材料前沿 |  5月材料科学前沿动态汇总

新型难熔中熵合金在极端温度下展现超高韧性

论文：DAVID H. COOK et al, Kink bands promote exceptional fracture resistance in a NbTaTiHf refractory medium-entropy alloy, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adn2428

来自美国劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的研究团队公布其合作开发的一种具有优异抗断裂性能的新型难熔中熵合金——Nb45Ta25Ti15Hf15，在极端高低温条件下均能保持高性能，这有望对未来航空航天发动机等高端应用带来潜在影响。该成果发布在《Science》。

金属结构材料的强度与韧性间通常存在一种权衡关系，在极端温度下更为明显。单相体心立方结构的中/高熵合金（RHEA/RMEA）多具有高强度，但韧性通常较低，大多RMEA的断裂韧性低于10 MPa·m1/2。研究团队选择了Nb45Ta25Ti15Hf15这种RMEA，在5个不同温度点-196 ℃（液氮温度）、25 ℃、800 ℃、950 ℃和1200 ℃（约为太阳表面温度的1/5）下对其强度和断裂韧性进行测试，发现均表现出优异的抗断性，断裂韧性最高可达253 MPa•m1/2，这一性能远超同类材料。

通过四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）对试样进行分析，发现这种出色表现归功于螺位错与刃位错在裂纹尖端塑性控制中的动态竞争，螺位错和混合位错的滑移与交叉促进了应变硬化，从而控制了均匀变形，刃位错与某些滑移面的协调滑移通过形成扭结带延长了非均匀应变。这些扭结带通过沿更高解析剪切应力的方向重新定向晶体的微尺度来抑制应变硬化，并不断成核以适应局部应变并将损伤从裂纹尖端分散开。

扭结带是一种罕见缺陷，当施加的力导致晶体自身塌陷并突然弯曲时，晶体中就可能形成扭结带。这些条带中晶体弯曲的方向增加了位错受力，使它们更容易移动。在整体水平上，这种现象会导致材料软化。此前研究显示，RMEA 中很容易形成扭结带，但此前研究者假设软化效应会使裂纹更容易在晶格中扩散，从而降低材料的韧性。而事实并非如此。在有尖锐裂纹存在的情况下，扭结带可以通过分散损伤来阻止裂纹的扩展，材料在受力时更加容易变形而不发生断裂，大大提升断裂韧性，这一发现颠覆了以往科学界对扭结带影响的理解。

尽管这种合金的实际应用还需进一步的研究和开发，但它为未来可能在下一代航空航天发动机和其他高温环境中的应用提供了强有力的候选材料。这项研究由美国能源部科学办公室资助，标志着难熔合金的基础研究又向前迈进了一大步。

通过激光束粉末床熔融技术制备低成本高性能高熵合金

论文：VENKATESH KUMARAN S, TORRALBA J M. Laser powder bed fusion processing of low cost CoCrFeNiMoxNby high entropy alloys with promising high-temperature properties via in situ alloying commercial powders[J]. Metals, 2024, 14(5): 500.

西班牙马德里先进材料研究所（IMDEA）通过使用激光束粉末床熔融（PBF-LB）和原位合金化技术，成功开发出一种具有卓越高温性能的低成本高熵合金（HEA）。该技术允许研究人员使用商用粉末如Ni625、CoCrF75和316L制备，原材料成本降低20%，也减少对关键原材料的依赖而支持了可持续制造。

传统的高熵合金制造方法（例如铸造或电弧熔炼），成本高且耗时，尤其是在处理多主元的合金时。此外，生产过程中使用关键原材料的做法也引发了对其可用性和可持续性的顾虑。为了解决这些挑战，IMDEA团队提出了一种新方法，利用商用粉末而非纯元素粉末来制造高熵合金，并优化PBF-LB的工艺参数，在过程中对混合商用粉末进行原位合金化，其组成元素在固结过程中同时合金化，以获得密度高、孔隙率低的样品。通过加入原子尺寸较大的元素（如钼和铌等），可增强合金强度，而不影响其延展性。PBF-LB过程中的快速冷却促进了钼和铌的溶解，形成了具有高相对密度的单一面心立方（FCC）相。在室温、700 ℃、800 ℃ 和900 ℃的高温下对样品进行的拉伸测试表明，这些合金的力学性能超过了现有文献报道的高熵合金。

这项工作不仅展示了使用商用粉末制备高熵合金的可行性，也为制造业提供了一种节约成本和提高生产效率的新途径，开辟了使用废料和回收材料进行高熵合金开发的可能性，推动了材料科学领域的技术进步和可持续发展。

高温预加载技术开辟陶瓷材料室温塑性新思路

论文：SHEN C, LI J, NIU T, et al. Achieving room temperature plasticity in brittle ceramics through elevated temperature preloading[J]. Science Advances, 2024, 10(16): eadj4079.

陶瓷材料因其高强度和化学稳定性，在各种工程应用中具有重要地位，但脆性限制了其更广泛的使用。美国普渡大学研发出一种创新技术，可在不破坏材料结构的前提下，实现陶瓷的常温塑形。通过在高温下预先加载引入高密度缺陷，显著提升了陶瓷材料在室温下的塑性变形能力，为其在航空航天、电力和制造业等领域的更广泛应用开辟了新天地。

普渡团队通过在高温预处理过程中引入高密度位错，使得陶瓷材料冷却后能在常温下保持较高塑性。实验显示，上述处理后的单晶二氧化钛（TiO2）和单晶氧化铝（α-Al2O3）两种陶瓷样品，室温下可分别实现10%和7.5%的应变率。与之前的闪速烧结法相比，该技术具有更广泛的适用性，几乎可应用于所有类型的陶瓷材料。普渡创新技术商业化办公室已经为这一技术申请了专利。

轻质碳-碳复合材料火箭喷嘴

印度空间研究组织（ISRO）的维克拉姆·萨拉巴伊空间中心（VSSC）成功开发了一种新型轻质碳-碳（C-C）复合材料喷嘴，预计将显著提升火箭的推力水平、比冲和推重比，为运载火箭提供更大的有效载荷能力。

这种由先进碳-碳复合材料制成的喷嘴，通过一系列精密工艺如碳化、化学气相渗透和高温处理制造而成，具备低密度、高比强度及高刚度等特性，即便在极端高温环境下也能保持优异力学性能。此外，喷嘴还特别涂覆了碳化硅抗氧化层，有效扩展了其在高氧化环境下的使用极限，提高了耐腐蚀性和温度极限。此次研发的重点在于为ISRO的极地卫星运载火箭（PSLV）的第四级PS4提供支持。PS4当前使用的是铌合金材质的喷嘴，而新的碳-碳喷嘴的应用将使喷嘴质量减轻约67%，据预计，这将使PSLV的载荷能力提升至少15 kg。

此前在ISRO马亨德拉吉里推进中心（IPRC）高空测试（HAT）设施进行的60 s热测试和后续200 s的热测试均证实了新喷嘴的性能和耐用性，测试温度达到1216 K，完全符合预期。这一成就标志着ISRO在火箭技术领域迈出了重要一步，为未来的太空探索任务奠定了坚实的基础。

俄罗斯开发航空用陶瓷复合材料

陶瓷复合材料因其高强度、耐热性和耐腐蚀性一直被视为航空航天、交通运输、船舶制造和核能工业的理想选择，但传统陶瓷材料的脆性一直是其应用的瓶颈。俄罗斯托木斯克理工大学（TPU）核技术工程学院将传统的真空烧结和火花等离子体烧结方法融合，正在开发一种基于国产碳化硅（SiC）和MAX相碳硅钛（Ti3SiC2）的新陶瓷复合材料，预计将具有特殊结构和卓越性能，有望推进陶瓷材料在航空航天、交通运输和能源工业等领域的应用。

TPU团队选择了基于碳硅钛（Ti3SiC2）的复合材料进行探索，这种材料密度小、导热和导电性高、耐腐蚀并且抗热冲击性强。团队首先在真空烧结炉中对俄罗斯国产碳化硅粉末和具有明显层状结构（平均晶粒尺寸为10~15 μm）的Ti-Si-C系MAX相的合成粉末进行预处理，在合成的第二阶段真空烧结后，采用火花等离子烧结技术（技术特点是难熔化合物粉末固结速度快）进行处理，同时添加了所需的成分，使得MAX相的含量增加了10%~15%，提高了复合材料的性能。MAX相是一种热力学稳定的层状材料，结合了陶瓷和金属的优点，具有低密度、高强度和良好的导热性能，而创新的组合工艺使MAX相晶体的生长速度几乎翻倍，得到成品材料预计将具有高强度和抗断裂的优质性能。

彼尔姆理工学院新合金技术提升火箭发动机性能

航空航天用发动机由于在高温、高压和高速下运行，对构成材料的要求极为苛刻，传统涡轮机的关键部件常采用镍基高温合金制造，合金的力学性能易受到晶体结构缺陷的影响。彼尔姆理工学院通过引入改性成分来优化材料强度，改性剂由0.25%铝粉、0.25%海绵钛和0.5%碳氮化钛粉末组成，各组分混合压制后，在1520 ℃下引入熔体，升温至1650 ℃保持2 min后恢复原温度，再将熔体倒入陶瓷模具得到成品。团队在不同温度下对所得合金进行拉伸测试，并检查其冲击强度，发现经改良的合金零件抗拉强度提高了10％，冲击韧性提高了30％，由于碳化物相在合金中均匀分布，细化金属的晶体结构并降低微孔率，因此性能相比传统合金有了明显的改善。这种方法不仅不会改变合金的化学成分，还能够显著提升其性能。该技术的应用在实践中已经获得了验证，为火箭和航空发动机的设计和制造提供了新的可能性。

韩国引入新纳米复合材料制备高性能超表面

论文：KANG H, et al. (2024) Tailoring high-refractive-index nanocomposites for manufacturing of ultraviolet metasurfaces. Microsystems & Nanoengineering. doi.org/10.1038/s41378-024-00681-w.

超表面是一种极薄的光学装置，能够精确控制光线。由于其出色的性能，超表面一直被视为下一代显示器、成像和生物传感技术的重要技术。而这项研究的重点则是将超表面技术扩展到紫外光领域。纳米压印光刻（NIL）已被用于解决光学超表面制造中的高成本和低吞吐量等挑战。但传统压印材料——树脂的低折射率限制了光的有效控制。为了解决这一问题，研究人员将目光转向纳米复合材料这种高折射率材料，通过向树脂中掺入纳米颗粒来提高其折射率。团队选择了高折射率的氧化锆纳米颗粒（一种常用于制作紫外光全息图的纳米复合材料），在一系列实验中，团队调整了溶剂选择和氧化锆的浓度，结果显示，80%的氧化锆浓度水平是实现最佳图案转移效率所必需的。此外，通过将氧化锆与不同的溶剂混合，研究人员成功提高了超表面在紫外光谱中的转换效率。

这项研究不仅在光学领域取得了重要进展，而且为新型纳米复合材料的开发铺平了道路。未来，研究人员计划进一步优化纳米复合材料的制备条件，以推动光学超表面制造技术的应用和发展。

日本揭秘镍钨合金界面现象

论文：Minho Oh et al, Understanding Kirkendall effect in Ni(W) diffusion-induced recrystallization region, Journal of Alloys and Compounds (2024).DOI: 10.1016/j.jallcom.2024.174556

在材料科学领域，合金化是一项关键技术，通过合理组合具有不同性质的金属，科学家们得以创造出拥有理想性能的新型材料。如大家熟知的不锈钢，就是由铁与铬、镍等少量元素合金化而成，具备出色的耐腐蚀性。针对军事应用而言，镍钨合金（Ni-W）备受关注。这种合金具有出色的耐久性，广泛用于涂层材料。然而，由于镍和钨的性质不同，其结合的界面会形成独特的层次结构，包括金属间化合物（IMCs）和扩散诱导再结晶（DIR）区域。这些界面区域在机械、热和化学性质上与合金其他部分显著不同，因此理解它们的特性对于设计出具备所需性能的合金至关重要。

东京工业大学研究团队通过将一块钨板夹在两块镍板之间，模拟了镍钨界面的情况，并将样品在1123 K的温度下加热112 h，随后在相同温度下退火234.15 h，以促进扩散过程。随后，团队运用实验技术对界面的形貌和化学组成进行了分析，包括各相区域中镍和钨的浓度，以及界面区域的晶粒大小。同时，研究人员还开发了一种扩散模型，来解释这些界面区域的形成机制。

研究发现，镍和钨的相互扩散导致了Ni4W的IMC层的形成，该层向着镍和钨板双向生长。钨原子继续向镍基体扩散，形成了在镍基体和IMC层之间的DIR。这个DIR区域并非单一相，而是镍相内的固溶区域，其特点是具有纵向柱状晶粒，有助于钨原子的晶界扩散。在DIR区域中，由于镍和钨的扩散速率不平衡，会在镍和DIR之间的界面附近形成不规则形状的空隙，这就是所谓的Kirkendall空洞。值得注意的是，由DIR区域、IMC和空洞组成的界面对材料的强度和热性能有着重要影响。

美国橡树岭实验室成功制造出无缺陷钨制件

钨是目前已知熔点最高的金属，因此被视为理想的核聚变反应堆材料，其熔点高达1.8亿华氏度，比太阳中心温度（2700万华氏度）还高。但纯钨在室温下易碎，这为实际应用带来了挑战。为克服这一难题，橡树岭国家实验室研发出一种先进的电子束3D打印技术，可逐层将钨沉积成精确的三维形状，从而生产出结构复杂且无缺陷的钨制件。这项技术利用高真空密封器中的磁导向粒子流，将金属粉末熔化并黏合成固态金属，从而大大减少外部杂质污染和残余应力形成。

这项研究得到了美国能源部先进材料与制造技术办公室的支持，并在该部门下属的制造示范设施进行，研究成果有望为清洁能源领域，特别是核聚变能源技术的发展带来重大影响，为推动可持续、无碳的未来能源技术发展开辟新道路。

美研究人员开发兼具刚性与隔热性能的二维材料

论文：NEGI A, YAN L, YANG C, et al. Anomalous Correlation between Thermal Conductivity and Elastic Modulus in Two-Dimensional Hybrid Metal Halide Perovskites[J]. ACS nano, 2024.

美国北卡罗来纳州立大学近日成功开发出一种新型材料，不仅具有高刚性，还展现出优异热隔绝性能。这一发现打破了传统材料在刚性和隔热性能上的相互制约关系，预示着其在电子设备热管理等领域的广泛应用前景。

这种新型材料属于二维混合有机-无机钙钛矿（2D HOIP），具有有机层和无机层交替排列的高度有序晶体结构。研究团队通过在有机层中加入苯环替代部分碳碳链，实现了对材料刚性和热导率的精确控制，使得材料在增强刚性的同时，其热导率反而降低，从而优化了材料的热隔绝性能。在实验中，研究人员发现至少3种不同的 2D HOIP 材料，通过上述操作能够实现刚度越大、隔热性越强。此外，研究还通过在有机层中引入手性，来维持材料刚性和热导率在有机层组分大幅变动时的稳定性。