1.北理工團(tuán)隊(duì)在三維拓?fù)浼ぷ咏^緣體研究中取得最新進(jìn)展
2.中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所研制出氮化鎵光子晶體面發(fā)射激光器
3.北京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)在硅基納米剪紙結(jié)構(gòu)形變調(diào)控方面取得重要突破
4.北理工團(tuán)隊(duì)在極寒條件下光伏防冰領(lǐng)域取得新進(jìn)展
5.北理工在共格納米析出相強(qiáng)化高熵合金的絕熱剪切機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展
1.北理工團(tuán)隊(duì)在三維拓?fù)浼ぷ咏^緣體研究中取得最新進(jìn)展
近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院王秩偉教授、姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)與普林斯頓大學(xué) M.Z.Hasan 團(tuán)隊(duì)合作，首次在三維晶體材料Ta?Pd?Te?中實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)到拓?fù)浼ぷ咏^緣體的存在，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)其具有動(dòng)量序可調(diào)的激子凝聚態(tài)。這一成果為探索關(guān)聯(lián)電子體系中的拓?fù)淞孔討B(tài)提供了全新平臺(tái)。相關(guān)研究成果以“Topological excitonic insulator with tunable momentum order”為題發(fā)表在《Nature Physics》上。北京理工大學(xué)碩士生吳黃宇（現(xiàn)為北理工材料學(xué)院在讀博士生）為論文共同第一作者，北京理工大學(xué)王秩偉教授為論文共同通訊作者。
激子絕緣體作為一種奇特量子物態(tài)，自1964年理論預(yù)言以來(lái)長(zhǎng)期備受關(guān)注。其核心特征為電子-空穴對(duì)（激子）自發(fā)凝聚形成玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)，從而打開(kāi)能隙，實(shí)現(xiàn)無(wú)耗散能量傳輸。然而，傳統(tǒng)激子絕緣體常伴隨顯著結(jié)構(gòu)相變，導(dǎo)致其物理機(jī)制難以明確區(qū)分。絕大多數(shù)候選體系均伴隨強(qiáng)烈結(jié)構(gòu)相變，難以厘清“電子關(guān)聯(lián)”與“晶格作用”的貢獻(xiàn)。尋找結(jié)構(gòu)耦合較弱、拓?fù)湫再|(zhì)明確的新型激子絕緣體材料成為國(guó)際前沿難題。
在本工作中，研究團(tuán)隊(duì)首先制備了高質(zhì)量的層狀材料Ta?Pd?Te?單晶，首次觀(guān)測(cè)到雙重激子凝聚相：在100 K時(shí)由半金屬態(tài)進(jìn)入零動(dòng)量激子凝聚態(tài)，4.2 K時(shí)進(jìn)一步發(fā)生有限動(dòng)量二次激子凝聚。團(tuán)隊(duì)通過(guò)極化角分辨光電子能譜測(cè)試發(fā)現(xiàn)，低溫下電子能帶發(fā)生軌道雜化，鏡面對(duì)稱(chēng)性破缺，證實(shí)激子凝聚驅(qū)動(dòng)了拓?fù)湎嘧?。同時(shí)，掃描隧道譜觀(guān)測(cè)到體絕緣能隙，與理論模型預(yù)言的拓?fù)溥吘墤B(tài)高度吻合。更令人驚奇的是，在外加磁場(chǎng)調(diào)控下，體系展現(xiàn)出動(dòng)量序的可調(diào)性，為研究拓?fù)湎嘧兣R界行為與對(duì)稱(chēng)性調(diào)控提供了實(shí)驗(yàn)窗口。
該研究首次在三維晶體中證實(shí)了拓?fù)浼ぷ咏^緣體的存在，揭示了電子關(guān)聯(lián)與拓?fù)湫虻膮f(xié)同效應(yīng)。其弱結(jié)構(gòu)耦合特性為解析激子凝聚的純粹物理機(jī)制提供了理想模型，有望推動(dòng)對(duì)量子臨界現(xiàn)象與拓?fù)浼ぐl(fā)態(tài)的深入理解。此外，拓?fù)溥吔鐟B(tài)的無(wú)耗散輸運(yùn)特性為未來(lái)量子器件設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新方向。
圖1. Ta?Pd?Te?的實(shí)空間表征，顯示了T=?100?K附近絕緣體帶隙的變化。
圖2. Ta?Pd?Te?低溫電子相中，帶間雜化和鏡像對(duì)稱(chēng)破缺的特征。
圖3. 絕緣能隙的拓?fù)湫再|(zhì)。
圖4. 具有平移對(duì)稱(chēng)破缺的非零波矢的次級(jí)激子不穩(wěn)定性。
本工作的其他合作單位還包括合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、瑞士蘇黎世大學(xué)、北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院物理研究所、南方科技大學(xué)等機(jī)構(gòu)。本項(xiàng)目得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京市自然科學(xué)基金委等相關(guān)項(xiàng)目的支持。
（來(lái)源： 北京理工大學(xué)）
2.中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所研制出氮化鎵光子晶體面發(fā)射激光器
常規(guī)的半導(dǎo)體激光器，如Fabry–Pérot（FP）腔激光器、分布式反饋（DFB）激光器以及垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）等，無(wú)法兼具單模、大功率、小發(fā)散角等優(yōu)良特性；而光子晶體面發(fā)射激光器（PCSEL）利用二維光子晶體的布拉格衍射，可實(shí)現(xiàn)大功率、小發(fā)散角的單模激光輸出（圖1），成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)之一。氮化鎵（GaN）基半導(dǎo)體材料為直接帶隙，發(fā)光波長(zhǎng)覆蓋了可見(jiàn)光到深紫外等波段，具有發(fā)光效率高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，可用于制造PCSEL。GaN基PCSEL在新型顯示、材料加工、激光照明、水下通信、星間通信、芯片原子鐘、深空探測(cè)、原子雷達(dá)、激光醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，得到了廣泛關(guān)注。
圖1. FP腔邊發(fā)射激光器、DFB邊發(fā)射激光器、VCSEL和PCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖、典型遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角及輸出光譜特性。
日本京都大學(xué)Noda教授團(tuán)隊(duì)于1999年首次提出了PCSEL的概念，并于2008年在Science 319,445 (2008)首次報(bào)道了GaN基紫光PCSEL的室溫電注入激射，隨后分別于2022年與日本Stanley公司合作、2024年與日本Nichia公司合作，將GaN基PCSEL的激射波長(zhǎng)進(jìn)一步拓展到藍(lán)光和綠光波段。目前，全球范圍內(nèi)僅有日本實(shí)現(xiàn)了GaN基PCSEL的電注入激射。
依托中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所建設(shè)的半導(dǎo)體顯示材料與芯片重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與蘇州實(shí)驗(yàn)室合作，近日研制出GaN基光子晶體面發(fā)射激光器，并實(shí)現(xiàn)了室溫電注入激射。
研究團(tuán)隊(duì)首先仿真設(shè)計(jì)了GaN基PCSEL器件結(jié)構(gòu)，隨后外延生長(zhǎng)了高質(zhì)量的GaN基激光器材料，并開(kāi)發(fā)了低損傷的光子晶體刻蝕與鈍化工藝，制備了GaN基PCSEL器件，光子晶體區(qū)域尺寸為400×400 μ㎡（圖2）。通過(guò)角分辨光譜測(cè)量GaN基PCSEL在?Γ-X?方向上的能帶結(jié)構(gòu)（圖3），可以觀(guān)察到：注入電流較低時(shí)，能帶結(jié)構(gòu)清晰，輻射模式C的強(qiáng)度最大；隨著電流增大，非輻射模式B的強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，直至激射。通過(guò)測(cè)量能帶，可以確定器件是基模B的激射，閾值電流附近的模式半高寬約為0.05 nm。
圖2. (a) GaN基PCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖，(b)光泵測(cè)試得到的光子晶體能帶結(jié)構(gòu)，光子晶體的(c)表面和(d)截面掃描電子顯微鏡圖。
圖3. (a-e)不同注入電流下測(cè)量得到的GaN基PCSEL Γ-X方向的能帶結(jié)構(gòu)，(f) GaN基PCSEL峰值波長(zhǎng)與光譜半高寬隨注入電流的變化曲線(xiàn)。
基于上述工作，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了GaN基光子晶體面發(fā)射激光器的室溫電注入激射（圖4），激射波長(zhǎng)約為415 nm，閾值電流為21.96 A，對(duì)應(yīng)閾值電流密度約為13.7 kA/c㎡，峰值輸出功率約為170 mW。下一步擬采用高質(zhì)量的GaN單晶襯底，設(shè)計(jì)新型的GaN基PCSEL結(jié)構(gòu)，并突破PCSEL器件制備與封裝散熱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高功率（10~100 W）單模激光輸出。
圖4. GaN基PCSEL (a)不同注入電流下的電致發(fā)光光譜、(b)輸出光功率-電流-電壓曲線(xiàn)、(c)遠(yuǎn)場(chǎng)光斑，GaN基PCSEL激射(d)前、(e)后的近場(chǎng)圖像。
該研究成果由楊輝研究員、孫錢(qián)研究員和馮美鑫研究員共同指導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的工作人員和學(xué)生完成，相關(guān)論文正在撰寫(xiě)中。相關(guān)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、蘇州實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目等資助。（來(lái)源： 中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所）
3.北京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)在硅基納米剪紙結(jié)構(gòu)形變調(diào)控方面取得重要突破
近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院/光電學(xué)院李家方教授、姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉之光教授、北京理工大學(xué)光電學(xué)院王涌天教授、劉娟教授團(tuán)隊(duì)以及材料學(xué)院靳柯教授團(tuán)隊(duì)合作，在硅基納米剪紙技術(shù)領(lǐng)域取得重要突破，實(shí)現(xiàn)了對(duì)硅基微納結(jié)構(gòu)塑性、彈性和滯性形變行為的精準(zhǔn)調(diào)控，并成功展示了陣列結(jié)構(gòu)的光學(xué)信息加密顯示功能。該創(chuàng)新成果發(fā)表在《自然》子刊Nature Communications上。
剪紙作為最古老的中國(guó)民間藝術(shù)之一，近年來(lái)在納米制造、結(jié)構(gòu)調(diào)控等領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。北京理工大學(xué)李家方教授帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)2018年首創(chuàng)納米剪紙三維微納制造技術(shù)[Sci. Adv. 4, eaat4436]，2021年發(fā)展納米光機(jī)電調(diào)控新機(jī)制[Nat. Commun. 12, 1299]，2024年實(shí)現(xiàn)納米剪紙轉(zhuǎn)子光電鑷自由操控[Sci. Adv. 10, eaat1299]，及至2025年突破硅基納米剪紙技術(shù)[Nat. Commun. 16, 5512]，持續(xù)推動(dòng)了該領(lǐng)的發(fā)展，形成了一條從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用開(kāi)發(fā)的完整技術(shù)路線(xiàn)。
圖1. 硅基納米剪紙結(jié)構(gòu)形變調(diào)控。(a) 基于絕緣體上硅（SOI）襯底的納米剪紙結(jié)構(gòu)微納制造流程。(b) 聚焦離子束（FIB）輻照誘導(dǎo)的雙向塑性形變。(c) 機(jī)械力或靜電力作用下可瞬時(shí)恢復(fù)的彈性形變。(d) 電壓驅(qū)動(dòng)下的滯性形變。比例尺：1μm。
硅基納米剪紙技術(shù)的突破具有重要的里程碑意義。這是因?yàn)榻^緣體上硅（SOI）是當(dāng)代集成光電子領(lǐng)域最重要的半導(dǎo)體材料之一，具有優(yōu)異的CMOS工藝兼容性和成熟的產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢(shì)。研究團(tuán)隊(duì)自2019年開(kāi)始將硅基納米剪紙技術(shù)作為重點(diǎn)攻關(guān)方向，經(jīng)過(guò)多年摸索成功掌握了微納尺度硅材料的各類(lèi)形變制造及調(diào)控方法（圖1），突破了納米剪紙結(jié)構(gòu)在金屬材料方面的性能限制，實(shí)現(xiàn)了具有多樣化形變能力的新型微納結(jié)構(gòu)（圖2）。
圖2. 多種硅基納米剪紙結(jié)構(gòu)在聚焦離子束（FIB）輻照前后的SEM圖像。比例尺：1μm。
在塑性形變方面，研究團(tuán)隊(duì)提出基于鎵離子注入與硅空位誘導(dǎo)的非對(duì)稱(chēng)分布及飽和效應(yīng)等新機(jī)理，突破了傳統(tǒng)兩段式形變理論的局限，首次實(shí)現(xiàn)了具有雙反轉(zhuǎn)特征的三段式塑性形變，揭示了劑量依賴(lài)的合成力矩對(duì)結(jié)構(gòu)形變方向的決定性作用，為深入理解硅材料的塑性形變機(jī)制奠定了重要理論基礎(chǔ)。在可逆彈性形變方面，研究團(tuán)隊(duì)基于機(jī)械力或靜電力驅(qū)動(dòng)機(jī)制，設(shè)計(jì)了一種高彈性的網(wǎng)狀納米彈簧結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)低至10 nN的力學(xué)響應(yīng)（圖3）。在滯性形變方面，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種平面彈簧結(jié)構(gòu)，首次觀(guān)察到靜電力驅(qū)動(dòng)下的反常滯后形變現(xiàn)象，即斷電后近乎復(fù)原的二維平面結(jié)構(gòu)自發(fā)形變至三維狀態(tài)的現(xiàn)象（圖4）。
圖3. 硅基網(wǎng)狀納米彈簧結(jié)構(gòu)的彈性形變特性。
圖4. 硅基納米剪紙結(jié)構(gòu)的滯后形變特性。
硅基納米剪紙結(jié)構(gòu)精確可控的彈性及滯后形變模式，為動(dòng)態(tài)光學(xué)信息編碼和加密顯示提供了新的技術(shù)途徑。為驗(yàn)證這一概念，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了多種剛度不同的螺旋結(jié)構(gòu)并進(jìn)行編碼，采用“幅值”、“時(shí)長(zhǎng)”、“時(shí)序”多參量調(diào)控驅(qū)動(dòng)電壓，成功實(shí)現(xiàn)了多種模式的信息加密與光學(xué)顯示（圖5）。這種滯后效應(yīng)與剛度設(shè)計(jì)的協(xié)同作用，為發(fā)展動(dòng)態(tài)信息加密與光學(xué)顯示技術(shù)提供了新策略。
圖5. 硅基納米剪紙結(jié)構(gòu)應(yīng)用于光學(xué)信息編碼和加密顯示的概念演示。比例尺：10μm。
本工作揭示了硅基納米剪紙結(jié)構(gòu)在同一材料平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)塑性、彈性和滯性形變模式的獨(dú)特能力和精準(zhǔn)可控特性，為智能微納器件開(kāi)發(fā)提供了新思路。基于硅材料成熟的工藝基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢(shì)，研究團(tuán)隊(duì)不僅首次觀(guān)測(cè)到多種形變模式協(xié)同共存的現(xiàn)象、深化了外場(chǎng)激勵(lì)下硅材料力學(xué)行為的認(rèn)知，更通過(guò)“可編程力學(xué)響應(yīng)編碼”技術(shù)路線(xiàn)，精確實(shí)現(xiàn)了形變模式的選擇性激活和時(shí)序控制，將有助于推動(dòng)微納光機(jī)電系統(tǒng)、微納傳感器、精密機(jī)械和憶阻器等領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。北理工博士生梁清華、中科大劉之光教授、北理工韓遇博士為論文的共同第一作者，北理工李家方教授為論文的通訊作者。研究團(tuán)隊(duì)感謝北京理工大學(xué)分析測(cè)試中心、懷柔綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置（SECUF）微納加工實(shí)驗(yàn)室等給予的支持與幫助。該交叉學(xué)科研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（基礎(chǔ)科學(xué)中心、國(guó)家杰出青年基金和面上項(xiàng)目）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
（來(lái)源： 北京理工大學(xué)）
4.北理工團(tuán)隊(duì)在極寒條件下光伏防冰領(lǐng)域取得新進(jìn)展
近日，北京理工大學(xué)材料學(xué)院賀志遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)和前沿交叉學(xué)院朱城老師合作，在透明防結(jié)冰薄膜提高光伏在極端寒冷氣候下防結(jié)冰性能的相關(guān)研究中取得進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Transparent Anti-Icing Moire?-Film Enhancing Photovoltaic Stability in Extreme Cold Climates ”為題在《Advanced Materials》上發(fā)表。
在寒冷氣候地區(qū)，冰雪覆蓋導(dǎo)致的光遮擋已成為制約光伏系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)電的主要障礙之一，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致超50%的發(fā)電損失。盡管市場(chǎng)上已出現(xiàn)多種加熱除冰方案，但這些方案難以滿(mǎn)足大面積戶(hù)外光伏系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的需求。理想的光熱防冰解決方案應(yīng)具備三大特性：高光透過(guò)性（保障電池正常工作）、高光熱效率（實(shí)現(xiàn)快速除冰）、可規(guī)模化制備與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。但現(xiàn)有光熱薄膜在“透光發(fā)電”和“光熱除冰”之間往往難以兼顧，需要對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，以在設(shè)備和光熱薄膜之間實(shí)現(xiàn)最佳的陽(yáng)光吸收平衡。
要點(diǎn)一：本研究基于并網(wǎng)商用的光伏組件的戶(hù)外運(yùn)行數(shù)據(jù)，揭示了寒冷氣候下冰雪遮擋對(duì)光伏系統(tǒng)發(fā)電性能的嚴(yán)重影響，其發(fā)電量損失可達(dá)約58%。針對(duì)冰雪遮擋問(wèn)題，提出了一種創(chuàng)新的透明光熱除冰薄膜設(shè)計(jì)策略。
圖1 極寒環(huán)境下太陽(yáng)能電池的故障問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施
要點(diǎn)二：通過(guò)在光熱薄膜上引入具有周期干涉效應(yīng)的莫爾結(jié)構(gòu),在不降低可見(jiàn)光透過(guò)率的前提下，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)93.0%的可見(jiàn)光透過(guò)率和約65.8%的近紅外吸收率。我們采用了基于卷對(duì)卷工藝的納米壓印技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)透明光熱薄膜的規(guī)模 化制造。此外，該薄膜具備出色的季節(jié)性管理，背膠的設(shè)計(jì)使得moire?-TP 薄膜可 以在夏季輕松揭下防止熱量過(guò)分積累。可擴(kuò)展的制造方式與持久的粘合性相結(jié)合， 使其在各種實(shí)際應(yīng)用中更具實(shí)用性。
圖2 透明光熱薄膜的光學(xué)設(shè)計(jì)與可擴(kuò)展制造技術(shù)
要點(diǎn)三：我們進(jìn)一步研究了透明莫爾干涉薄膜的光熱性能，以評(píng)估其除冰能力及 工作溫度范圍。薄膜透明度與光熱轉(zhuǎn)換之間的內(nèi)在權(quán)衡，即增強(qiáng)防冰性能會(huì)自然 降低透明度，反之亦然。通過(guò)光強(qiáng)-溫度相圖和透過(guò)率-溫度相圖預(yù)測(cè)了其在不同 環(huán)境條件下的運(yùn)行范圍并展示了在變化環(huán)境下除冰能力。
圖3 透明光熱膜防冰效果展示
要點(diǎn)四：研究證實(shí)，該米級(jí)柔性光熱薄膜可在 ?20?°C 的戶(hù)外環(huán)境下保持光伏組件表面無(wú)冰覆蓋。應(yīng)用于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的日夜循環(huán)測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證了其穩(wěn)定的除冰性能和出色的能量恢復(fù)能力，冬季單日發(fā)電量提升近7.5倍。此外，該薄膜在弱光環(huán)境下亦展現(xiàn)出良好的光熱響應(yīng)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，展現(xiàn)出廣泛的實(shí)際應(yīng)用潛力。
圖4 透明光熱膜應(yīng)用于鈣鈦礦電池上的性能
我們揭示了在寒冷氣候條件下，光伏系統(tǒng)由于冰雪的遮擋作用會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的電力輸出損失（約占總電量的 58%）。為了避免犧牲光伏性能，moiré-TP 薄膜在保持高可見(jiàn)光透射率的同時(shí)，利用其moiré結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了近紅外光的吸收（約 65%），從而有助于高效光熱轉(zhuǎn)換和防冰功能。就鈣鈦礦電池的防冰性能而言，它證實(shí)了可靠的防冰功能，能夠保持最大功率點(diǎn)運(yùn)行 8 小時(shí)，并在七次循環(huán)中保持持續(xù)的冰融化效果。這種薄膜有效地保護(hù)了鈣鈦礦器件免受冰雪造成的遮擋影響，使得冬季的每日電力輸出幾乎增加了7.5倍。米級(jí)規(guī)模的制造過(guò)程證實(shí)了其在商業(yè)化方面的可行性，而我們的模擬結(jié)果也表明其在全球各地區(qū)用于防冰應(yīng)用方面具有實(shí)用性。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202507034
T. Hao, P. Zhang, C. Chi, Y. Wang, W. Zhang, X. Chen, D. Wang, X. Chen, J. Ye, W. Chen, F. Kang, Y. Bai, Q. Chen, C. Zhu, Z. He, Transparent Anti-Icing Moiré-Film Enhancing Photovoltaic Stability in Extreme Cold Climates. Adv. Mater. 2025, 2507034.（來(lái)源： 北京理工大學(xué)）
5.北理工在共格納米析出相強(qiáng)化高熵合金的絕熱剪切機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展
近日，北京理工大學(xué)材料學(xué)院在共格納米析出相強(qiáng)化高熵合金的絕熱剪切機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展。金屬材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Acta Materialia》在線(xiàn)發(fā)表了題為 “Novel mechanism of ultra-high adiabatic shear susceptibility in FCC-based high-entropy alloys via high-content nanoprecipitate dissolution” 的研究論文。
絕熱剪切是材料在高應(yīng)變率變形條件下常見(jiàn)的一種失效行為。在傳統(tǒng)認(rèn)知中，高絕熱剪切敏感性意味著材料容易發(fā)生局域化變形失穩(wěn)（易失穩(wěn)），而較強(qiáng)的加工硬化能力有助于均勻變形（抗失穩(wěn)），兩者通常難以兼得。例如，具有強(qiáng)剪切敏感性的體心立方（BCC）合金一般加工硬化能力較弱，具有良好加工硬化能力的面心立方（FCC）合金則表現(xiàn)出低的絕熱剪切敏感性。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的高強(qiáng)韌FCC結(jié)構(gòu)納米析出相強(qiáng)化高熵合金，展現(xiàn)出了超高的絕熱剪切敏感性，實(shí)現(xiàn)了“抗失穩(wěn)”與“易失穩(wěn)”的矛盾統(tǒng)一。如圖1所示，與傳統(tǒng)強(qiáng)失穩(wěn)BCC合金相比，該合金表現(xiàn)出良好的加工硬化能力，具有抗失穩(wěn)特性，但又以更低的臨界應(yīng)變發(fā)生絕熱剪切失效，表現(xiàn)出易失穩(wěn)特性。
圖1. Al0.5Cr0.9Fe1Ni2.5V0.2展現(xiàn)出良好的加工硬化能力和超高的絕熱剪切敏感性
已有研究表明，通過(guò)高密度納米析出相與基體相的變形不匹配，可促進(jìn)局部應(yīng)變集中，進(jìn)而誘發(fā)剪切失穩(wěn)。但該機(jī)制在FCC合金中作用有限，難以充分解釋上述材料行為。為此，研究團(tuán)隊(duì)揭示了一種全新的絕熱剪切失效機(jī)制——回溶軟化機(jī)制。在動(dòng)態(tài)變形過(guò)程中，局部變形集中導(dǎo)致溫度升高，進(jìn)而觸發(fā)析出強(qiáng)化相的瞬時(shí)溶解。這一行為使得局部剪切強(qiáng)度驟降，極大加速了剪切帶的形成與擴(kuò)展。論文進(jìn)一步分析了促成析出相快速回溶的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)高熵合金析出相的納米結(jié)構(gòu)和低能量界面對(duì)激活該機(jī)制具有決定性作用：一方面，高構(gòu)型熵賦予了合金較低的析出相回溶溫度；另一方面，納米尺度顯著縮短了溶解過(guò)程中原子的擴(kuò)散路徑，而低能量界面既避免了析出相的粗化，又降低了界面對(duì)原子的擴(kuò)散阻力。上述因素協(xié)同作用，使析出相在較低溫度下即可發(fā)生快速溶解。這種新的絕熱剪切帶形成機(jī)制為設(shè)計(jì)兼具高強(qiáng)韌、良好的加工硬化能力與高絕熱剪切敏感性的合金提供了全新的思路。
圖2. 納米結(jié)構(gòu)和低能量界面促進(jìn)了析出相的快速回溶，產(chǎn)生急劇軟化作用，顯著加速剪切帶的形成
北京理工大學(xué)材料學(xué)院肖遙博士和先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院曾慶磊副教授為論文的共同第一作者，北京理工大學(xué)材料學(xué)院薛云飛教授為通訊作者。西安交通大學(xué)丁俊教授和荀凱輝博士在分子動(dòng)力學(xué)模擬分析方面提供了重要支持；香港城市大學(xué)任洋教授、南京理工大學(xué)沙剛教授、北京理工大學(xué)陳浩森教授和朱盛鑫副教授在原位同步輻射實(shí)驗(yàn)、三維原子探針?lè)治黾皠?dòng)態(tài)原位測(cè)溫等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)中給予了重要指導(dǎo)。
（來(lái)源： 北京理工大學(xué)）
