进一步改善孔隙率，否则不能认为EBM 材料具有更高的拉伸性能。在EBM 试样中，粗粉样品和细粉样品表现出相似的平均延展性和强度，但性能上分散度很大。

（本刊记者 雪松）