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机械工程学会摩擦学分会 固体润滑国家重点实验室 摩擦学学报
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学科探索

《scripta materialia》：超短时热处理实现2GPa高强兼具塑性的中熵合金！ 2025-07-31 ; 近日，辽宁材料实验室、江苏大学、南京理工大学联合在高水平期刊《scripta materialia》上发表题为“Ultrafine;κ-Phase and De-Faulting Mechanisms Enables 2 GPa Strength with Ductility in a VCoNi Alloy via Ultra-fast Heat Treatment”的学术论文，陈雪飞研究员、罗锐副教授、周浩研究员为共同通讯作者。 前言 中高熵合金（M/HEA）因其特殊的设计理念和独特的力学性能受到广泛关注。不同于传统合金，M/HEA;的强化源于本征机制：显著的晶格畸变（源于原子尺寸失配）和纳米尺度成分波动，共同提升了强度和塑性。此外，强烈的元素间相互作用可促进化学短程有序，进一步阻碍位错运动并增强应变硬化能力。传统强化策略，如晶粒细化、沉淀强化、固溶强化等，在;M/HEA;中依然有效，其中沉淀强化可显著提升其强度，甚至可使屈服强度提升一倍。然而，M/HEA;中的沉淀增强仍然存在一些挑战。例如，不受控制的沉淀物大小、形状或体积分数会严重降低延展性，甚至导致脆性断裂。因此，通过精确热处理实现对微观结构控制至关重要，尤其需要快速升温和精确控温。 基于此，本研究利用;Gleeble;热模拟系统对冷轧单相VCoNi中熵合金进行超短时高温热处理。该系统可实现±0.5℃控温精度的超快速加热，确保对沉淀相精确调控。超短时热处理后的合金获得2 GPa的超高屈服强度，同时保持4%的均匀延伸率。研究发现，超细κ相的变形与高密度纳米尺度层错高度相关。这些层错协同参与κ相变形，并产生以前未报道的“退层错”机制——部分层错在变形后被恢复。更多精彩欢迎关注公众号“材料科学与工程”。 Fig. 1. Gleeble;超短时热处理：(a);加热、冷却和控制模块的示意图；(b);热处理过程流程图。 ; Fig. 2.;超短时热处理对VCoNi样品力学性能的影响:;(a);工程应力-应变曲线；(b)真应力-应变曲线;(σtrue);和加工硬化曲线;(Θ)；(c);本文中VCoNi合金与类似工艺M/HEA的力学性能对比。 ; Fig. 3. VCoNi合金在各种超短时热处理条件下的微观组织演变：(a);冷轧样品和超短时退火样品的;XRD相分析，其中红色圆形表示;FCC;衍射峰,;绿色菱形表示κ相衍射峰；(b-1);和;(b-2);为冷轧样品的IPF和相图；(c-1), (c-2),;和;(c-3);为UST1;样品的IPF、相图和;TEM;图像；(d-1), (d-2),;和(d-3);为UST2;样品的IPF、相图和;TEM;图像；(e-1), (e-2),;和(e-3);为UST3;样品的IPF、相图和;TEM;图像。 Fig. 4. κ相中高密度的层错导致局部相转变为;9R;和;HCP;结构：(a);未变形的;UST3;样品的明场像；(b-1);至;(b-8);一系列纳米束电子衍射图样，每个探针直径约为;20 nm，位于;(a);中κ相的横向位置。 ; Fig. 5. UST3;样品拉伸变形过程中的退层错行为：(a);未变形样品的高分辨微观结构图；(b);在{11-1}方向对同一区域进行几何相位分析(Geometric phase analysis , GPA)；(c);图(a)中白色虚线框中原子像的放大图,;显示了高密度的层错；(d);拉伸变形后的高分辨微观组织；(e);对应的GPA图；(f);图(d)中白色虚线框中原子像放大图,;显示了退层错行为的发生使部分区域恢复近乎完美的FCC晶格；(g);和;(h);两种“退层错”变形机制。 结论 本研究对处于单相固溶体状态的冷轧VCoNi中熵合金样品进行了;Gleeble;超短时高温热处理，精确的工艺控制诱导形成了超细;κ;相，该相能够与基体协调变形，从而实现了优异的力学协同效应——在接近;2 GPa;的超高强度水平下仍保持了必要的延展性。微观结构分析表明，即使在变形前，κ;相内部也已存在高密度的堆垛层错。这些层错呈非周期性分布，导致局部结构异质性，表现为;FCC、HCP;和;9R;相共存。变形过程中，发生了显著的“退层错”现象，即部分层错恢复。为此，研究提出了两种不同的不全位错发射机制：一种在晶粒内部起作用，另一种在晶界处起作用。分析表明，在超细晶粒微观结构中，晶界发射的不全位错对于促进“退层错”更为有效。
Tribological Effects of Electrically Induced Bearing Damage 2025-07-29 Table of Contents Introduction What are the reasons for the electrically induced bearing damages? Common Mitigation strategies used for bearing damage Reference Introduction Bearings plays an important role in mechanical systems which enables smooth rotational or linear motion by reducing friction between moving components and helping in evenly distribution of loads. They are integral part in wide range of applications such as automotive engines, industrial machinery, aerospace systems, and household appliances. A thorough understanding of bearing behavior and performance is essential for optimizing system efficiency, minimizing wear, and extending the operational lifespan of mechanical assemblies. One significant challenge in modern systems are within the electric motor-driven applications due to electrically induced bearing damage. This phenomenon occurs when stray electrical currents pass through motor bearings causing thermal decomposition of lubricants and physical damage to bearing surfaces. This degradation could affect the performance and lead to premature failure. Therefore, mitigating electrically induced bearing damage is critical for ensuring the durability and reliable operation of electric motors across various industries, including electric vehicles, wind turbines, and aviation systems. Figure-1 The different types of bearing morphology damage [1] What are the reasons for the electrically induced bearing damages? Electrically induced bearing damages in electric motors arises from various factors such as electromagnetic, electrostatic, and operational factors. One of the major cause is magnetic flux asymmetry, which results in low-frequency shaft voltages and circulating currents capable of damaging bearing surfaces. Electrostatic charge buildup from frictional contact between moving components can also lead to sudden discharges across the bearing and causes localized wear. Further, the use of inverter-driven motors, especially those with high-frequency PWM switching, introduces high-frequency common mode voltages that promote EDM within the bearings. Additionally, breakdown of the lubricant film particularly in elastohydrodynamic regimes creates conductive paths that enable damaging current spikes. Finally, larger and more powerful motors tend to experience greater capacitance and circulating current effects, making them more susceptible to bearing-related failures, especially in high-load, high-speed applications. These factors are listed in the Table-1 Table-1 The factors affecting the electrically induced bearing damage Factor Description Impact on Bearings 1. Magnetic Flux Asymmetry Caused by uneven magnetic pole distribution or shaft misalignment, generating low-frequency shaft voltages. Leads to circulating currents that pass through bearings, causing electrical erosion over time. 2. Electrostatic Effects Electrostatic charge buildup from tribocontact between dissimilar materials in motion. Sudden discharges damage bearing surfaces and degrade lubricant properties. 3. Inverter-Induced Voltages High-frequency PWM switching in VFDs induces common mode voltages (CMV) on the shaft. Causes capacitive EDM discharges, leading to micro-pitting, lubricant breakdown, and surface damage. 4. Lubricant Film Breakdown Thin EHD films act as capacitors; when breakdown voltage is exceeded, high-current discharges (~3A) occur. Results in micro-cratering, local heating, and rolling contact fatigue. 5. Increased Motor Power/Size Larger motors have higher capacitance between stator and windings, increasing circulating currents. Higher stray currents increase EDM activity and bearing wear, especially in heavy-duty applications. Common Mitigation strategies used for bearing damage There are various methods that helps in varying the effectiveness of mitigation of electrically induced bearing damages depending on the type of current. High-frequency shaft grounding brushes are among the most effective which offers a complete suppression of both EDM and rotor-to-ground currents, especially when paired with insulated bearings. Further, ceramic hybrid bearings also stand out for their ability to fully eliminate both EDM and circulating currents. On the other hand, passive filters mainly help to reduce circulating currents by limiting impact on EDM currents and potential drawbacks if not paired with proper grounding methods. Insulated couplings are effective in blocking rotor-to-ground currents but can unintentionally increase EDM currents unless combined with additional mitigation techniques. Meanwhile, using one or two insulated bearings can reduce EDM and rotor-to-ground currents to some extent, though not completely. Overall, a combination of methods is often necessary to address all current paths effectively. Reference [1] Notay, R.S., 2025. A Brief Review on the Tribological Effects of Electrically Induced Bearing Damage. Journal of Tribology, pp.1-27.
New STLE Special Report Shares About Turbine Oils, Their Management and Future Predictions 2025-07-27 STLE;examines the evolution of turbine oils and key advancements in formulation ;PARK RIDGE, Illinois, USA (July 22, 2025);–;The Society of Tribologists and Lubrication Engineers (STLE);—;the premier technical society serving the needs of the tribology and lubrication engineering business sector;— is pleased to announce the release of its new free digital special report,;The Evolution of Turbine Oils, Their Management and Future Predictions. This special report summarizes key advancements in turbine oil formulation, tests and condition monitoring technology, primarily over the past decade. The areas covered include formulation of turbine oils, testing and standards for turbine oils and integration of artificial intelligence (AI) and sensors. These recent advancements in formulations, tests and monitoring are powering the shift to synthetic oils, the integration of AI and sensors and the adoption of a holistic hybrid approach for optimal performance and sustainability. “As the power generation landscape evolves, so too must the technologies that support it,”;said STLE President Kevin Delaney, Vanderbilt Chemicals, LLC. “This report offers valuable insight into how our industry is innovating to meet the demands of turbine oils—through smarter lubrication strategies and a forward-looking mindset that prioritizes both performance and sustainability.” This free digital special report is now available for download at;www.stle.org/turbineoils. For more information, visit;www.stle.org;or call (847);825-5536. Click here;for a photo of the special report cover. About the Society of Tribologists & Lubrication Engineers (STLE) The;Society of Tribologists and Lubrication Engineers (STLE);is the premier technical society serving the needs of over 15,000 individuals and 200 companies and organizations that comprise the tribology and lubrication engineering business sector. STLE members are employed by the world’s leading corporations, academic institutions and governmental agencies dealing with science and technology. STLE supports these distinguished technical experts with various professional education and certification programs. STLE is a professional technical society providing robust resources in technical research, education and professional development delivered through programming, courses, events and periodicals on topics most important to you: safety, energy usage, maintenance, natural resources, wear and productivity. ; Tribological advancements can improve productivity, profitability, sustainability and safety across several industries, including manufacturing, metalworking, transportation and power energy.;Membership is available to those interested in staying current with the latest technologies, advancing their careers and making new professional connections worldwide.;STLE membership;is a low-cost investment with high professional rewards. For more information or to join today, visit;www.stle.org. ### Media Contact:;Rachel Fowler |+1 847-993-7959;|;3a@**le.org” rel=”noopener noreferrer”>rf*****@**le.org
钠离子电池，Nature Materials！ 2025-07-25 ; 0 1 研究背景 ; 锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）通常依赖嵌入反应，锂离子或钠离子储存在电极的层状结构中，并在充放电过程中进行交换。电极由液态电解质隔开，电解质中离子被溶剂分子包裹形成溶剂化壳层。离子从电解质嵌入电极时需要脱去溶剂化壳层，反之，离子从电极脱出时会重新溶剂化。在某些情况下，溶剂化壳层未完全剥离，导致溶剂分子也一起嵌入电极，这种现象称为共嵌入（离子和溶剂分子共同嵌入）。共嵌入通常被认为是不利的，因为它会导致电极材料的劣化。 在现有的锂离子电池中，固态电解质界面（SEI）层有效阻止了溶剂的共嵌入。然而，共嵌入反应有时表现出高度可逆性和快速动力学，甚至能够持续数千次循环。其中典型例子是钠离子和二甘醇醚（diglyme）在石墨电极中的共嵌入反应。值得注意的是，溶剂共嵌入为设计电极反应提供了独特机会。例如，溶剂成为电极反应的一部分，能够有针对性地调控电极电位，调节幅度可达几百毫伏，具体取决于共嵌入的溶剂类型。另一个优势是通常限制嵌入反应速率的溶剂壳层剥离能量，在共嵌入过程中可被降低甚至绕过，从而提升能量效率和速率性能。 特别值得注意的是，尽管溶剂化钠离子的体积更大，但其在石墨中的扩散速率快于锂离子。共嵌入的缺点是溶剂化离子尺寸较大，会导致电极体积膨胀幅度更大，同时在石墨中比传统嵌入过程的比容量降低超过三分之二，影响能量密度。此外，需要过量电解质也是实际应用中的挑战，但通过优化电解质和电极，有可能减少电解质用量，例如避免在SEI形成过程中的不可逆电解质消耗。 虽然大多数共嵌入研究集中于石墨负极，但共嵌入在正极活性材料（CAMs）中的研究非常有限，且对于其在电池中的性质和可行性认识不足。近期研究表明，钛二硫化物（TiS2）能够共嵌入钠离子和二甘醇醚分子。另有研究显示，TiS2在高温条件下可以实现Mg2+和Ca2+与碳酸丙烯酯（PC）的共嵌入，但循环性能依然面临挑战。尽管这些研究推动了新型电极反应的探索，TiS2本身并非真正意义上的正极活性材料，因为其不含钠或其他碱土金属离子，难以从商业角度实现电池在放电态的组装。 0 2 研究成果 鉴于此，德国柏林洪堡大学Philipp Adelhelm团队在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Solvent co-intercalation in layered cathode active materials for sodium-ion batteries”的最新论文。本文针对一系列NaxMS2（M为Ti、V、Cr及其混合物）化合物，使用不同溶剂（包括二甘醇醚、碳酸丙烯酯以及碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯混合溶剂）系统研究了钠离子的溶剂共嵌入反应。作者证明了钠离子在CAMs中的共嵌入现象，并揭示了一种溶剂和离子相反流动的反应机制。在理论计算和实验验证的指导下，提出了基于层间结合能和层间自由体积的模型，来预测层状CAMs中的溶剂共嵌入行为。共嵌入的表现由相结构、钠含量、过渡金属及阴离子种类以及溶剂性质共同决定。 （1）实验首次系统研究了钠层状硫化物正极活性材料NaxMS2（M＝Ti、V、Cr及其混合物）中钠离子与多种溶剂的共嵌入现象，得到了不同条件下共嵌入对材料相变、电极膨胀、氧化还原电位和循环性能的影响规律。 （2）实验通过结合多种溶剂（包括二甘醇醚、碳酸丙烯酯及碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯混合溶剂）与NaxMS2正极材料进行电化学测试和结构分析，发现共嵌入过程中存在溶剂与钠离子相反方向的通量；通过理论计算与实验验证，提出了层间结合能与层间自由体积模型，能够有效预测共嵌入行为。 （3）共嵌入不仅改变了材料的层状结构和溶剂化离子含量，还导致电极体积膨胀加剧，同时调控了电极的氧化还原电位。此外，共嵌入能够绕过离子脱溶剂化的能量障碍，提高了反应动力学和循环稳定性。这些发现为设计结构多样、性能可调的钠离子电池正极材料提供了新的思路和理论指导。 ; 0 3 图文解读 ;图1. P2-NaₓTiS₂的电化学行为 ;图2. PC和2G基电解液中因共嵌入导致的大晶格膨胀 图3. 层状硫化物正极中溶剂共嵌入的机制 ;图4. 层状硫化物和氧化物的层间结合能与层间自由体积 ;图5. 其他层状硫化物中的溶剂共嵌入 ; 0 4 结论展望 ; 本文系统揭示了溶剂共嵌入作为一种调控钠离子电池正极活性材料性能的新机制，突破了传统仅关注离子单独嵌入的研究视角。研究发现，溶剂分子不仅能与钠离子共同进入层状结构，而且在特定条件下溶剂与离子呈现相反的物质通量，这种复杂的嵌入行为对材料的相变、结构稳定性及电化学性能产生深远影响。通过理论计算与实验验证，建立了层间结合能与自由体积相结合的模型，能够有效预测不同材料与溶剂体系中的共嵌入倾向，指导未来电极材料的设计和优化。此外，溶剂共嵌入可实现电极反应电位的精准调控，降低嵌入过程的能量障碍，从而提升电池的能量效率和充放电速率。该机制不仅为钠离子电池领域开辟了新的研究方向，也为开发结构多样化、性能优异的层状电极材料提供了理论基础和技术路径，推动了高性能、长寿命电池的创新发展。未来结合溶剂分子设计与电极材料调控，将极大丰富电池体系的功能与应用潜力。 ;
新型智能窗涂层材料，实现"光照即隔热"！ 2025-07-22 氧化钨亚纳米线 突破光致变色材料加工瓶颈 光致变色材料在光学存储、智能窗等领域前景广阔，但传统过渡金属氧化物虽具稳定性和成本优势，却受限于加工性差的问题。亚纳米材料（至少一维尺寸小于1纳米）因表面原子比例超高，表现出独特的电子结构和类聚合物特性，为突破无机材料加工瓶颈提供了新思路。然而，如何利用亚纳米尺度优势同步提升光致变色性能与加工性，仍是亟待解决的挑战。 清华大学王训教授、北京理工大学张思敏教授通过溶剂热法成功合成直径仅0.8纳米、长度数微米的氧化钨亚纳米线（TOSNWs）。该材料兼具>95%的可见光透过率和15秒快速光致变色特性，变色后展现强近红外吸收能力。其类聚合物的流变性能支持旋涂、刮涂等简易加工工艺，为开发光触发透明热屏蔽涂层铺平道路。 材料特性揭秘 图1 展示了TOSNWs的精细结构：透射电镜（TEM）图像揭示其单分散独立线状形态（图1a,b），球差校正电镜测得0.38纳米晶格间距（图1c），原子力显微镜（AFM）直接证实0.8纳米直径（图1d）。这种尺度与氧化钨晶胞尺寸相当，赋予材料超高柔性——电镜中可见线体自由弯曲盘绕（图1a,b）。在非极性溶剂（如辛烷）中，线体自组装成束带结构（图1e,f），而元素图谱（图1g-j）证实其纯净的钨、氧组成。 图1. TOSNWs形貌表征 (a,b) 乙醇分散液中TOSNWs的TEM图像。插图：TOSNWs乙醇分散液实物图。 (c) 乙醇分散液中TOSNWs的球差校正STEM图像。 (d) AFM图像及对应高度曲线图。 (e) 辛烷分散液中TOSNWs的TEM图像。 (f) 辛烷分散液中TOSNWs的HAADF-STEM图像。 (g-j) EDX元素分布图谱结果（W, O元素）。; 类聚合物行为 图2凸显了材料的类聚合物特性。随溶剂极性调节（乙醇/辛烷混合），TOSNWs实现从透明分散液到不透明凝胶的转变（图2a,b）：当辛烷体积比≤50%时，分散液透光率>90%（图2c）；辛烷比例增加促使线体组装成纳米带，通过物理缠结形成三维网络凝胶（图2d）。这种组装行为显著提升体系粘度——TOSNWs分散液粘度比直径10纳米的氧化钨线高数个量级（图2d）。研究进一步利用表面羟基设计交联凝胶（图2e）：添加二异氰酸酯后10分钟内即可形成自支撑透明凝胶（图2f），经超临界干燥制得的气凝胶密度仅0.031 g·cm⁻³，可承载蒲公英而不损伤（图2g）。 图2. TOSNWs溶剂响应行为与交联设计 (a,b) 不同乙醇/辛烷体积比的TOSNWs分散液状态（透光率与凝胶行为）。 (c) TOSNWs分散液透光率与溶剂组成关系（插图为实物图）。 (d) TOSNWs分散液粘度随辛烷体积比变化曲线。 (e) TOSNWs表面双分子层结构示意图及二异氰酸酯交联机制。 (f) 交联TOSNWs形成的自支撑透明凝胶实物图。 (g) TOSNWs气凝胶承载蒲公英的实物图（密度0.031 g·cm⁻³）。; 光致变色性能 图3 记录了材料卓越的光响应能力：TOSNWs乙醇分散液在100 mW·cm⁻²氙灯下15秒内由无色变为深蓝（图3a,b），其凝胶与气凝胶同样展现快速变色（图3c-f）。X射线光电子能谱（XPS）证实变色源于W⁵⁺形成（图3g,h），引发局域表面等离子共振效应，导致变色后材料在近红外区出现宽谱强吸收（图3i）。这种"体相变色"特性（图3k）得益于亚纳米尺度——所有WO₆八面体暴露于表面，显著提升变色效率（传统纳米颗粒仅表面反应）。 图3. TOSNWs光致变色性能 (a,b) TOSNWs乙醇分散液（5 mg·mL⁻¹）变色前后状态。 (c,d) TOSNWs凝胶（5 mg·mL⁻¹, V乙醇:V辛烷=1:1）变色前后状态。 (e,f) TOSNWs气凝胶变色前后状态。 (g,h) 初始态与变色态TOSNWs的XPS谱图（W 4f轨道）。 (i) 变色前后紫外-可见-近红外吸收光谱对比。 (j) 光照后不同时间点的吸收光谱变化（0-120分钟）。 (k) 亚纳米线（SNWs）与传统纳米颗粒光致变色机制对比示意图。; 智能窗应用验证 图4 演示了TOSNWs涂层的热屏蔽效能：旋涂于石英玻璃的透明涂层（0.2 mg·cm⁻²）初始透光率>90%，变色后仍保持>50%可见光透过（图4c,e）。在模拟日光照射下，涂层覆盖的玻璃温度5分钟内升高35℃，而裸玻璃温度不变（图4f），证实近红外光高效转化为局部热量。密闭箱体实验显示，涂层使箱内温升降低55%（13℃ vs 29℃）（图4g），显著阻隔热量传入。 图4. TOSNWs涂层热屏蔽性能验证 (a,b) 无涂层石英玻璃覆盖的自制装置实验起始/结束状态（标尺单位：厘米）。 (c,d) TOSNWs涂层石英玻璃覆盖装置实验状态（左下插图：涂层变色前后实物图）。 (e) TOSNWs涂层透光率光谱。 (f) 氙灯照射下（100 mW·cm⁻²）涂层/无涂层玻璃温度随时间变化曲线。 (g) 涂层/无涂层密闭箱体内温度随时间变化曲线。 前景展望 该研究通过亚纳米尺度设计，同步攻克了过渡金属氧化物光致变色材料的加工性与性能瓶颈。TOSNWs的类聚合物加工性、快速光响应及高效热屏蔽能力，为建筑/汽车智能窗提供了新材料解决方案。这种"光照即隔热"的特性有望显著降低制冷能耗，助力碳中和目标实现。
-20 °C也能无冰覆盖！新型透明光热防冰膜，助力钙钛矿光伏极寒发电！ 2025-07-18 研究意义与关键问题在寒冷气候地区，冰雪覆盖导致的光遮挡已成为制约光伏系统稳定发电的主要障碍之一，严重时可导致超50%的发电损失。此外，冰雪遮挡和极寒气候还可能诱发“热斑”失效、机械应力损伤及封装劣化等一系列结构与性能问题，严重威胁系统稳定性与使用寿命。 尽管市场上已出现多种加热除冰方案，如电加热、电池自热、以及带光热材料的涂层等，但这些方案要么功耗高、能效低，要么存在结构复杂、可靠性差、维护成本高等问题，难以满足大面积户外光伏系统长期稳定运行的需求。 理想的光热防冰解决方案应具备三大特性：高光透过性（保障电池正常工作）、高光热效率（实现快速除冰）、可规模化制备与长期稳定性。但现有光热薄膜在“透光发电”和“光热除冰”之间往往难以兼顾，需要对光学设计进行调整，以在设备和光热薄膜之间实现最佳的阳光吸收平衡，成为阻碍其实用化的关键瓶颈。 本研究基于并网商用的光伏组件的户外运行数据，揭示了寒冷气候下冰雪遮挡对光伏系统发电性能的严重影响，其发电量损失可达约58%。针对冰雪遮挡问题，提出了一种创新的透明光热除冰薄膜设计策略。通过在光热薄膜上引入具有周期干涉效应的莫尔结构,在不降低可见光透过率的前提下，实现了高达93.0%的可见光透过率和约65.8%的近红外吸收率。 研究证实，该米级柔性光热薄膜可在−20 °C 的户外环境下保持光伏组件表面无冰覆盖。应用于钙钛矿太阳能电池的日夜循环测试进一步验证了其稳定的除冰性能和出色的能量恢复能力，冬季单日发电量提升近7.5倍。此外，该薄膜在弱光环境下亦展现出良好的光热响应和长期稳定性，展现出广泛的实际应用潜力。 01 为了评估冰雪对光伏发电的影响，我们收集了位于中国河北保定的一座发电站并网阵列中晶体硅组件的发电量数据，晴天周的总发电量约为538千瓦，而冰雪周的总发电量仅为223千瓦。这种显著的差异凸显了冰和雪在太阳能组件上堆积所造成的严重能量损失。 为解决冰/雪覆盖造成的遮挡问题，我们制造了一种具有干涉结构的透明光热薄膜;(moiré-TP薄膜)，实现了从75.8%到93.0%的可调可见光透射率以及23.0%到65.8%的可调近红外吸收率。这种灵活性使我们能够针对各种实际场景进行定制。 我们将光热薄膜应用于基于 FAPbI3的钙钛矿太阳能电池封装玻璃上作为防冰层。在-20°C的环境温度下，接受 AM 1.5G 太阳光照的情况下，未使用moiré-TP 薄膜的器件出现了严重的结冰现象，导致短路电流密度（JSC）大幅下降，这是由于可见光的反射和散射增强所致。相比之下，使用moiré-TP 薄膜的器件有效地融化了冰层，从而能够在极端条件下实现稳定运行。 图一极寒环境下太阳能电池的故障问题及应对措施 02 利用宽带隙的铯钨青铜纳米颗粒来实现光热薄膜所需的特定光谱选择性。为了进一步增强近红外光的吸收能力并提高光热转换性能，我们引入了莫尔干涉结构。这种莫尔干涉结构凭借增加高阶衍射通道并自然延长光路，展现出了非凡的光管理能力。 我们的研究结果表明周期为 1.5um，旋转角度为 45°的moiré条纹结构实现了最佳的近红外光增强效果。为了开发出一种具有商业可行性的防冰产品，我们采用了基于卷对卷工艺的纳米压印技术，以实现透明光热薄膜的规模化制造。此外，该薄膜具备出色的季节性管理，背胶的设计使得moiré-TP 薄膜可以在夏季轻松揭下防止热量过分积累。可扩展的制造方式与持久的粘合性相结合，使其在各种实际应用中更具实用性。 图二 透明光热薄膜的光学设计与可扩展制造技术 03 我们进一步研究了透明莫尔干涉薄膜的光热性能，以评估其除冰能力及工作温度范围。薄膜透明度与光热转换之间的内在权衡，即增强防冰性能会自然降低透明度，反之亦然。通过光强-温度相图和透过率-温度相图预测了其在不同环境条件下的运行范围并展示了在变化环境下除冰能力，在透过率（Tv）为 82.0% 时，这种moiré光热光薄膜在单太阳光照下，在 -30°C 的临界温度下仍保持无冰状态，这凸显了其适用于极端寒冷环境的特性。 我们还在实际场景中进一步验证了我们这种可扩展薄膜的除冰效果。我们将moiré-TP 薄膜应用于中国宁夏的运行中的太阳能电池板上，这些电池板处于约 0.6 - 0.7 个太阳辐射强度的户外温度环境中，温度范围从 -1 °C 到 -18 °C。带有moiré-TP 薄膜的电池模组保持表面清洁，没有积雪或薄冰层。 图三 透明光热膜防冰效果展示 04 为了评估moiré-TP 薄膜在太阳能电池运行过程中防冰的效果，我们将其应用于具有 p-i-n 结构的封装型钙钛矿光伏器件上。moiré-TP 薄膜在该器件的有效光吸收范围内（300 - 795 nm）保持了出色的透射率。这表明该器件能够保持其原有的高效率，而不会因防冰层而产生额外的能量损失。 由于冰层对可见光的严重反射和散射，这极大地降低了光电流，导致性能下降了82%，说明低温环境对钙钛矿的应用造成了极大阻碍。我们把带有和不带有moiré-TP薄膜的器件在-20°C的条件下经历了昼夜老化循环，并且进行了连续的最大功率点跟踪（MPPT）测试。在模拟夜间（设备处于不工作状态且保持在 -20°C 时），封装器件的表面积聚了一层厚厚的冰层。 在白天，处于 AM 1.5G 单太阳光照下，moiré-TP 薄膜产生的大量热量使其温度在 3 小时内上升了 28 °C，从而导致冰层完全融化。该设备的效率逐渐恢复到了初始状态，能够在低温环境下运行超过 8 小时，这证明了moiré-TP 薄膜具有持续的热生成能力和高可靠性。 总能量输出计算表明，moiré-TP 薄膜的防冰功能在寒冷环境中使设备的日能量生成提高了 7.5 倍。不同地区的温度和光照强度存在显著差异，这影响了光伏电池在全球范围内的应用部署。我们证明了moiré-TP 薄膜能够在北回归线至北极圈之间的地区有效增强抗结冰功能。 图四 透明光热膜应用于钙钛矿电池上的性能 结论展望 我们揭示了在寒冷气候条件下，光伏系统由于冰雪的遮挡作用会出现严重的电力输出损失（约占总电量的 58%）。为了避免牺牲光伏性能，moiré-TP 薄膜在保持高可见光透射率的同时，利用其moiré结构增强了近红外光的吸收（约 65%），从而有助于高效光热转换和防冰功能。 就钙钛矿电池的防冰性能而言，它证实了可靠的防冰功能，能够保持最大功率点运行 8 小时，并在七次循环中保持持续的冰融化效果。这种薄膜有效地保护了钙钛矿器件免受冰雪造成的遮挡影响，使得冬季的每日电力输出几乎增加了7.5倍。 米级规模的制造过程证实了其在商业化方面的可行性，而我们的模拟结果也表明其在全球各地区用于防冰应用方面具有实用性。 最后但同样重要的是，moiré-TP 薄膜独特的光谱选择性、可重复的附着力以及与各种基底的兼容性，使其成为多种透明应用和光电设备的有前景的候选材料。在实际应用中，我们期望未来开发出智能环境响应型透明光热材料，以满足moiré-TP 薄膜对钙钛矿电池防冰性能的要求。 -END- ; ;
创效超千万！300MW等级机组锅炉水冷壁高温腐蚀研究治理成效显著 2025-07-18 ;近期，酒钢宏晟电热公司“300MW等级机组锅炉水冷壁高温腐蚀研究治理”项目通过省级科技成果评价，被评定为国际先进水平。该项目通过深度优化300MW等级机组锅炉内高温区还原性气氛和锅炉制粉系统，成功在困扰机组稳定运行的水冷壁高温腐蚀难题上取得了技术突破，为电力能源产业安全生产与降本增效注入了强劲动力。 “作为企业发电的主力机组，宏晟电热公司320MW、350MW机组长期肩负着高负荷供电重任。”宏晟电热公司电力研究所热力研发主任工程师祁青福说，320MW机组自2016年接入铝电网后，常年近乎满负荷运转。自2017年起，其锅炉水冷壁区域便出现腐蚀现象，主要集中在下层燃烧器至上层燃尽风区域；350MW机组自2014年负荷提升至300MW以上后，斜坡面上部至上层燃尽风区域也频繁遭遇腐蚀问题。 一组数据揭示了问题的严重性：自2019年下半年以来，因腐蚀导致的水冷壁泄漏停机多达7次，腐蚀速率高达1.5—2.1mm/年，远超行业安全阈值。这不仅致使机组非计划停运频发，更使得320MW机组换管周期缩短至仅2年、350MW机组换管周期仅为1.5年，每年运维成本居高不下，严重影响企业的生产效益与供电稳定性。 “这是煤粉颗粒与硫化物联合侵蚀的结果。”此前，技术团队已经尝试了十几种方案，从调整燃烧器角度到更换低硫煤，可效果都不尽如人意。经过深入分析，技术人员发现，磨煤机运行时煤粉细度波动大、颗粒粗是引发高温腐蚀的关键因素之一。粗煤粉燃烧不充分，导致炉内形成还原性气氛，进而加速了水冷壁金属的腐蚀。针对这一“症结”，该公司迅速组织力量，从煤粉细度和均匀性上狠下功夫，全力优化制粉系统，从燃烧源头上减少还原性气氛生成的条件。 为降低煤粉细度，技术人员开展加载力、风量、转速多参数联动试验，并确定最佳运行区间。一系列精准调整使煤粉细度R90从35%以上稳定降至18%—22%，达到行业优秀水平。 为提升煤粉均匀性，技术人员在静态分离器磨煤机内部加装均流小分离器，并通过调整小分离器折向挡板开度，将原入炉贴墙侧出粉细度粗的粉管调整至炉中位置。这一举措实现了两侧墙入炉粉管煤粉细度的均衡性，两侧墙粉管煤粉细度差从20%大幅缩至5%，大颗粒煤粉冲刷磨损减少40%。 在此基础上，技术人员在燃烧配风调整上创新实施“差别化控制”调整法。通过差别化控制前后墙一次风速、内外喷燃器外二次风，优化了炉内高温区水冷壁贴壁烟气氧量的均匀性。同时，采用“逆低氮燃烧技术”，在保证环保参数达标的情况下，减少了锅炉高温区水冷壁还原性气氛，保证了煤粉在燃烧器区域充分燃烧，有效降低了高温区水冷壁贴壁区域的腐蚀风险。 300MW等级机组锅炉水冷壁高温腐蚀研究治理成效显著，有效降低了因锅炉高温腐蚀造成的泄漏次数，合计创效4272.39万元。其中，两台320MW机组水冷壁腐蚀速率从1.5—2.1mm/年降至1mm/年以下，水冷壁换管周期从原本的2年延长至6—7年；350MW机组水冷壁换管周期从1.5年延长至4年。 ;
螺旋桨动态除冰技术的研究现状，耐久性、复杂气候适应性是关键 2025-07-17 ; 螺旋桨是飞行器推进系统的关键部件，广泛应用于民用飞机、军用战机和无人机。它不仅提供飞行所需的推力和升力，还影响燃油效率、机动性和航程。然而，在低温高湿条件下，螺旋桨叶片易发生结冰，严重威胁飞行安全，甚至可能导致失速或结构失效。因此，研究其结冰特性并开发高效防冰/除冰技术尤为重要。 目前常用的防冰/除冰方法包括热防冰、机械除冰和化学喷洒，虽具一定效果，但存在能效低、重量大、适应性差等问题。为应对现代飞行条件的复杂需求，动态防冰/除冰技术逐渐兴起，其核心在于通过改变螺旋桨表面与冰之间的相互作用，减少结冰并高效去冰，如构建超疏水或光热表面等。 在此，中国民用航空飞行学院何强教授联合河南科技大学张彦斌教授介绍了螺旋桨动态除冰技术的研究现状。作者系统回顾了螺旋桨结冰机制，分析气象和飞行因素对结冰的影响及其对飞行性能的危害，并综述了当前主要的动态除冰技术，评估其原理、优劣与实际挑战。 最后探讨未来发展趋势，如多技术融合、智能控制及先进材料应用，旨在为防冰技术的创新与工程应用提供理论支持与实践指导。相关成果以“Current research status of dynamic de-icing technology for propellers”为题发表在《Advances in Colloid and Interface Science》上。 螺旋桨动态结冰过程螺旋桨动态结冰是指在飞行过程中，由于空气中的水滴与螺旋桨叶片的相对运动而引发的结冰现象。螺旋桨的动态结冰过程从冰核的形成开始。飞行过程中，水滴会被气流带到螺旋桨表面，在低温环境下冻结成冰核。然而，与静态结冰不同，螺旋桨叶片的高速旋转会对冰核的形成产生重要影响。 冰核形成后，水滴继续在螺旋桨表面附着并冻结，形成冰粒，螺旋桨的动态特性导致了冰粒附着和积累的过程更加复杂。在飞行过程中，螺旋桨叶片的旋转速度不断变化，空气流动方向也在不断变化，这使得水滴的动能、流向以及与叶片表面的接触方式都发生变化，导致冰粒的附着分布变得非常不均匀（图1）. 图 1 螺旋桨动态结冰过程 环境因素对螺旋桨结冰的影响 螺旋桨结冰对飞行安全影响显著，而其行为主要受外部气象条件控制，尤其是温度、液态水含量（LWC）、平均液滴体积（MVD）和风速（图2）。温度决定冰型（图2a）接近 0°C 易形成致密透明的釉冰，而在 −15°C 附近则易生成多孔的霜冰，改变气动外形。LWC 影响冰层致密度（图2b）低 LWC 下冰层松散、附着力弱；高 LWC 则形成致密冰层，难以脱落。 MVD决定冰层均匀性（图2c）小液滴（<20µm）铺展均匀，形成均匀冰层；大液滴易在前缘局部积聚，增加失速风险。风速调节积冰速率（图2d）中等风速增强传热，加快结冰；但过高风速会加剧蒸发并剥离冰晶，反而抑制积冰。综上，气象因素通过多重机制协同影响螺旋桨结冰的速度与形貌，是制定防除冰策略的重要依据。 图 2气象因素对螺旋桨结冰的影响 ; 结冰对气动性能的影响螺旋桨结冰会显著影响其气动与机械性能，降低推力与效率，增加能耗，甚至威胁飞行安全。因此，深入了解结冰效应对螺旋桨性能的影响，对防冰设计至关重要（图3）。气动性能退化（图3a）结冰会改变螺旋桨表面轮廓和边界层状态，影响推力输出。釉冰在初期可能略微提升推力，但霜冰则易诱发气流分离，导致推力下降并带来较大波动性。效率降低与温度相关（图3b）在较低温度（如−10 °C）下形成的霜冰更粗糙，导致推进效率下降更明显。推力系数（Cp）和功率系数（Ct）均表现出明显衰减。攻角变化引发不稳定（图3c）在悬停状态下，结冰造成叶片攻角持续增大，可能引发局部失速和周期性载荷波动，增加机械磨损与结构风险。 图 3结冰对螺旋桨的气动性能、机械性能及飞行安全性的影响 主动除冰技术 相比传统螺旋桨，集成电加热系统的螺旋桨具备快速除冰和节能优势，能有效提升低温环境下的工作效率与安全性（图4a）。原理与结构（图4b, 4c）电加热系统通过嵌入或表面电热元件加热叶片，利用电阻发热防止结冰或融化已有冰层。系统可根据环境动态调节功率，具备防冰与除冰双重功能。新型结构采用多层功能材料，如碳墨发热层和铜微电极网络，提升热效与可靠性（图4c）。性能表现（图4d）在−5 °C 和−10 °C下，加热螺旋桨效率显著优于未加热状态，验证了其有效除冰能力。材料进展（图4e）复合材料如ACMC&Ag纳米复合纸通过多种纳米结构协同作用，进一步提升导热性与系统稳定性。 图 4 电热除冰技术 被动除冰技术超疏水涂层除冰通过在螺旋桨叶片表面构建极低表面能界面，有效降低水滴附着与结冰概率（图5a）。其表面通常具备微纳结构，形成类似莲叶的“山脊-谷地”形貌，使水滴呈球状并快速滚落，避免冰霜在表面积聚。 性能提升方向 当前研究重点集中在材料优化、耐久性增强及环境适应性提升。图5b展示了一种基于F-SiO₂@PDMS的超疏水涂层，其在多轮结冰/除冰循环后仍保持较低冰黏附强度，明显优于未处理表面。图5c则为不同超疏水表面结构的SEM图像，反映出结构设计对涂层性能的关键影响。总体来看，超疏水涂层为螺旋桨提供了一种被动、高效的防除冰策略，具备应用前景，但仍需在耐久性与复杂气候适应性方面进一步突破。 图 5超疏水表面防除冰 讨 论 如今，螺旋桨除冰技术越来越受到关注，然而，即使已有多种除冰方法，其在能耗、结构影响、环境适应性和长期稳定性方面仍存在不足，难以在复杂飞行条件下实现高效、可靠的防除冰效果。以下几个方面介绍了未来需要解决的挑战。 螺旋桨除冰系统的结构相对复杂，当前的除冰方法通常涉及多个部件和复杂的控制系统，这不仅增加了系统的重量，还导致了维修和维护成本的提升。 未来的发展方向应聚焦于简化除冰系统的结构，以提高系统的可靠性和降低成本。采用微波与电磁能技术可能成为一种可行的解决方案，通过微波或电磁波的热效应，可以在不增加过多额外部件的情况下，快速有效地对螺旋桨进行除冰。 智能化低能耗防除冰系统的研究至关重要。目前的除冰系统往往需要持续高功率运行，这不仅增加了能量消耗，还可能影响飞行性能。未来研究应优化能量管理，动态分配除冰功率，避免不必要能耗。结合智能传感检测系统和智能控制算法实时监测冰层厚度与生长速率，自适应调整除冰模式，实现精准除冰，降低能耗并提升系统稳定性，以适应复杂飞行条件。 除冰材料的性能优化仍是关键问题。高效、低能耗的除冰材料，如石墨烯电热膜、智能变形材料和相变材料等，能够提升除冰效率并减少能源消耗。然而，这些材料在复杂飞行环境中的长期稳定性、耐久性及环境适应性仍需进一步研究。因此，未来研究方向应包括基于实验与仿真的材料性能优化，提升导热性、响应速度以及低温环境下的可靠性，以确保其在严苛条件下的持续高效工作。 -END- ; ;
材料顶刊《JMST》全面总结异质金属材料的微观结构、力学性能及变形机制 2025-07-16 ;导读：近年来，在金属材料领域出现了一种快速崛起的新型异质结构材料（HSMs），这种材料由于微观组织、晶体结构和成分的不均匀性，由强度差异显著的软硬区域组成，可以有效打破传统均质材料强度与塑性的倒置关系，本文综述了不同加工方法制备的高强高模材料的非均匀变形机理、组织特征和力学性能。同时，从微观应变/应力、损伤机制和关键异质结构参数等方面对协同强化效应的力学行为和影响因素进行了评价。本文旨在构建异质结构、微观变形机制和宏观力学性能之间的关系，为异质结构的优化设计提供有价值的参考，并对有待进一步研究的关键科学问题进行探讨。 异质结构金属材料（HSMs）是由具有显著强度差异的软硬区域构成的新型材料，其核心优势在于通过异质变形诱导（HDI）强化和硬化效应，打破传统均质材料强度与延展性的倒置关系。安徽工业大学、重庆大学和新加坡国立大学的团队在本文中系统综述了HSMs的定义、分类、异质变形理论，列举了各类异质结构的制备方法、形成机制、优异力学性能及强化机制，分析了协同强化效应的影响因素与独特力学行为，并提出了优化策略，同时梳理了相关本构模型及未来研究方向。 HSMs的变形机制体现为三个阶段：弹性变形阶段，软硬区域均呈弹性状态；弹性－塑性阶段，软区先发生塑性变形，硬区仍为弹性，界面处形成应变梯度，GNDs在软区界面堆积产生背应力，硬区则产生正向应力，二者耦合形成HDI应力，提升屈服强度；塑性阶段，软硬区均塑性变形，软区承受更高应变，应变分配效应促使更多GNDs积累，产生HDI硬化，使应变硬化率显著提升。 HSMs包含多种类型，如异质层状结构（HLS）、梯度结构（GS）、层状结构（LS）等。HLS因软硬区相互约束和应变分配，被视为理想异质结构；GS呈现晶粒尺寸等梯度变化，通过多机制协调提升整体性能；LS由相同或不同金属层组成，界面清晰可控，适合基础研究。这些结构通过调控域尺寸、分布、强度差异等参数，实现强度与延展性的优异协同。; 协同强化效应受域厚度、体积分数、强度差异等多因素影响，分散应变带和应变传递是主要塑性调节机制，可缓解局部应变集中，延缓裂纹扩展。数值模拟方面，CPFEM能关联微观结构与宏观性能，但仍需完善损伤模型、优化HCP材料本构模型等。未来需探索复杂应力状态下的性能、改进模拟方法、深化基础理论及拓展功能特性研究。 相关研究成果以“Microstructures, mechanical properties and deformation mechanism of heterogeneous metal materials: A review”发表在Journal of Materials Science & Technology上 链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030225006334?via%3Dihub 图1 （a）天然竹子由平行纤维组成，具有径向密度梯度，嵌入蜂窝状细胞的基质中。独特的梯度结构，结合横截面的中空管形态，增加了竹子的抗弯刚度，以抵抗严重的自然力。 （b）软体动物外壳的结构：鲍鱼壳的横截面显示出坚硬的外部方解石层和珍珠层内层。鲍鱼珍珠层的断裂表面显示出拉出的片剂，其由嵌入有机基质中的文石（CaCO3）纳米晶体组成，如示意图所示。 （c）用于过去房屋的干燥秸秆和泥浆，以及用于现代建筑和结构部件的水泥、砾石和钢筋。 （d）纳米颗粒（NG）/超细颗粒（UFG）/粗颗粒（CG）材料与异质结构材料（HSMs）的屈服强度（YS）和均匀延伸率（UE）的比较，以及不同HSMs的主要加工工艺。; 图2 PubMed文献数据库近年来检索到的高血压相关论文的趋势及地区分布。; 图3 （a）三个变形阶段（Ⅰ、Ⅱ、和Ⅲ）的HSMs（红色应力－应变曲线）以及它们对位错行为和区域边界附近应力分布的影响示意图。τa是施加的剪切应力。红点代表位错源。 （b）GND密度/应力随距离区域边界的分布。 （c）应变/应变梯度随距离区域边界的分布。 ; 图4 LUR曲线中的卸载－再加载回路图及各点的物理意义：定义卸载屈服σu、再加载屈服σr、HDI应力σHDI、摩擦应力σf、粘性应力σ*、Eu的有效卸载杨氏模量、Er的有效再加载杨氏模量。 ; 图5 GND布置类型：（a）I型：GND堆积在边界滑移面上。 （b）Ⅱ型：GND垂直排列以形成低角度晶界。 （c）I型和Ⅱ型混合型。 （d）透射电子显微镜（TEM）图像显示GND堆积在异质结构层Ti中（绿色线）。 （e）显示SSD分布的HR-TEM图像。 ; 图6 GND密度计算原理：（a）基于KAM的方法。 （b）基于位错张量的方法，其中晶界以红色突出显示。 （c）基于上述两种方法的GND密度分布。 ; 图7 TC11钛合金中不同滑移系的单个GND密度。 ; 图8 （a1）纯钛部分再结晶后的反极图（IPF）。 （a2）不同厚度样品的工程应力－应变曲线和（a3）应变硬化率－真应变曲线。 （a4）HDI应力和流变应力随应变增加的发展。 （b1）UFG纯铝层板在350℃退火5min后的IPF和极图。 （b2）工程应力－应变曲线和（b3）不同退火时间样品的应变硬化率－真应变曲线。 （c1）中锰钢的EBSD相图和IPF。 （c2）样品与其他现有高强度金属的拉伸性能比较。 ; 图9 （a1）SMGT制备的梯度结构（GS）Cu棒样品的模型图和扫描电子显微镜（SEM）图像，晶粒尺寸从梯度纳米晶（GNG）到CG。（a2）GNG，CG，和GNG/CG样品。 （b1）GS IF的一个GS层中的模型图和粒度分布－用SMAT方法加工的具有两层GS层包裹CG芯的钢板样品。 （b2）NG、GS、GS/CG（b3）在不同拉伸应变下GS/CG样品的GS层和CG芯中维氏显微硬度（H）随深度的增量（ΔH）变化。 （c1）循环动态扭转GS Al0.1CoCrFeNi高熵合金的模型图和局部TEM图像。 （c2）单个Ⅰ区（T-Ⅰ试样）、单个Ⅱ区（T-Ⅱ试样）、单个Ⅲ区（T-Ⅲ试样）和含有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区的T-Ⅰ试样的真应力-应变曲线。 ; 图10 （a1）具有不同Ti层厚度的层状结构（LS）Al/Ti/Al层压板的SEM图像。 （a2）IPF（用红色矩形框标记）1.12mm Ti层厚的Al/Ti/Al层压板。 （a3）Al/Ti/Al层压板、单个Ti和单个Al的工程应力－应变曲线。（b1）LS铜/青铜层压板的OM图像（N2、N3、N5样品）通过ARB处理2、3和5个循环并结合退火。 （b2）相应的ICCM图像。（b3）N2、N3和N5样品的工程应力－应变曲线。N3和N5样品。 （c1）在300℃下退火30分钟的LS纯Al层压板的IPF。 （c2）工程应力－在不同时间和温度下退火的样品的应变曲线。 （c3）定制纯铝层压板与其他不同工艺处理的纯铝样品之间的YS和UE比较。 ; 图11 （a1）93%液氮温度轧制+200℃/3min退火获得的双峰结构（BS）Cu的TEM图像。 （a2）不同加工状态下样品的工程应力－应变曲线。 （b）BS Cu及其合金的力学性能比较，NG/UFG Cu及其合金以及CG Cu。 （c1）粉末冶金制备的含75% UFG/25% CG的316L奥氏体不锈钢的IPF。 （c2）CG区域用蓝线表示，UFG区域用红线表示相关晶粒尺寸分布。 （c3）真实应力－具有不同UFG/CG比率的BS样品和单峰样品的应变曲线。 ; 图12 （a1）谐波结构（HS）的3D形态。 （a2）通过PM制备HS材料的路线图。 （b1）具有不同机械研磨（MM）时间（0-150h）的块状FeMnCoCr HEA样品的IPF。 （b2）壳分数和壳/核平均晶粒尺寸随研磨时间的变化。 （b3）标称应力－具有不同MM时间的散装样品的应变曲线。 ; 图13 马氏体-铁素体DPS中三种马氏体形态和分布的OM图像：（a1）孤立马氏体，（a2）链式马氏体，（a3）纤维状马氏体。（b1）马氏体－铁素体DPS中纤维状马氏体的SEM图像。（b2）不同压下量的冷轧和温轧样品的工程应力－应变曲线。（b3）与不同的SPD方法相比，温轧具有显著的强化效果。 ; 图14 （a1）77K拉伸试验后CrCoNi MEA的三级非均匀晶粒结构和插图中UFG晶界处形成的NG。 （a2）不同温度下具有非均匀晶粒结构的MEA的工程拉伸应力－应变曲线。 （a3）298和77K拉伸变形过程中NG和角孪晶的密度（ρ）和晶粒尺寸的变化。SMAT分析AZ31合金中（b1）取向和（b2）晶粒尺寸的梯度分布。 （b3）不同取向的CG和GS试样的工程应力-应变曲线。 （c1）具有双异质晶粒尺寸和析出物的AZ91合金的SEM图。 （c2）不同预时效时间的AZ91合金的工程应力－应变曲线。 （d1）IPF和（d2）具有晶粒尺寸和结构双重非均匀性的Mg-1Gd/Mg-13Gd合金的极图。 （d3）Mg-1Gd/Mg-13Gd合金和相应的单个组分合金的真应力-应变曲线。 ; 图15 （a）不同厚度的HLS Ti的YS和UE。其他Ti以及Ti6Al4V的机械性能也用于比较。 （b）YS-UE和（c）具有不同界面间距的LS铜/青铜层压板的加工硬化曲线。 （d）随着塑性应变的增加，界面间距为7.5和31μm的样品的背应力和有效应力的发展。（红色曲线），基于ROM的计算，使用修改后的ROM进行计算（绿色曲线）。插图是随着GS层体积分数的增加协同强化（Δσ）的发展。 （f）测量的应变硬化曲线（实线）和基于ROM的计算。 （g）NS层中具有不同体积分数的LS铜/青铜层压板的应变硬化速率的比较。IF钢中的CG样品。 （h）Ti1.1和Ti0.6样品在Ti层中心和Al/Ti界面处的GND密度分布。 ; 图16 一个软CG层夹在两个硬NS层之间的模型。 （a）所有层都是弹性的。 （b）中心软层塑性变形，而硬层弹性变形（弹塑性阶段）。 （c）所有层都在塑性变形（塑性－塑性阶段）。软层和硬层具有相同的弹性模量。SMAT制备的GS IF钢中应力和应变分布的CPFEM分析： （d）沿着x轴的法向应力（σx）分布。（e）沿着x轴的法向（dεx/dy）和剪切（dγxz/dy）应变梯度。路径1（中心）至4（边缘）是指为CPFEM建模选择的样本的不同路径；非均质Cu的CPFEM分析作为模型，并考虑不同变形机制的强度贡献。 （f）具有不同晶粒尺寸的非均质区域的预测应力－应变曲线和（g）应变梯度距带边界距离的相应变化趋势。 ; 图17 3%塑性应变后，HLS黄铜（a）高角度畴界（>15°）和（B）低角度畴界（5°-15°）处GNDs堆积的TEM图像。（c）畴界处GNDs堆积的统计分析。（d）LUR曲线和（e）不同样品的HDI应力演变。 ; 图18 （a）几何相容性因子m′作为基底－基底滑移、基底－棱柱滑移和基底－锥体滑移转移模式的取向差的函数；IPF和相应的取向差分布图，在AZ31合金中插入｛0001｝极图：（b，c）AR样本，（d，e）TD4%样本，（f）LUR曲线和（g）两个样本中的HDI应力演变。 ; 图19 （a）LS纯Al和（B）HLS Mg-13Gd合金在不同应变下的IPF和GND密度分布图，（c）和（d）GND密度随应变增加的相应变化，（e）不同退火处理的纯Al的HDI应力演变，（f）Mg-13Gd合金在不同挤压比下的HDI应力演变和（g）HDI硬化发展。 ; 图20 LS纯Al中的织构统计：（a）CG层，（b）FG层；HLS Mg-13Gd合金中的极图、晶体取向模型和施密特因子（SF）分布：（c-e）：CG，（f-h）FG。 ; 图21 （a）相邻晶粒间的滑移面角度和滑移方向的模型图；（b-d），（e-g）在晶粒尺度水平上均匀Mg-13Gd样品的晶体学与局部微观应变之间的关系，（h）基于欧拉角计算的理论滑移迹线方向；（i）SF范围为0-0.5的m'分布。 ; 图22 （a）具有高SFE的传统材料和（b）具有低SFE的高速切削材料中的位错行为；（c）疲劳FCC晶体中各种位错构型的α因子。 ; 图23 （a）包括CG和FG区域的TEM图像和（b）边界处沉淀物与位错之间相互作用的详细视图；（c）包括CG和FG区域的TEM图像和（d）边界处偏析的Gd溶质原子与位错之间相互作用的高倍放大图；（e，g）LUR曲线和（f，h）Cu/Cu-Zn、1060/7050Al层压板及其样品随应变增加的HDI应力发展。 ; 图24 LS铜-青铜层压板：（a）平均层厚为31µm的样品的OM；（b）和（c）ICCM图像，显示了平均层厚为62μm和3.7μm的层压板中的微观结构。（d）LS铜－青铜层压板在3.1%、4.2%和5.6%应变下的应变带（SB）的演变，通过高分辨率DIC测量。黑色箭头表示畴界面。 ; 图25 （a）从NS层到CG层的具有GS的Ni样品； （b）表面上分散SB的演变； （c）在7.22%的施加应变下测量的侧表面上SB的分布。Z代表厚度方向。 ; 图26 三个样品的EBSD图像、晶粒尺寸的统计分布和DIC图像：（a1-a3）轧制UFG样品，（b1-b3）含～30%CG的BS样品，（c1-c3）均质CG样品。 ; 图 27（a）显示散斑图案和晶界（黑线）的扫描电镜图像，（b）（a）中红色虚线框标记区域在2000倍放大倍数下的图像，红色方框显示子集大小，（c）数字图像相关法（DIC）基本原理示意图，（d）在3%宏观应变下通过电子背散射衍射（EBSD）获得的Mg-1Gd/Mg-13Gd样品的逆极图（IPF）以及在7%和13%宏观应变下对应的高分辨率扫描电镜图像，（e–g）不同宏观应变下高分辨率数字图像相关法（HR-DIC）得到的应变场εxx、εxy和εyy。 ; 图28 当拉伸应变从1.09%增加到21.06%时，代表性SB上的应变演变和GS Ni表面上的应变峰特征：（a）应变εx，（b）应变εy，（c）应变峰半峰处的平均宽度和平均应变峰高的演变；（d）在LS Mg-1Gd/Mg-13Gd层压板的不同宏观应变下，沿图27（e）中描述的曲线1的应变沿着xx；（e）在不同应变下GS IF钢的局部SB中硬度值的变化。 ; 图29 LS Ti-Al层压板在不同宏观应变下沿着x方向的基于SEM的DIC映射：（a）0%，（b）2.0%，（c）4.0%，（d）5.0%，（e）6.0%，（e）8.0%；随着宏观应变增加的平均应变的定量分析：（g）εxx，（h）εyy，（i）εxy。 ; 图30 （a）变形过程中损伤累积的宏观和（b）局部放大SEM图像；（c）不同宏观应变下异质Ti/Ti3Al层压板沿着y方向的基于SEM的DIC映射。 ; 图31 两种HLS Ni：（a1-a3）LNR-500℃-13min样品的TEM图像，在颈缩处具有高密度位错结构的层状CG嵌入基体中；（b1-b3）LNR-500℃-13min样品的断口的SEM图像；（c1-c3）ECAP+LNR-475℃-5min样品的TEM图像，在颈缩处具有等轴CG嵌入UFG基体中；（d1-d3）ECAP+LNR-475℃-5min样品中断裂的SEM图像。 ; 图32 （a）在各种宏观应变下进行原位拉伸试验期间LS Al-Ti层压板中裂纹的三维可视化形态； （b）宏观应变为10.0%和20.0%时的SEM图像； （c）宏观应变为20.0%时Ti层中颈缩裂纹的三维形态，由（a）中的白色虚线框标记。 ; 图33 BS Al-Mg合金中的示意图、SEM和TEM图像：（a1-a3）空隙萌生，（b1-b3）裂纹钝化；示意图和SEM图像：（c1，c2）裂纹偏转和分支，（d1，d2）裂纹桥接，（e1，e2）界面分层和失效。 ; 图34 GNG-Ti横截面的SEM图像：（a）拉伸变形前，（b）15%拉伸变形后；（c-e）图（b）中标记的NG/UFG到CG的高倍放大图像；（f-h）相应的断裂形貌；（i）损伤演化和断裂的模型图。 ; 图35 （a）NG层、GNG-Cu样品和CG层在20%拉伸变形后的SEM图像，其中NG和CG层为取自GNG-Cu样品的750µm厚的薄箔拉伸试样；（d-f）和（g-i）NG和CG层分别在0%、5%和20%拉伸应变下的表面形貌。 ; 图36 在三个尺度水平下，CPFEM与高强度金属材料的微观结构和力学性能的相关性图：（a）宏观水平，（b）介观水平，（c）微观水平，（d）微观结构和力学性能的调节。 ; 图37 （a）NS基体中具有聚集、层状和分散CG区域的异质结构Cu的三种区域配置示意图；（b）不同区域配置和（c）分散异质结构中不同机械不相容性的额外流动应力响应比较；（d）强度－延展性组合的指标（σy*Eu）；（e）作为VHBAR函数的额外机械响应。 ; 图38 （a）LS Cu/Cu-Cu10Zn中均匀和非均匀结构以及分区IAZ中的位错堆积模型； （b）不同层厚下真实应力－应变的实验结果和模拟结果的比较； （c）背应力和（d）应变硬化率演变的相应预测。 ; 图39 （a）颗粒级和样品级GND堆积模型；（b）弹塑性转变阶段和（c）塑性流动阶段侧向应变εx沿着深度方向的演化（路径1-4），（d）不同拉伸应变下轴向应变εz沿着长度方向的分布（路径5-7），（e）各种影响因素下GS IF钢流动应力的定量评估。 ; 图40 本综述的结论与前景。 ; 本文的研究成果如下： （1）明确了异质结构金属材料（HSMs）的定义、分类及异质变形理论，阐述了其由软硬区域构成且能打破传统均质材料强度与延展性倒置关系的特性，核心在于hetero-变形诱导（HDI）强化和硬化效应。 （2）梳理了各类HSMs的制备方法、微观结构特征及力学性能，包括异质层状结构、梯度结构、层状结构等多种类型，分析了不同结构的形成机制和强化机制。 （3）深入研究了HSMs的变形机制，将其分为弹性变形、弹性－塑性变形、塑性变形三个阶段，阐明了各阶段中应力应变变化、位错行为及HDI应力和硬化的产生过程。 （4）分析了协同强化效应的影响因素，如域厚度/间距、体积分数、强度差异等，以及其力学行为如分散应变带、应变传递和裂纹演化，明确了这些因素和行为对材料性能的作用。 （5）系统阐述了HSMs的数值模拟研究，包括不同尺度的constitutive模型，以及CPFEM在预测材料力学行为和优化微观结构设计中的应用，同时指出了模拟中存在的问题和未来改进方向。 （6）总结了HSMs研究的关键科学问题和未来方向，涉及复杂应力状态下的性能、模拟模型改进、基础理论完善及功能特性研究等。
中科院海洋研究所，最新Nature系列综述：摩擦纳米发电机与场效应晶体管！ 2025-07-16 ;物联网;(IoT) 基础设施的实际部署面临着巨大的能源需求。为了应对这一需求，摩擦纳米发电机和场效应晶体管 (FET) 催生了摩擦电子晶体管和液滴发电机 (DEG)。前者通过将机械刺激转化为摩擦电势来实现主动机械感知，后者则通过受 FET 启发的架构的体效应来提高雨滴能量收集的效率。 鉴于此，中科院海洋研究所王鹏研究员探讨了摩擦电子晶体管和 DEG 的工作机制和设计原理，并重点介绍了它们无缝集成到全球物联网网络所必须克服的关键科学和技术挑战。他们重点介绍了用于物联网数据收集、存储和处理以及近乎永久的物联网网络中环境能量收集的先进设备的开发，以促进触觉传感器、人工突触、能量收集器和自供电传感器等物联网应用的进步。最后讨论了需要进一步研究的关键领域，包括理解基本机制、优化系统设计以及解决摩擦电子晶体管和;DEG 在大型物联网网络和自供电传感器中的应用所面临的实际挑战。相关论文以题为“Mutual promotion of triboelectric nanogenerators and field-effect transistors towards the IoT”发表在最新一期《Nature Reviews Electrical Engineering》上。 【概述】 物联网在智慧城市、医疗、农业与家庭中的愿景，受制于数十亿节点持续采集、存储和处理数据的能耗压力。TENG 可将触碰、振动、风或雨滴等普遍机械刺激转为电能，而低功耗 FET 则能减少数据处理能量需求。关键在于：当摩擦电荷直接加至 FET 栅极时，机械位移本身即可调制沟道导电，无需外部栅驱动；另一方面，把 FET 视作电极模板又启发了新型 TENG 几何结构，进一步提高电荷收集效率。两者互补，可同时解决物联网的“供能”与“节能”难题。 作者将两条曾经独立的研究路线——摩擦电纳米发电机（TENG）与场效应晶体管（FET）——定位为可持续、无处不在的物联网（IoT）之互补基元（图1）。作者指出，预计到 2030 年物联网终端将超过 320 亿个，若仍依赖传统电池和电网，耗电的传感器、存储与无线单元将不堪重负。TENG 能把日常机械能量转为电能，而先进 FET 能显著降低运算与存储功耗；当将 TENG 产生的高压耦合到 FET 栅极时，机械事件便可直接调控载流子传输，形成自供能逻辑与感测。反之，以 FET;为灵感的电极布局又催生了能高效收集雨滴能量的“类晶体管”TENG。综述围绕“摩擦电子学晶体管”用于主动机械感知，以及“晶体管式;TENG”用于环境能量采集这两大主题展开。 图;1. 摩擦纳米发电机与场效应晶体管相互促进，共同推进物联网发展 【FET 与 TENG 的集成】 首先是摩擦电子学晶体管基础（图2），摩擦电子学晶体管结合了 TENG 的摩擦层与电极，以及 FET 的源/漏/栅绝缘层与半导体沟道。在最早的接触起电 FET（CEFET）中，Kapton 薄膜周期性接触 Al 栅极；分离后形成表面电荷，产生的摩擦电势;Vtribo作用于栅介质，调控沟道电流 IDS 。Vtribo表面电荷密度、间隙距离及介电常数变化，可用经典 MOSFET 方程描述。设计要素主要分为三大类：（1）TENG 侧：材料——如等离子蚀刻 PTFE 具高负电性；纳米结构增强粗糙度与介电率。工作模式——接触分离模式适合垂直按压；滑动模式支持面内位移但磨损大；单电极模式封装简单但输出较低。（2）FET 侧：半导体——从 Si、IGZO 到柔性有机（P3HT、并五苯）及二维材料（石墨烯、MoS₂、InSe）。高迁移率与低阈值可扩大开关窗口并降低功耗。（3）集成方式：垂直堆叠 电荷耦合最强，但需精密对准；平面并置 制程简单，却引入附加电阻稀释电势。 图;2. 摩擦电子晶体管的基础知识 关于典型物联网器件（图3），则可以分为：触觉传感器：InSe 摩擦电子学晶体管在 0.1 V 漏极偏压下实现 10⁶;的开关比和毫秒级响应，能量仅皮至飞焦耳。阵列已达 10 × 10 像素，向高分辨率电子皮肤迈进。非易失触碰存储器：浮栅俘获摩擦注入电荷，可在无电源下保持 >6 000 s；石墨烯/hBN/MoS₂;堆栈记忆窗口达 60 V。人工突触：控制浮栅电荷衰减模拟短/长时程可塑性，实现约 165 aJ;每脉冲的体内计算。 图;3. 典型的基于摩擦电子晶体管的物联网设备的表示 【用于雨滴能量收集的类晶体管;TENG】 作者从DEG 架构与机理两个方面阐述了用于雨滴能量收集的类晶体管;TENG（图4）。雨滴发电机（DEG）将 TENG 重新构想为三端“液体栅”晶体管：PTFE 介质（栅）覆于 ITO 底电极（源），雨滴展开时在水/介质界面形成电双层；顶部悬浮电极（漏）接触液面完成回路，液滴极化驱动外部负载电流。单滴峰值功率密度达 50.1 W m⁻²。 图;4. 液滴能量发生器的基础知识 设计策略主要分为：介质层：超疏水高负电材料（仿荷叶纹理）增强电荷，植入肖特基二极管可直接输出直流，高压可超;1 kV。顶部电极：最佳垂直间隙约;0 mm，电极应接触最大扩展雨滴的边缘。多层/共面布局：降低寄生电容，便于模块化装配；高熵陶瓷介层将单滴电压推至 525 V。 面向物联网的应用则可以是（1）环境能量收集：DEG 模块可像光伏板一样铺设，但需解决大面积布线、整流损耗与机械耐久。与振动模式 TENG 叠层可提升约 30 % 的能量输出；与太阳电池共享电极能打造“全天候”混合板。（2）自供能传感：雨滴接触产生高信噪尖峰电流，用于微流控或管道流量监测；功能化电极还能检测细菌，最低可至;4.5 × 10³ CFU mL⁻¹。 图;5. 基于液滴能量发生器的典型物联网设备 【展望与结论】 本文主要从基础机制、器件设计、物联网应用进行了分析总结：固-固与液-固接触的原子级电荷转移机理及其与新兴半导体载流子输运的耦合尚待定量化，需要更精细的流体 电荷耦合模型。未来介质层应兼具高介电、高负电性、可拉伸与可回收；半导体需平衡迁移率与机械柔性；电极则要求耐腐蚀、透明且柔软。可用机器学习从原子力显微测得的黏附与摩电系数数据库中筛选最佳组合。摩擦电子学触觉传感仍受大应变线性度及高分辨率扩展限制；DEG 的高压/低流间歇输出给功率管理带来挑战。需材料、电子学和神经形态计算跨学科协作。 总而言之，TENG 与 FET 的互促协同已从实验室巧妙耦合发展为支撑下一代自供能智能物联网硬件的广泛平台。摩擦电子学晶体管可将机械刺激直接转化为计算与存储，而类晶体管 TENG 则把环境运动和降水重新定义为高密度电能来源。若能在界面物理、材料集成与系统工程层面继续突破，这些概念将加速从原型走向未来数万亿物联网边缘节点的实际部署。
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