金屬與粉末冶金

使用貝塞爾光束提升金屬3D打印技術(shù)

為了解決金屬3D打印中的孔隙和缺陷問題，美國勞倫斯—利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的研究人員試驗(yàn)了被稱為貝塞爾光束的奇特光學(xué)光束形狀。他們發(fā)現(xiàn)這種光束具有自我修正和非衍射性，并減少了孔隙形成和“鍵合”的出現(xiàn)，而高斯光束的使用加劇了孔隙的誘發(fā)現(xiàn)象。

基于激光的3D打印技術(shù)極大擴(kuò)展了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，但傳統(tǒng)用于金屬打印的激光束可能導(dǎo)致產(chǎn)品缺陷和機(jī)械性能不佳。為解決這一問題，LLNL研究人員探索在高功率激光打印中將常用的高斯光束替換成別的光束。研究人員表示，利用貝塞爾光束可將能量配置在遠(yuǎn)離中心的位置，即可主動(dòng)設(shè)計(jì)熱曲線并減少熱梯度，以優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)的形成，從而獲得更精細(xì)的器件和更光滑的表面。貝塞爾光束大幅擴(kuò)展了激光掃描的參數(shù)空間，實(shí)現(xiàn)了理想的熔池形狀：既不會(huì)太淺，也不會(huì)出現(xiàn)鍵合現(xiàn)象。貝塞爾光束由于其非衍射特性，可提供更大的聚焦深度。（科技部）

科研人員研發(fā)鎂合金抗腐蝕新工藝

俄羅斯國家科學(xué)院西伯利亞分院強(qiáng)電研究所、托木斯克科學(xué)中心科研人員與米蘭理工大學(xué)合作，利用電子束對(duì)鎂合金表面進(jìn)行處理，能將鎂合金耐腐蝕性提升數(shù)倍。

據(jù)科研人員介紹，鎂合金在航天和交通工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但其耐磨損和耐腐蝕性較差。例如使用比較廣泛的鎂鋁合金，含有90%的鎂、6%～8%的鋁和其他金屬元素。合金的結(jié)構(gòu)呈異質(zhì)狀，表面可檢測(cè)到金屬間相，容易受到外部腐蝕影響?？蒲腥藛T采用不同輻照模式對(duì)不同等級(jí)的鎂合金進(jìn)行電子束加工，在電子束照射下，合金表面最表層開始融化，金屬間相發(fā)生溶解，合金表面產(chǎn)生鋁富集模式，其強(qiáng)度和耐腐蝕性顯著提高。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)研究，科研人員總結(jié)出電子束輻照最佳模式。（科技部）

科研人員發(fā)現(xiàn)水中提取鋰的新方法

來自德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校和加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校的研究小組設(shè)計(jì)了一種膜，用于將鋰與其他離子（如鈉）精確分離，從而提高鋰元素的收集效率，研究結(jié)果發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上。

這一發(fā)現(xiàn)的核心是研究人員使用冠醚制造的新型聚合物膜，冠醚是具有特定化學(xué)功能的配體，可結(jié)合某些離子。冠醚之前并未作為水處理膜的組成部分進(jìn)行應(yīng)用或研究，但它是可針對(duì)水中的特定分子——鋰提取的關(guān)鍵成分。

在大多數(shù)聚合物中，鈉通過膜的速度比鋰快。但在新材料中，鋰比鈉移動(dòng)得更快，鈉是含鋰鹽水中的常見污染物。通過計(jì)算機(jī)建模，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)鈉離子與冠醚結(jié)合減慢了其速度，而鋰離子并未結(jié)合，從而使鋰離子能夠更快地通過聚合物。這些發(fā)現(xiàn)代表了膜科學(xué)的一個(gè)新前沿，需要在聚合物合成、膜表征和建模模擬等領(lǐng)域進(jìn)行全面合作。（科技部）

我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)材料非晶形成能力的新判據(jù)

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心柳延輝、汪衛(wèi)華研究團(tuán)隊(duì)在前期研究基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了非晶合金新材料的高通量、流程化研發(fā)模式。

研究團(tuán)隊(duì)及其合作者分析了5700余種合金的X射線衍射（XRD）圖譜及其與非晶形成能力之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)合金的非晶形成能力與XRD第一峰的峰寬（Δq）有明顯關(guān)聯(lián)。利用Δq-GFA判據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)在鋯-銅-鉻和銥-鈷-鉈合金體系中發(fā)現(xiàn)了非晶合金新材料，驗(yàn)證了這一判據(jù)的正確性。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索了Δq-GFA判據(jù)的理論機(jī)制，發(fā)現(xiàn)寬Δq所反映的合金結(jié)構(gòu)整體無序度與幾種特定團(tuán)簇的出現(xiàn)情況有關(guān)，團(tuán)簇構(gòu)型種類越多，越有利于在非晶結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)接近晶體的密堆度。由于每種團(tuán)簇的原子間距不同，其結(jié)果即是Δq所反映的不同。

上述研究成果改變了傳統(tǒng)認(rèn)為的單一特定團(tuán)簇出現(xiàn)越多，非晶形成能力越強(qiáng)的研究結(jié)論，為認(rèn)識(shí)非晶合金形成機(jī)理給出了新的方向。Δq-GFA判據(jù)的提出也為探索非晶合金新材料提供了便捷、實(shí)用、高效的新判據(jù)，可大幅提高研發(fā)非晶合金新材料的效率，與傳統(tǒng)的“試錯(cuò)法”相比，效率提高200多倍。（科技部高技術(shù)中心）

二維負(fù)載型金屬納米復(fù)合材料研究取得進(jìn)展

中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心研究人員通過合理設(shè)計(jì)合成體系，控制還原動(dòng)力學(xué)，提出一種改進(jìn)的晶種生長法，一鍋制得鉑銠（PtRh）納米顆粒包覆的梯形銠（Rh）納米片。利用該方法形成的PtRh/Rh納米復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)氧分子有高效的活化能力，表現(xiàn)出協(xié)同增強(qiáng)的類似氧化物酶催化活性。研究結(jié)果為制備新型Pt基納米復(fù)合材料提供了簡便有效的途徑。

目前，各種構(gòu)建負(fù)載型金屬納米結(jié)構(gòu)的方法幾乎都需要加入表面活性劑用以穩(wěn)定特定片層結(jié)構(gòu)，以及增強(qiáng)金屬與載體之間的相接觸等。然而，表面活性劑分子可能會(huì)遮蔽活性位點(diǎn)，降低催化活性。此外，制備過程往往需要高溫高壓條件，給操作帶來安全隱患。近日，該團(tuán)隊(duì)研究人員在一鍋法制備二維負(fù)載型金屬納米復(fù)合材料研究方面取得了新進(jìn)展，發(fā)展出一種晶種生長-Galvanic置換反應(yīng)-自組裝方法，構(gòu)建出鈀（Pd）片內(nèi)嵌金（Au）納米顆粒的新型結(jié)構(gòu)，其具有類似“蛋仔/華夫餅”的形貌特征。

制備過程無需表面活性劑，在室溫下將金屬前驅(qū)體溶于溶劑后，鼓泡通入一氧化碳?xì)怏w即可有效啟動(dòng)合成。機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，體系首先形成Pd0原子/團(tuán)簇為晶種，隨后Pd0與Au3+的置換反應(yīng)自發(fā)形成Au顆粒，Pd前驅(qū)體在Au顆粒周圍發(fā)生還原并沿Pd（111）面組裝成Pd片，最終形成Pd片內(nèi)嵌Au顆粒的結(jié)構(gòu)。通過改變前驅(qū)體摩爾比，即可精確調(diào)控金屬組成。

在上述二維鈀金納米復(fù)合材料制備的基礎(chǔ)上，國家納米中心研究員楊蓉、副研究員蔡雙飛和武漢大學(xué)教授何軍及威斯康辛州麥迪遜分校教授Randall Goldsmith合作，對(duì)其應(yīng)用開展了進(jìn)一步研究。研究發(fā)現(xiàn)，這種內(nèi)嵌式的二維獨(dú)特多金屬納米復(fù)合結(jié)構(gòu)、干凈的表面與Au顆粒的表面等離激元共振效應(yīng)，使其具有較好的光增強(qiáng)的類酶催化活性，并在等離激元增強(qiáng)的電催化析氫反應(yīng)和氧還原反應(yīng)中表現(xiàn)出超高的活性和穩(wěn)定性。電磁學(xué)數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，在這類結(jié)構(gòu)中，光場激發(fā)的特殊表面等離子激元模式更有助于熱電子在Pd片表面產(chǎn)生和富集，并且2種等離子激元能量轉(zhuǎn)移途徑在降低反應(yīng)表觀活化能，進(jìn)而提高電催化性能中扮演重要角色。該工作為等離子激元增強(qiáng)的催化劑設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了思路。（中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心）

蘭州化物所高熵合金基高溫太陽能光譜選擇性吸收涂層研究獲進(jìn)展

高熵合金通常被定義為含有5個(gè)以上主元素的固溶體，并且每個(gè)元素的摩爾比為5%～35%，具有優(yōu)異的力學(xué)、耐高溫、耐磨、耐蝕、抗輻照等性能，在較多領(lǐng)域展現(xiàn)出發(fā)展?jié)摿?。中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所環(huán)境材料與生態(tài)化學(xué)研究發(fā)展中心副研究員高祥虎、研究員劉剛帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，通過組分調(diào)控、構(gòu)型熵優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制備出系列高熵合金基高溫太陽能光譜選擇性吸收涂層。

前期，研究人員設(shè)計(jì)出1種由紅外反射層鋁、高熵合金氮化物、高熵合金氮氧化物和二氧化硅（SiO2）組成的彩色太陽能光譜選擇性吸收涂層，其吸收率可達(dá)93.5%，發(fā)射率低于10%。研究人員發(fā)現(xiàn)，單層高熵合金氮化物陶瓷具有良好的本征吸收特性，因此制備出結(jié)構(gòu)簡單的涂層。以高熵合金氮化物作為吸收層，SiO2或氮化硅（Si3N4）作為減反射層得到的涂層吸收率可達(dá)92.8%，發(fā)射率低于7%，并可在650℃的真空條件下穩(wěn)定300h。

近期，為進(jìn)一步提升涂層吸收能力，研究人員選用不銹鋼作為基底，低氮含量高熵合金薄膜作為主吸收層，高氮含量高熵合金薄膜作為消光干涉層，SiO2、Si3N4、氧化鋁作為減反射層，形成了從基底到表面光學(xué)常數(shù)逐漸遞減的結(jié)構(gòu)。研究通過光學(xué)設(shè)計(jì)軟件（CODE）進(jìn)行優(yōu)化，利用反應(yīng)磁控濺射的方法制備，提高了制備效率。涂層吸收率可達(dá)96%，熱發(fā)射率被抑制到低于10%。研究人員通過時(shí)域有限差分法（FDTD）研究了涂層光吸收機(jī)制。長期熱穩(wěn)定性研究表明，高熵合金氮化物吸收涂層在600℃真空條件下，退火168h后仍保持良好的光學(xué)性能；計(jì)算涂層在不同工作溫度和聚光比的光熱轉(zhuǎn)化效率發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作溫度為550℃、聚光比為100時(shí)，涂層的光熱轉(zhuǎn)化效率可達(dá)90.1%。（中國科學(xué)院）

太原理工研發(fā)出航空航天領(lǐng)域新材料填補(bǔ)國內(nèi)技術(shù)空白

金屬鋁和金屬鎂在裝備制造業(yè)應(yīng)用廣泛，但是鎂鋁“結(jié)合”在一起，制成性能更優(yōu)的復(fù)合板，卻少有應(yīng)用。太原理工大學(xué)在鎂鋁復(fù)合板軋制技術(shù)中取得重大突破，實(shí)現(xiàn)了鎂鋁完美“結(jié)合”。這意味著，這種新材料的出現(xiàn)，有望在我國航空航天領(lǐng)域，以及裝備制造輕量化方面發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值。

在實(shí)驗(yàn)室，研究人員將一塊鎂鋁復(fù)合板拿在手中，非常輕，表面是金屬鋁材質(zhì)，泛著潔白的銀色光澤，內(nèi)部是金屬鎂。該校先進(jìn)金屬復(fù)合材料成形技術(shù)與裝備教育部工程研究中心副主任王濤介紹：“鎂鋁復(fù)合板具有輕質(zhì)、耐腐蝕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，在汽車零部件、3C電子、軌道交通等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景?！?/p>

而其更廣泛的應(yīng)用，則將體現(xiàn)在航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵零件上。據(jù)了解，衛(wèi)星在太空運(yùn)行時(shí)，對(duì)其表面耐太空腐蝕具有較高的要求，目前，涂層技術(shù)是主要的防腐蝕手段，然而衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，依然可能出現(xiàn)涂層力學(xué)性能及物理性能發(fā)生改變的情況，從而影響航天器的可靠性。鍍層技術(shù)也是防腐蝕手段，但是造價(jià)昂貴。

鎂鋁復(fù)合板的出現(xiàn)，恰好可以解決這2個(gè)難題，它的成本更低，效率更高，且表層的鋁比涂層或鍍層的性能更加穩(wěn)定。

目前，太原理工大學(xué)鎂鋁復(fù)合板軋制技術(shù)填補(bǔ)了國內(nèi)空白，已經(jīng)獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、山西省科技重大專項(xiàng)、航天科技集團(tuán)FAST基金等多項(xiàng)支持，并在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域取得了核心專利，中國航空科技集團(tuán)也已向該新技術(shù)伸出了橄欖枝。（太原日?qǐng)?bào)）

北方稀土等合資建設(shè)年產(chǎn)5000t稀土永磁產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目

日前，中國北方稀土（集團(tuán)）高科技股份有限公司（以下簡稱“北方稀土”）發(fā)布公告稱，北方稀土擬與安泰科技股份有限公司（以下簡稱“安泰科技”）及公司控股子公司內(nèi)蒙古包鋼稀土磁性材料有限責(zé)任公司（以下簡稱“包鋼磁材”）合資組建稀土永磁業(yè)務(wù)新公司，以新公司為主體利用包鋼磁材現(xiàn)有土地、廠房和設(shè)施建設(shè)年產(chǎn)5000t稀土永磁產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目。其中，公司以自有資金出資16 600萬元，持股比例41.50%；包鋼磁材以經(jīng)審計(jì)評(píng)估后的磁體相關(guān)凈資產(chǎn)作價(jià)出資3 000萬元，持股比例7.50%；安泰科技以自有資金出資20 400萬元，持股比例51%。

“年產(chǎn)5 000t稀土永磁產(chǎn)業(yè)化建設(shè)項(xiàng)目”建設(shè)主體為安泰北方稀土永磁科技有限公司，項(xiàng)目總投資49 000萬元，其中，建設(shè)投資40 227萬元，鋪底流動(dòng)資金8 773萬元，其余9 000萬元由新公司通過銀行信貸方式籌集。項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)后，可具備5 000t/a稀土永磁體產(chǎn)能，高性能產(chǎn)品占比85%。（中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)）

攀鋼高硼不銹鋼中試級(jí)別研制取得進(jìn)展

鞍鋼集團(tuán)攀鋼研究院有限公司研究人員在實(shí)驗(yàn)室成功制備熱中子吸收屏蔽核電功能材料的中試樣件4件，驗(yàn)證了熔煉、熱加工工藝的可靠性，為下一步工業(yè)試制奠定了良好基礎(chǔ)。

安全高效發(fā)展核電是能源變革的選擇之一，高硼不銹鋼具有優(yōu)異的熱中子吸收/屏蔽性能，其在核反應(yīng)控制棒、反應(yīng)堆屏蔽體、乏燃料貯存格架、乏燃料運(yùn)輸容器、乏燃料后處理等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用，是我國核電領(lǐng)域急需的一種關(guān)鍵功能材料。硼含量越高，材料的熱中子吸收性能越好。高硼不銹鋼的凝固組織中存在大量粗大的硬脆共晶硼化物，導(dǎo)致熱塑性非常差，而且在熱加工過程中易產(chǎn)生嚴(yán)重的表面龜裂、邊部開裂甚至碎裂，工藝窗口特別狹窄，制造難度非常大，導(dǎo)致該關(guān)鍵材料長期嚴(yán)重依賴進(jìn)口，存在被“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)。

為解決核電乏燃料貯存用熱中子吸收屏蔽關(guān)鍵材料——高硼不銹鋼管材的進(jìn)口替代問題，攀鋼研究院與東北大學(xué)聯(lián)合開展了新合金體系高硼不銹鋼中試級(jí)別研制，解決了高硼不銹鋼熱加工開裂的關(guān)鍵技術(shù)問題，打通熔煉和熱成型工藝，成功制備出高硼不銹鋼鍛件。（中國冶金報(bào)）