简讯

一种预测率100%的3D打印随机锁孔检测方法

在粉末床激光熔融（LPBF）金属3D 打印技术中，孔隙一直都是重要的缺陷类型。虽然当前所开发的光学和声学传感系统在金属3D 打印实时检测和质量控制方面发挥了一定作用，但检测局部和瞬时生成锁孔仍然具有挑战性。这是因为除了参数漂移，在不稳定锁孔条件下的激光扫描过程中，气泡形成的确切位置随机产生，无法确定哪些气泡最终会变成孔隙，哪些会被锁孔重新捕获并消失。

弗吉尼亚大学材料科学与工程专业孙涛副教授领导的研究团队利用同步高速加速器X 射线和热成像，在不稳定的锁孔条件下发现了Ti6Al4V 的两种锁孔振荡模式——固有振荡和扰动振荡，而高频扰动振荡是产生锁孔孔隙的原因。研究人员开发了一种通过集成试验数据、多物理场仿真和机器学习来检测锁孔生成的方法。使用钥匙孔区域发出的热信号来预测孔隙生成，LPBF过程的X 射线图像为校准和验证理论模型以及训练机器学习算法提供了丰富的真实数据。孙涛副教授指出：“通过整合原位同步加速器 X 射线成像、近红外成像和机器学习，我们的方法能够以亚毫秒时间分辨率和100%的预测率捕获与锁孔生成相关的独特热特征。”

这种简单实用的方法极大提高了金属3D 打印技术的质量保证能力，对扩大航空航天和其他领域该技术的应用带来新的契机。该课题研究成果以Machine learning–aided realtime detection of keyhole pore generation in laser powder bed fusion为题发表在Science上。

（本刊记者 雪松）

西安交大研制出400℃级别耐热高强铝合金

航空航天、交通运输等领域对材料轻量化的需求日益迫切，同时许多部件/构件的服役温度逐渐跨越到250～400 ℃范围内，轻质、高强、耐热的新型金属材料应用潜力巨大。

传统铝合金中赖以强化的纳米沉淀相颗粒在200 ℃以上温度会发生严重的粗化，使其对基体的强化效果损失严重，特别是在施加外力的高温蠕变工况下，传统铝合金材料将发生快速软化、导致最终结构失稳。如何提高纳米沉淀相颗粒的热稳定性，进而改善高强铝合金的抗高温蠕变性能，是铝合金甚至轻合金体系的国际性科学与技术难题。

针对耐热高强铝合金的重大需求，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室刘刚教授和孙军院士团队开展了持续研究。

近日，该团队在400℃级别耐热高强铝合金材料的研发上取得突破。他们提出了纳米沉淀相颗粒晶格间隙位置异质原子有序化的全新热稳定化设计策略，在常见的Al-Cu-Mg-Ag 合金中添加微量稀土Sc 原子，采用双级时效工艺克服了慢扩散原子Sc 与快扩散原子Cu 之间有效耦合在时间上的“失配”，在原有纳米沉淀相Ω 的基础上，通过原位相变路径实现了这两类原子在空间上的周期性自组装，形成了具有极高热稳定性，同时具有大体积分数的一种新型纳米沉淀相颗粒(命名为V 相)。该纳米沉淀相颗粒即使在400 ℃( > 0.7 倍铝合金绝对熔点温度)的长时服役(> 200 h)后仍未见粗化，保持了完美的界面共格结构，从而使得材料表现出超常的高温力学性能。

相关研究结果以Highly stable coherent nanoprecipitates via diffusion-dominated solute uptake and interstitial ordering为题发表在Nature Materials上。

（本刊记者 雪松）

水凝胶软体机器人越野爬行行为研究取得进展

近期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队与浙江大学、之江实验室的郑音飞教授合作，基于前期提出的界面扩散聚合（IDP）策略，成功编程智能高分子水凝胶的各向异性结构，从而模仿尺蠖的爬行行为，实现了智能变形水凝胶全地形的越野爬行行为。

为了能实现高效的变形-运动转变，研究人员利用冰模板的方法，制备了具有超快温度响应的聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAm）凝胶海绵。其可在5 s 内收缩到自身体积的40%，并且由其制备而得的双层水凝胶驱动器展示出88°/s 的快速弯曲变形。进一步地，为了增强凝胶变形的可控性，研究人员基于凝胶结构设计以及IDP 策略，通过在PNIPAm 凝胶海绵的表面定制化地生长含有Fe3O4纳米颗粒的光热凝胶，使得所制备的双层水凝胶驱动器能在近红外（NIR）光驱动下产生向光性及自持振动行为。此外，研究人员还可通过IDP 策略，将制备好的双层水凝胶驱动器切断并重新排序组装，从而实现在NIR 光下的多自由度程序化变形。

基于凝胶的程序化变形，这种双层的水凝胶驱动器能通过模仿自然界中尺蠖爬行的过程，利用时空调控的原位变形与环境的交互来实现高效的爬行运动。值得一提的是，利用这种动态的卯榫锚定模式，该双层水凝胶驱动器可以适应多种粗糙表面，甚至可在普通的自然沙地上实现快速爬行。

近期该研究以The dynamic mortise-and-tenon interlock assists hydrated soft robots toward off-road locomotion为题发表在Research上。左下图为水凝胶的仿生进化及越野爬行。 （本刊记者 雪松）

上海硅酸盐所预测发现数十种二维层状塑性无机非金属材料

具有室温塑性变形能力的无机非金属材料集金属的力学性质与半导体的电学性质于一体，极大拓展了现有材料的应用功能与应用场景，成为一类全新的材料体系。然而，目前塑性无机非金属材料的种类稀少，仅局限在Ag2S、InSe 单晶及其部分衍生物中，寻找和发现更多具有塑性变形能力的新材料成为重大挑战。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所与上海交通大学的研究人员合作，提出了针对二维层状材料的塑性筛选指标，设计开发出高通量算法和流程，预测发现了36 种二维层状塑性无机非金属材料，并试验验证MoS2、GaSe、SnSe2等7 种材料具有塑性变形特性。

相关研究成果以High-throughput screening of 2D van der Waals crystals with plastic deformability为题发表在Nature Communications上。

其中，六方结构的SnSe2单晶经过卤族元素掺杂后，在375 K 下电导率可达20000 S/m，较基体提高两个数量级，功率因子最高为10.8 μW/（cm·K2），是目前塑性热电材料的最高值。该研究以Plastic/ductile bulk 2D van der waals single-crystalline SnS e 2 forflexible thermoelectrics为题发表在Advanced Science上。

上述工作将塑性无机非金属材料的种类拓展至数十种，丰富了塑性无机非金属材料的种类与内涵，在推动无机塑性材料新应用的进程上跨出了重要的一步。

（本刊记者 雪松）

金属所研制出新型仿调幅分解结构高强度纳米金属材料

近期，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心金海军研究员团队将脱合金与电沉积相结合，在完全互溶且热力学稳定不易分解的Cu-Au合金体系中构筑出类似于调幅分解产生的纳米结构，形成仿调幅分解结构合金（Spinodoid alloy）或人工调幅合金。这一新型纳米金属材料具有接近理论值的高强度，同时表现出粗晶材料的塑性变形特征，为材料的强韧化和功能化设计提供了新思路。

该研究成果 以Ultrastrong spinodoid alloys enabled by electrochemical dealloying and refilling为题发表于Proceedings of the National Academy of Sciences of the UnitedStates of America。

研究团队利用脱合金腐蚀将固溶体Cu-Au 中Cu（或Ag-Au 中的Ag）选择性溶解，促使未溶解Au 原子自组装形成纳米多孔Au，再用电化学沉积将Cu 回填入纳米孔，形成全致密仿调幅分解结构Cu/Au 合金。和多层膜等纳米材料在较高临界尺寸以下即发生软化不同，仿调幅分解结构Cu/Au 合金的强度随尺寸减小而持续升高，直至接近其理论强度。更有趣的是，随着特征尺寸细化至50 nm以下，其塑性变形也从传统复合材料向单相材料变形方式转变。在此临界尺寸以下，新材料在获得纳米材料高强度的同时，也具备了单相粗晶材料的变形行为特征，展现出综合力学和物理性能优化的巨大空间。

研究人员将理论计算与试验结合，通过分子动力学模拟，强调了界面曲率也是三维连续相界的重要结构特征，并对纳米材料力学行为产生重要影响。对Gyroid 双相晶体进行原子尺度模拟计算，揭示了零平均曲率半共格界面的结构，同时也从理论上澄清了该类光滑连通三维复杂界面与材料理论强度之间的关系，阐明了仿调幅结构双相纳米材料的强度上限。

该研究突破了传统调幅分解的固有限制，拓展了此类材料的合金体系、成分范围和性能空间，促进其研究和应用。此外，新材料的超高密度位错、近极小面三维连续相界、低能（半）共格界面、极低三叉晶界密度等独特结构也为理解纳米金属变形及稳定性中的一些基础科学问题、发展高性能结构功能一体化新材料提供了新的机遇。（本刊记者 雪松）

武汉大学金属成形微制造及其摩擦效应研究取得新进展

近日，武汉大学刘泽教授课题组在金属成形微制造及其界面摩擦效应方面取得了新进展，提出了一种解耦和量化表面黏附及接触固体的变形对固-固界面摩擦影响规律的方法，并通过简单调控表面润湿性，实现了金属在纳米通道中蠕变流速数量级的提升。

该工作基于刘泽教授课题组此前发明的纳米模塑技术，通过对比不同温度和压力条件下，金属在具有不同表面润湿性的纳米通道中的蠕变流速，发现只有当金属处于扩散主导的变形温度区间，且边界滑移处于激活态时，低黏附纳米通道中金属蠕变流速才会发生数量级的提升；进一步研究表明，尽管受金属晶体结构的限制，但上述结论在所考察的金属中具有普适性。

该工作不仅加深了对金属塑性与摩擦学的基本机制的理解，为摩擦学研究提供了一种新的技术手段和方法，还为金属成型微制造的高效率提供了切实可行的解决方案。相关研究成果以Observation of enhanced nanoscale creep flow of crystalline metals enabled by controlling surface wettability为题发表在Nature Communications上。下图为表面润湿性对界面摩擦影响研究的典型试验装置示意图。

（本刊记者 雪松）

上海光机所在3D 打印红外透明陶瓷研究方面取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所红外光学材料研究中心在3D 打印红外透明陶瓷研究方面取得进展。该工作首次通过材料挤压实现了3D 打印红外透明的3Y-TZP（摩尔浓度3%钇稳定的四方氧化锆）陶瓷，通过3D 打印技术制造具有复杂几何结构的红外透明陶瓷，突破了传统陶瓷成型工艺的限制，相关研究成果以3D printing of infrared transparent ceramics via material extrusion为题发表于Additive Manufacturing。

多晶透明陶瓷是由高纯度的陶瓷纳米颗粒精细烧结而成的。由于其在大规模制造和机械强度方面的双重优势引起了现代光学领域越来越多研究人员的兴趣。3D 打印技术实现了高塑形自由度，所有的部件都可以通过数字方式设计，突破了传统陶瓷制造工艺的几何限制。计算机控制的喷嘴通过小孔沉积材料形成设计结构的材料挤压（直接喷墨（DIW））是制造光学陶瓷部件的绝佳方法。

研究人员开发了一种水基陶瓷墨水，包括商业化的3Y-TZP 粉末，墨水固体含量（体积分数）高达50%，具有良好的剪切稀化行为，适用于DIW 技术。通过DIW 打印方法制造可定制的复杂三维几何形状的红外透明陶瓷坯体。经过脱胶、预烧结和热等静压（HIP）烧结过程，获得了相对密度为99.85%、红外（3～5μm）透过率大于70%的陶瓷组件。相关工作还研究了烧结过程中密度和微观结构的演变，以确定致密化机制。

（本刊记者 雪松）

低密度耐磨高锰钢强韧化与断裂的演化机制获揭示

广东省科学院新材料研究所先进钢铁研究团队联合香港生产力促进局及乌克兰国家科学院合金物理工艺研究所，研究揭示了低密度耐磨高锰钢强韧化与断裂的演化机制。相关研究发表于Materials Science and Engineering:A。

高锰钢作为最重要的耐磨材料之一，它在面临冲击磨损过程中的强冲击和大压力等问题时表现出的优异耐磨性，是其他材料难以比拟的。这主要归功于高锰钢出色的加工硬化能力，然而也正是需要依靠加工硬化，使得高锰钢在低应力磨损条件下服役效果不理想。同时，“双碳”战略目标要求高端粉磨破碎装备具备运转高效化及低能耗化，关键核心耐磨构件材料的轻量化是重要途径之一。

为实现高锰钢的轻量化效果，一般考虑将铝元素添加到高锰钢中，并配合合适的热处理与人工时效强化，可以进一步提升低密度高锰钢的力学性能。但是如何调控铝元素含量并配合后续热处理工艺制度是一个比较复杂的问题，长期以来受到国内外学者关注。

在该项工作中，研究人员深入开展了低密度高锰钢的元素设计、材料性能优化、热处理制度与断裂机制等方面的研究。结果表明，通过调整高锰钢中铝元素含量，可以调控高锰钢强韧化机制从孪生诱发强化转变为变形带强化；并通过高温水韧处理配合低温人工时效热处理，引入纳米级κ-碳化物析出相得以提升材料屈服强度和表面硬度。

该研究结果证实了通过铝元素添加实现低密度耐磨钢设计的可能性，并有望拓展耐磨高锰钢在低应力磨损工况下服役的应用。 （本刊记者 雪松）