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一種預測率100%的3D打印隨機鎖孔檢測方法

在粉末床激光熔融（LPBF）金屬3D 打印技術中，孔隙一直都是重要的缺陷類型。雖然當前所開發(fā)的光學和聲學傳感系統(tǒng)在金屬3D 打印實時檢測和質量控制方面發(fā)揮了一定作用，但檢測局部和瞬時生成鎖孔仍然具有挑戰(zhàn)性。這是因為除了參數(shù)漂移，在不穩(wěn)定鎖孔條件下的激光掃描過程中，氣泡形成的確切位置隨機產生，無法確定哪些氣泡最終會變成孔隙，哪些會被鎖孔重新捕獲并消失。

弗吉尼亞大學材料科學與工程專業(yè)孫濤副教授領導的研究團隊利用同步高速加速器X 射線和熱成像，在不穩(wěn)定的鎖孔條件下發(fā)現(xiàn)了Ti6Al4V 的兩種鎖孔振蕩模式——固有振蕩和擾動振蕩，而高頻擾動振蕩是產生鎖孔孔隙的原因。研究人員開發(fā)了一種通過集成試驗數(shù)據、多物理場仿真和機器學習來檢測鎖孔生成的方法。使用鑰匙孔區(qū)域發(fā)出的熱信號來預測孔隙生成，LPBF過程的X 射線圖像為校準和驗證理論模型以及訓練機器學習算法提供了豐富的真實數(shù)據。孫濤副教授指出：“通過整合原位同步加速器 X 射線成像、近紅外成像和機器學習，我們的方法能夠以亞毫秒時間分辨率和100%的預測率捕獲與鎖孔生成相關的獨特熱特征?！?/p>

這種簡單實用的方法極大提高了金屬3D 打印技術的質量保證能力，對擴大航空航天和其他領域該技術的應用帶來新的契機。該課題研究成果以Machine learning–aided realtime detection of keyhole pore generation in laser powder bed fusion為題發(fā)表在Science上。

（本刊記者 雪松）

西安交大研制出400℃級別耐熱高強鋁合金

航空航天、交通運輸?shù)阮I域對材料輕量化的需求日益迫切，同時許多部件/構件的服役溫度逐漸跨越到250～400 ℃范圍內，輕質、高強、耐熱的新型金屬材料應用潛力巨大。

傳統(tǒng)鋁合金中賴以強化的納米沉淀相顆粒在200 ℃以上溫度會發(fā)生嚴重的粗化，使其對基體的強化效果損失嚴重，特別是在施加外力的高溫蠕變工況下，傳統(tǒng)鋁合金材料將發(fā)生快速軟化、導致最終結構失穩(wěn)。如何提高納米沉淀相顆粒的熱穩(wěn)定性，進而改善高強鋁合金的抗高溫蠕變性能，是鋁合金甚至輕合金體系的國際性科學與技術難題。

針對耐熱高強鋁合金的重大需求，西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室劉剛教授和孫軍院士團隊開展了持續(xù)研究。

近日，該團隊在400℃級別耐熱高強鋁合金材料的研發(fā)上取得突破。他們提出了納米沉淀相顆粒晶格間隙位置異質原子有序化的全新熱穩(wěn)定化設計策略，在常見的Al-Cu-Mg-Ag 合金中添加微量稀土Sc 原子，采用雙級時效工藝克服了慢擴散原子Sc 與快擴散原子Cu 之間有效耦合在時間上的“失配”，在原有納米沉淀相Ω 的基礎上，通過原位相變路徑實現(xiàn)了這兩類原子在空間上的周期性自組裝，形成了具有極高熱穩(wěn)定性，同時具有大體積分數(shù)的一種新型納米沉淀相顆粒(命名為V 相)。該納米沉淀相顆粒即使在400 ℃( > 0.7 倍鋁合金絕對熔點溫度)的長時服役(> 200 h)后仍未見粗化，保持了完美的界面共格結構，從而使得材料表現(xiàn)出超常的高溫力學性能。

相關研究結果以Highly stable coherent nanoprecipitates via diffusion-dominated solute uptake and interstitial ordering為題發(fā)表在Nature Materials上。

（本刊記者 雪松）

水凝膠軟體機器人越野爬行行為研究取得進展

近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料團隊與浙江大學、之江實驗室的鄭音飛教授合作，基于前期提出的界面擴散聚合（IDP）策略，成功編程智能高分子水凝膠的各向異性結構，從而模仿尺蠖的爬行行為，實現(xiàn)了智能變形水凝膠全地形的越野爬行行為。

為了能實現(xiàn)高效的變形-運動轉變，研究人員利用冰模板的方法，制備了具有超快溫度響應的聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAm）凝膠海綿。其可在5 s 內收縮到自身體積的40%，并且由其制備而得的雙層水凝膠驅動器展示出88°/s 的快速彎曲變形。進一步地，為了增強凝膠變形的可控性，研究人員基于凝膠結構設計以及IDP 策略，通過在PNIPAm 凝膠海綿的表面定制化地生長含有Fe3O4納米顆粒的光熱凝膠，使得所制備的雙層水凝膠驅動器能在近紅外（NIR）光驅動下產生向光性及自持振動行為。此外，研究人員還可通過IDP 策略，將制備好的雙層水凝膠驅動器切斷并重新排序組裝，從而實現(xiàn)在NIR 光下的多自由度程序化變形。

基于凝膠的程序化變形，這種雙層的水凝膠驅動器能通過模仿自然界中尺蠖爬行的過程，利用時空調控的原位變形與環(huán)境的交互來實現(xiàn)高效的爬行運動。值得一提的是，利用這種動態(tài)的卯榫錨定模式，該雙層水凝膠驅動器可以適應多種粗糙表面，甚至可在普通的自然沙地上實現(xiàn)快速爬行。

近期該研究以The dynamic mortise-and-tenon interlock assists hydrated soft robots toward off-road locomotion為題發(fā)表在Research上。左下圖為水凝膠的仿生進化及越野爬行。 （本刊記者 雪松）

上海硅酸鹽所預測發(fā)現(xiàn)數(shù)十種二維層狀塑性無機非金屬材料

具有室溫塑性變形能力的無機非金屬材料集金屬的力學性質與半導體的電學性質于一體，極大拓展了現(xiàn)有材料的應用功能與應用場景，成為一類全新的材料體系。然而，目前塑性無機非金屬材料的種類稀少，僅局限在Ag2S、InSe 單晶及其部分衍生物中，尋找和發(fā)現(xiàn)更多具有塑性變形能力的新材料成為重大挑戰(zhàn)。

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所與上海交通大學的研究人員合作，提出了針對二維層狀材料的塑性篩選指標，設計開發(fā)出高通量算法和流程，預測發(fā)現(xiàn)了36 種二維層狀塑性無機非金屬材料，并試驗驗證MoS2、GaSe、SnSe2等7 種材料具有塑性變形特性。

相關研究成果以High-throughput screening of 2D van der Waals crystals with plastic deformability為題發(fā)表在Nature Communications上。

其中，六方結構的SnSe2單晶經過鹵族元素摻雜后，在375 K 下電導率可達20000 S/m，較基體提高兩個數(shù)量級，功率因子最高為10.8 μW/（cm·K2），是目前塑性熱電材料的最高值。該研究以Plastic/ductile bulk 2D van der waals single-crystalline SnS e 2 forflexible thermoelectrics為題發(fā)表在Advanced Science上。

上述工作將塑性無機非金屬材料的種類拓展至數(shù)十種，豐富了塑性無機非金屬材料的種類與內涵，在推動無機塑性材料新應用的進程上跨出了重要的一步。

（本刊記者 雪松）

金屬所研制出新型仿調幅分解結構高強度納米金屬材料

近期，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心金海軍研究員團隊將脫合金與電沉積相結合，在完全互溶且熱力學穩(wěn)定不易分解的Cu-Au合金體系中構筑出類似于調幅分解產生的納米結構，形成仿調幅分解結構合金（Spinodoid alloy）或人工調幅合金。這一新型納米金屬材料具有接近理論值的高強度，同時表現(xiàn)出粗晶材料的塑性變形特征，為材料的強韌化和功能化設計提供了新思路。

該研究成果 以Ultrastrong spinodoid alloys enabled by electrochemical dealloying and refilling為題發(fā)表于Proceedings of the National Academy of Sciences of the UnitedStates of America。

研究團隊利用脫合金腐蝕將固溶體Cu-Au 中Cu（或Ag-Au 中的Ag）選擇性溶解，促使未溶解Au 原子自組裝形成納米多孔Au，再用電化學沉積將Cu 回填入納米孔，形成全致密仿調幅分解結構Cu/Au 合金。和多層膜等納米材料在較高臨界尺寸以下即發(fā)生軟化不同，仿調幅分解結構Cu/Au 合金的強度隨尺寸減小而持續(xù)升高，直至接近其理論強度。更有趣的是，隨著特征尺寸細化至50 nm以下，其塑性變形也從傳統(tǒng)復合材料向單相材料變形方式轉變。在此臨界尺寸以下，新材料在獲得納米材料高強度的同時，也具備了單相粗晶材料的變形行為特征，展現(xiàn)出綜合力學和物理性能優(yōu)化的巨大空間。

研究人員將理論計算與試驗結合，通過分子動力學模擬，強調了界面曲率也是三維連續(xù)相界的重要結構特征，并對納米材料力學行為產生重要影響。對Gyroid 雙相晶體進行原子尺度模擬計算，揭示了零平均曲率半共格界面的結構，同時也從理論上澄清了該類光滑連通三維復雜界面與材料理論強度之間的關系，闡明了仿調幅結構雙相納米材料的強度上限。

該研究突破了傳統(tǒng)調幅分解的固有限制，拓展了此類材料的合金體系、成分范圍和性能空間，促進其研究和應用。此外，新材料的超高密度位錯、近極小面三維連續(xù)相界、低能（半）共格界面、極低三叉晶界密度等獨特結構也為理解納米金屬變形及穩(wěn)定性中的一些基礎科學問題、發(fā)展高性能結構功能一體化新材料提供了新的機遇。（本刊記者 雪松）

武漢大學金屬成形微制造及其摩擦效應研究取得新進展

近日，武漢大學劉澤教授課題組在金屬成形微制造及其界面摩擦效應方面取得了新進展，提出了一種解耦和量化表面黏附及接觸固體的變形對固-固界面摩擦影響規(guī)律的方法，并通過簡單調控表面潤濕性，實現(xiàn)了金屬在納米通道中蠕變流速數(shù)量級的提升。

該工作基于劉澤教授課題組此前發(fā)明的納米模塑技術，通過對比不同溫度和壓力條件下，金屬在具有不同表面潤濕性的納米通道中的蠕變流速，發(fā)現(xiàn)只有當金屬處于擴散主導的變形溫度區(qū)間，且邊界滑移處于激活態(tài)時，低黏附納米通道中金屬蠕變流速才會發(fā)生數(shù)量級的提升；進一步研究表明，盡管受金屬晶體結構的限制，但上述結論在所考察的金屬中具有普適性。

該工作不僅加深了對金屬塑性與摩擦學的基本機制的理解，為摩擦學研究提供了一種新的技術手段和方法，還為金屬成型微制造的高效率提供了切實可行的解決方案。相關研究成果以Observation of enhanced nanoscale creep flow of crystalline metals enabled by controlling surface wettability為題發(fā)表在Nature Communications上。下圖為表面潤濕性對界面摩擦影響研究的典型試驗裝置示意圖。

（本刊記者 雪松）

上海光機所在3D 打印紅外透明陶瓷研究方面取得進展

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所紅外光學材料研究中心在3D 打印紅外透明陶瓷研究方面取得進展。該工作首次通過材料擠壓實現(xiàn)了3D 打印紅外透明的3Y-TZP（摩爾濃度3%釔穩(wěn)定的四方氧化鋯）陶瓷，通過3D 打印技術制造具有復雜幾何結構的紅外透明陶瓷，突破了傳統(tǒng)陶瓷成型工藝的限制，相關研究成果以3D printing of infrared transparent ceramics via material extrusion為題發(fā)表于Additive Manufacturing。

多晶透明陶瓷是由高純度的陶瓷納米顆粒精細燒結而成的。由于其在大規(guī)模制造和機械強度方面的雙重優(yōu)勢引起了現(xiàn)代光學領域越來越多研究人員的興趣。3D 打印技術實現(xiàn)了高塑形自由度，所有的部件都可以通過數(shù)字方式設計，突破了傳統(tǒng)陶瓷制造工藝的幾何限制。計算機控制的噴嘴通過小孔沉積材料形成設計結構的材料擠壓（直接噴墨（DIW））是制造光學陶瓷部件的絕佳方法。

研究人員開發(fā)了一種水基陶瓷墨水，包括商業(yè)化的3Y-TZP 粉末，墨水固體含量（體積分數(shù)）高達50%，具有良好的剪切稀化行為，適用于DIW 技術。通過DIW 打印方法制造可定制的復雜三維幾何形狀的紅外透明陶瓷坯體。經過脫膠、預燒結和熱等靜壓（HIP）燒結過程，獲得了相對密度為99.85%、紅外（3～5μm）透過率大于70%的陶瓷組件。相關工作還研究了燒結過程中密度和微觀結構的演變，以確定致密化機制。

（本刊記者 雪松）

低密度耐磨高錳鋼強韌化與斷裂的演化機制獲揭示

廣東省科學院新材料研究所先進鋼鐵研究團隊聯(lián)合香港生產力促進局及烏克蘭國家科學院合金物理工藝研究所，研究揭示了低密度耐磨高錳鋼強韌化與斷裂的演化機制。相關研究發(fā)表于Materials Science and Engineering:A。

高錳鋼作為最重要的耐磨材料之一，它在面臨沖擊磨損過程中的強沖擊和大壓力等問題時表現(xiàn)出的優(yōu)異耐磨性，是其他材料難以比擬的。這主要歸功于高錳鋼出色的加工硬化能力，然而也正是需要依靠加工硬化，使得高錳鋼在低應力磨損條件下服役效果不理想。同時，“雙碳”戰(zhàn)略目標要求高端粉磨破碎裝備具備運轉高效化及低能耗化，關鍵核心耐磨構件材料的輕量化是重要途徑之一。

為實現(xiàn)高錳鋼的輕量化效果，一般考慮將鋁元素添加到高錳鋼中，并配合合適的熱處理與人工時效強化，可以進一步提升低密度高錳鋼的力學性能。但是如何調控鋁元素含量并配合后續(xù)熱處理工藝制度是一個比較復雜的問題，長期以來受到國內外學者關注。

在該項工作中，研究人員深入開展了低密度高錳鋼的元素設計、材料性能優(yōu)化、熱處理制度與斷裂機制等方面的研究。結果表明，通過調整高錳鋼中鋁元素含量，可以調控高錳鋼強韌化機制從孿生誘發(fā)強化轉變?yōu)樽冃螏娀?；并通過高溫水韌處理配合低溫人工時效熱處理，引入納米級κ-碳化物析出相得以提升材料屈服強度和表面硬度。

該研究結果證實了通過鋁元素添加實現(xiàn)低密度耐磨鋼設計的可能性，并有望拓展耐磨高錳鋼在低應力磨損工況下服役的應用。 （本刊記者 雪松）