金属结构超仪

2016年3月29日-31日，由中国有色金属学会和河南科技大学联合主办的第二届全国有色金属结构材料制备/加工及应用技术交流会在河南省洛阳市隆重举行。作为德国飞驰（FRITSCH）在河南的合作伙伴，河南赛恩斯与飞驰携手亮相此次交流会，为参会人员带来了纳米级研磨、粉碎以及粒度分析的最新解决方案。FRITSCH Milling and Sizing. ONE STEP AHEAD.

近年来，微米尺度金属增材制造技术得到了快速的发展，并广泛应用于光学、微机器人、微电子学等领域。目前，微米尺度3D金属结构可以采用聚焦电子/离子束诱导沉积、激光感应光致还原等3D打印技术直接制备而成，或者采用双光子聚合3D打印技术结合电镀技术多步制备而成。其中，基于金属离子局部电化学还原反应的电化学沉积技术被认为具有极大的优势：该技术无需进行任何后处理，而且可制备致密性好、导电、无污染的金属样件。然而，如何在保持打印分辨率的情况下提高打印速率是该技术面临的一个难题。本研究论文是基于中空原子力显微镜(AFM)悬臂梁的金属电化学沉积3D打印系统，在保持电场电势和体素高度不变的情况下，研究了施加压力和喷嘴直径对体素水平尺寸的影响。研究结果发现，在打印过程中保持喷嘴直径不变，针对施加压力的实时调整可以实现体素面积两个数量级的跨越，并且通过改变施加压力，使用孔径为500nm的喷嘴成功制备了四根线径不同的铜线圈。基于以上研究，该技术通过精确调整体素尺寸不仅可以实现同一打印样件从亚微米级到亚毫米级的跨尺度制作，而且还可以显著提高打印速率。该技术使用铜作为金属打印材料，但同样适用于其他电镀金属。 图1. 基于中空AFM悬臂梁金属电化学沉积3D打印系统示意图及打印过程示意图 图2. 使用孔径为500nm的喷嘴打印的四根线径不同的铜线圈的SEM图，其中，a图和b图是同一结构的两种不同视图 原文链接：https://doi.org/10.1002/adem.201900961关于摩方精密重庆摩方精密科技有限公司(BMF，Boston Micro Fabrication)从事微纳3D打印设备的研发、生产及销售，专注于高精密3D打印领域。摩方精密采用面投影微立体光刻（PμSL: Projection Micro Stereolithography）技术，该技术具有成型效率高、加工成本低等突出优势。作为高精密增材制造领域的领军企业，已和众多全球知名企业开展业务合作，包括GE医疗、美国强生、日本电装、安费诺、泰科电子等，产品广泛应用在连接器、精密医疗器械、消费电子、精密加工等行业。摩方精密也与瑞士Exaddon AG公司合作，在中国区进行微纳金属3D打印设备提供服务和推广。基于电化学沉积技术的金属微增材制造技术，Exaddon创新地设计了微纳金属打印系统CERES。CERES可以在室温下以亚微米级分辨率打印复杂的微金属结构，尺寸从1 μm到最大1000 μm(人类的头发一般为80～90μm)，并且无需进行后处理。Exaddon CERES 微纳金属3D打印系统官网：https://www.bmftec.cn/links/10

目前，微米尺度金属结构的增材制造主要采用三种策略：微立体光刻模板的金属化、金属材料的转移-烧结以及原位金属合成。其中，基于金属离子局部电化学还原反应的电化学沉积3D打印技术采用原位金属合成的方式，无需进行任何后处理。该技术使用金属盐溶液作为原料，在打印过程中，金属盐溶液通过打印喷嘴喷射到导电基底上，当溶液接触到基底时，金属离子发生还原反应形成金属沉积层。本研究论文介绍了一种基于力学控制的金属电化学沉积3D打印技术，该技术采用中空原子力显微镜(AFM)悬臂梁在标准三电极电解池中局部喷涂金属离子，从而发生局部电镀反应。中空悬臂梁偏转反馈信号可以实时监测体素的生长，进而实现打印过程的自动化；而且该技术无需进行参数校准，可在导电基底任意位置进行打印。基于以上优势，该技术可自动成型任意形状的3D结构。研究人员利用该技术打印了两个不同比例的大卫雕像铜复制品。虽然铜是最合适的电沉积金属，但该技术同样适用于可宏观电镀的所有金属。 图1. 基于力学控制的电化学沉积3D打印技术制备两个并排支柱的示意图图2. 比例为1:10000和1:70000的大卫雕像复制品的SEM图。a-c：比例为1:10000、高度为700μm的复制品；图a插图、图b插图及d图：比例为1:70000、高度为100μm的复制品

近期，中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所刘锦淮课题组的杨良保研究员等人在阐明单个的各向异性的金微米片上拉曼增强与光催化活性之间关系的研究上取得新进展。相关成果已发表在《欧洲化学》杂志上。该研究对于理解SERS活性纳米结构的增强机制和等离子体有关的催化效应具有重要的意义。 　　各向异性贵金属微纳结构因其独特的尺寸依赖效应和形状依赖效应，成为了越来越多的研究领域的热点，逐渐应用于光学、催化等领域。但是，在如何克服化学效应的贡献并获得分子层面信息的同时，阐明贵金属结构上的拉曼散射和光催化活性之间的关系，仍然是一个巨大挑战。 　　研究人员刘洪林博士等人通过简单的方法合成了纳米厚度的金微米三角片和六角片，并直观地展示了这些结构不同位置上拉曼信号和光催化活性之间关系。通过等离子体光催化敏感分子的结构的变化，利用其SERS信号峰相对强度的变化，成功刻画了金微米片角、边、面上不同位置的光催化活性的可视画面，排除了常规研究中浓度效应和分子覆盖度差异的问题。 　　研究结果表明，金微米片上特定位点分子吸附数目的增加，并不必然导致更高的光催化转化率，而是与其等离子体共振强度、电磁场强度密切相关，这与理论模拟的结果一致。相关研究策略排除或者弱化了等离子体局域热效应，也在一定程度了成功克服了浓度差异效应和化学贡献效应在贵金属等离子体光催化中的作用，清晰的刻画了等离子体共振强度相关的催化特性。 　　该研究工作得到了科技部重大科学研究计划纳米专项项目&ldquo 应用纳米技术去除饮用水中微污染物的基础研究(2011CB933700)&rdquo 以及国家重大科学仪器设备开发专项子任务&ldquo 动态表面增强拉曼光谱技术用于农药残留检测&rdquo 和&ldquo PERS仪器在环境污染物检测领域中的应用&rdquo (2011YQ0301241001 & 2011YQ0301241101)等项目的支持。 　　 合肥研究院阐明各向异性贵金属微纳结构的拉曼增强和光催化活性之间的关系

金属材料的强化是长期以来材料领域的核心研究方向。细晶强化（即Hall-Petch强化，包括晶界强化/孪晶界强化）是目前最常用且有效的强化手段之一，其内在机制是源于晶界/孪晶界对位错运动的阻碍。然而，当晶粒尺寸（d）和孪晶片层厚度（λ）达到某个临界尺寸（10-15nm）时，材料的主导变形机制将转变为晶界运动或退孪生，从而使其表现出Hall-Petch关系失效或软化效应（即材料强度随着d/λ的降低而不再增加甚至降低），成为了材料强度提升的瓶颈问题。　　近期，金属所沈阳材料科学国家研究中心材料动力学研究部段峰辉特别研究助理（第一作者）、李毅研究员、潘杰副研究员和上海交通大学郭强教授合作，首次在高层错能金属Ni中实现了超细纳米孪晶结构的可控构筑，以及纳米孪晶Ni在10nm片层厚度以下持续强化。这一结果突破了人们对纳米晶金属材料在极小结构尺寸下发生软化的现有认知，为发展超高强度/硬度金属材料提供了可行途径。相关研究成果于6月30日发表在Science Advances杂志上。　　纳米孪晶结构普遍存在于低层错能金属材料中，而在高层错能金属Ni（γsf=128mJ/m2）中引入高密度生长孪晶，特别是极小片层厚度的孪晶结构至今鲜有报道。研究人员采用直流电沉积技术，基于高沉积速率和镀层拉应力的协同作用，成功地在金属Ni中获得体积分数达100%的柱状纳米孪晶结构，实现了孪晶片层厚度从2.9 到81.0nm 的可控调节。我们的研究表明，λ图2 纳米孪晶Ni的持续强化行为。纳米孪晶Ni的强度随孪晶片层厚度的变化关系。作为对比，图中不仅包含了文献中不同晶粒尺寸或孪晶片层厚度纯Ni强度值，还包含了纳米孪晶铜的强度随孪晶片层厚度的变化关系。这些强度值都是通过单轴拉伸和压缩实验获得的。可以清楚的看到，在片层厚度小于10-20nm时，纳米孪晶Ni表现出持续强化现象，而纳米孪晶铜表现出软化行为。

有色金属结构材料是材料领域的一个极其重要的组成部分，大力发展有色金属新材料产业，加速有色金属结构材料的研究与开发，对促进国民经济的可持续发展具有极其重要的战略意义。为继续推进我国有色金属材料的学术繁荣、技术创新、产业发展，满足结构材料向高性能化、复合化、结构功能一体化发展的需求，促进有色金属材料各项新技术、新工艺和新产品的研究、开发与应用，加强产、学、研、用深度结合，交流有色金属材料领域近年来具有创新性的科技成果、应用成果；中国有色金属学会、广东省科学院等单位于2017 年3 月29-31日在广东省广州市共同举办“第三届全国有色金属结构材料制备/加工及应用技术交流会”。3月29日弗尔德仪器携旗下4大品牌现身有色金属大会。弗尔德仪器总经理董亮先生在会上首先介绍了Retsch Technology（莱驰科技）的干湿两用多功能粒度粒形分析仪Camsizer X2在金属材料检测领域的应用。Camsizer X2采用动态图像法，可以同时并实时测量大的或小的颗粒并记录所有关于颗粒大小、形状、透明度、球形度等信息，比激光法精度更高，进样量大，能给出量化的结果，检测速度快，是非常好的一种全新的分析方法。CAMSIZER X2的专利测量技术——两个数字采样镜头能够实时记录颗粒的大小和形状，并自动优化，这样可以在600nm至8mm的范围内精确的分析样品，并在整个测量范围内无需人工调节和校正。德国Retsch（莱驰）的高能球磨仪Emax非常适合于纳米研磨及合金制备：2000转/分的高速设计在球磨仪中无可匹敌，相应的研磨罐设计保证了能量有效输出。在冲击力、摩擦力和循环往复运动的协同作用下，超精细研磨时间大大缩短。由于创新高效的水冷系统散热快速，长时间的高速研磨也不用担心样品温度过热。 Carbolite Gero(卡博莱特 盖罗)的HTK金属炉特别适用于金属粉末注射成型（MIM），无碳气氛，烧结，镀金属等等。金属炉可提供精确定义的高纯度气氛环境（6N或更好），可达最高真空度。矩形炉体，前开门设计使加样和取样非常方便。HTK提供6种不同的尺寸供选择。最小体积8L，25L通常用于实验室开发和研究。80L，220L，400L或600L主要用于生产系统试验或大型生产。 除此之外，弗尔德仪器旗下的德国ELTRA（埃尔特）元素分析仪也特别适合这个行业。元素分析仪被用来精确测量给定样品里的元素含量，一般常见于研发及质量控制实验室。金属材料中的C浓度和表面碳含量以及O，H，N的水平是非常重要， ELTRA分析仪以其精确性，稳定性和灵活性而闻名。 弗尔德仪器作为进口研磨仪、粒度仪、马弗炉气氛炉及元素分析仪的厂家，在有色金属材料制备领域有着极大的优势。德国Retsch（莱驰）粉碎、研磨、筛分设备，德国Retsch Technology（莱驰科技）多功能粒度粒形分析仪，Carbolite Gero（卡博莱特 盖罗）烘箱、高温烘箱、箱式马弗炉、灰化炉、管式马弗炉、气氛马弗炉、真空马弗炉、高温马弗炉及工业定制炉，Eltra（埃尔特）碳/氢/氧/氮/硫元素分析仪。弗尔德仪器在有色金属材料制备领域中为您提供完美的全方位解决方案。

5月13日，科学技术部发布国家重点研发计划“先进结构与复合材料”重点专项2021年度项目申报指南。指南中明确：2021年度指南部署坚持问题导向、分步实施、重点突出的原则，围绕高性能高分子材料及其复合材料、高温与特种金属结构材料、轻质高强金属及其复合材料、先进结构陶瓷与陶瓷基复合材料、先进工程结构材料、结构材料制备加工与评价新技术、基于材料基因工程的结构与复合材料7个技术方向。按照“基础前沿技术、共性关键技术、示范应用”三个层面，拟启动37个项目，拟安排国拨经费6.32亿元。其中，拟部署9个青年科学家项目，拟安排国拨经费3600万元，每个项目400万元。1. 高性能高分子材料及其复合材料1.1 高性能全芳香族纤维系列化与规模化制备关键技术（共性关键技术）研究内容：针对航空航天、武器装备等亟需的高强高韧结构材料应用需求，开展高性能全芳香族纤维制备关键技术及其应用研究。揭示大分子刚性链结构、纤维纺丝成型、凝聚态及其性能之间的内在规律，攻克全芳香族纤维制备共性科学问题；研究高强/高模芳纶纤维成型和热处理工艺，突破制备关键制备技术及成套装备；研究高伸长耐高温芳纶III纤维、芳纶纸及其蜂窝应用技术；探讨高性能液晶纺丝聚芳酯聚合物结构设计、固态缩聚反应动力学和纤维冷却成型机理，攻克聚芳酯纤维制备关键技术。1.2 面向高端应用的阻燃高分子材料关键技术开发（共性关键技术）研究内容：面向5G通讯和轨道交通等高端制造业的需求，形成一批具有国际领先水平和自主知识产权的合成树脂材料及应用技术。重点开发PCB的无卤高阻燃、高Tg、低介电性能的环氧树脂；高阻燃耐老化热塑性弹性体TPE和聚脲弹性体无卤阻燃技术及应用；研发本征阻燃高温炭化不熔滴聚酯和低热释放本征阻燃聚碳酸酯合成技术；本征阻燃尼龙66工程化制备及其应用，完成万吨级规模化生产与应用示范。1.3 低成本生物基工程塑料的制备与产业化（共性关键技术）研究内容：面向生物基高分子材料成本高和高性能工程塑料牌号少的问题，集中开发低成本生物基呋喃二甲酸（FDCA）、异山梨糖醇的制备技术；开发1，4-环己烷二甲醇（CHDM）和2,2,4,4-四甲基环丁二醇（CBDO）的国产化制备技术，基于生物基单体和新型单体开发PEF、PCF、PIF和PETG等生物基聚酯以及PIC、PCIC等生物基聚碳酸酯，从单体、聚合物到后端应用全链条研究。精细调控产品结构，研究产品的耐温性能、力学性能、阻隔性能等，开发不低于8种高性能聚酯和聚碳酸酯产品，并在包装领域得到应用。2. 高温与特种金属结构材料2.1 高温合金纯净化与难变形薄壁异形锻件制备技术（共性关键技术）研究内容：针对国产高温合金冶金质量差、材料综合利用率低、力学性能波动大等问题，研究镍基高温合金纯净熔炼、返回料处理和再利用技术，返回料与全新料混合重熔工艺；开发难变形高温合金成分优化及纯净熔炼、铸锭均匀化热处理、合金铸锭均质开坯、棒料细晶锻制、大型薄壁异形环形件整体制备等工艺技术，建立合金工艺与成分、组织和性能的影响关系，实现高温合金棒材和锻件组织均匀性和性能一致性的优化控制，完成合金制备工艺、材料与构件质量评估及在先进能源动力装备的考核验证。2.2 高品质TiAl合金粉末制备及3D打印关键技术（共性关键技术）研究内容：针对电子束3D打印所需的低氧含量球形TiAl合金粉末，研究铝元素挥发、粉末球形度差、空心粉高问题，突破工业化生产球形TiAl合金粉末和工业化TiAl构件增材制造关键技术；开展增材制造TiAl合金的材料—工艺—组织—缺陷—性能一体化系统研究及典型服役性能测试，突破构件增材制造工艺及性能控制关键技术，掌握包括材料、工艺、组织调控、性能特征及典型应用，为新一代航空发动机高温关键构件制造及工业化应用提供技术支撑。2.3 光热发电用耐高温熔盐特种合金研制与应用（示范应用）研究内容：针对太阳能光热发电产业低成本高效发电可持续发展需求，以下一代低成本高效超临界二氧化碳光热发电系统中耐高温氯化物混合熔盐特种金属材料及其制造技术为研究对象，研究耐高温不锈钢、高温合金板材及其焊接界面在高温氯化物、硝酸盐中的腐蚀机理和服役寿命预测技术，研究满足氯化物和硝酸盐熔盐发电系统用的耐高温不锈钢、高温合金板材成分和组织设计及其批量制造技术，开发耐高温熔盐不锈钢、高温合金成型和焊接行为及其先进制备技术，发展高温合金长寿命高吸收率吸热涂层，实现高性能不锈钢、高温合金产品开发及应用示范。2.4 海洋工程及船用高端铜合金材料（共性关键技术）研究内容：针对舰船和海洋装备泵体、管路及阀门等耐蚀性差、服役寿命短、高端材料依靠进口的问题，研究海洋工程及船用新型高性能铜合金材料设计、成分—组织—工艺内禀关系、腐蚀行为及耐蚀机理，开发耐高流速海水冲刷型铜合金承压铸件制备、超大口径耐蚀铜合金管材加工及管附件成形、海洋油气开采用高耐磨高耐蚀铜合金管棒材加工及热处理组织性能调控等高质量低成本工业化制造技术，开展产品应用技术研究，实现高端铜合金典型产品示范应用。3. 轻质高强金属及其复合材料3.1 苛刻环境能源井钻采用高性能钛合金管材研究开发及应用（示范应用）研究内容：针对我国油气、可燃冰等能源钻采高耐蚀和轻量化的紧迫需求，研究苛刻环境下高强韧耐蚀钛合金多相组织强韧化、抗疲劳机理，以及高温、高压、腐蚀、疲劳等服役环境下材料损伤及失效机理；建立服役环境适应性材料设计方法及油气井钻采用钛合金钻杆、油套管服役性能适用性评价方法；开发高性能大规格钛合金无缝管材成套工艺技术及关键应用技术；制定专用标准规范，开展苛刻服役条件下应用研究，实现工业化规模稳定生产，在典型应用场景实现示范应用。3.2 先进铝合金高效加工及高综合性能研究（共性关键技术）研究内容：针对汽车、飞行器以及船舶等提速减重、绿色制造的迫切需求，开展以铸代锻、整体成型、短流程、低排放的高效加工技术研究，研发高综合性能的先进铝合金材料；开展先进铝合金材料综合性能评价及加工技术效能评价，形成铸锻一体成型的新型高综合性能铝合金高效加工技术，将铸造、增材制造等铝合金提升到变形铝合金强度水平。3.3 高性能镁合金大型铸/锻件成形与应用（共性关键技术）研究内容：针对商用车、高速列车、航空航天等领域的轻量化紧迫需求，探索热—力耦合条件下大容积镁合金凝固与形变过程中成分—组织—性能演变规律与调控技术，开发适合于大型铸/锻件的高性能镁合金材料；研究大型镁合金铸/锻件组织均匀化与缺陷调控机理，开发高致密度铸造成形技术、大体积熔体清洁传输及半连续铸造技术、挤锻复合一体成形技术；开展大型承载件的结构设计、产品制造、腐蚀防护及使役性能评价等技术研究，并实现示范验证与规模化应用。3.4 新型结构功能一体化镁合金变形加工材制造技术（共性关键技术）研究内容：针对航空航天、轨道交通、能源采掘、电子通信等重大装备升级换代的紧迫需求，研究新型强化相对镁合金力学性能与功能特性的协同调控机理，发展新型结构功能一体化镁合金材料与新型非对称加工技术，开发大规格高强阻尼镁合金环件、宽幅阻燃镁合金型材、高强可溶镁合金管材、高强电磁屏蔽/高导热镁合金板材的工业化制造成套技术及关键应用技术，并实现典型示范应用。3.5 极端环境特种服役构件用构型化金属基复合材料（示范应用）研究内容：针对航空航天特种服役构件用耐疲劳高强韧铝基复合材料、耐热高强韧钛基复合材料以及岛礁建设与隧道掘进等重大工程用高耐磨钢铁基复合材料，开发铝、钛基复合材料用合金粉末的低成本制备技术，解决传统制粉技术细粉出粉率低、氧含量高等技术难题，实现高端铝、钛合金粉末规模化制备。探索复合材料体系—复合构型设计—复合技术—宏微观性能耦合机制与协同精确控制机理，开发跨尺度分级复合构型的定位控制、界面效应与组织精确调控、性能及质量稳定性控制、大型结构件塑性加工与热处理、低成本批量制备等产业化关键技术，开展特种服役性能评价、全寿命预测评估与应用技术研究，建立相关标准规范，实现其稳定化生产与应用示范。3.6 高端装备用高强轻质、高强高导金属层状复合材料研制及应用（示范应用）研究内容：针对高速列车、先进飞机、防护车辆等高端装备轻量化、高性能化的迫切需求，研究高性能多层铝合金板材、铜包铝合金等层状复合材料界面结构与复合机理，探索应用人工智能、大数据等前沿技术优化界面调控的理论与方法，阐明铝合金复合板材的叠层结构、复合界面、陶瓷颗粒第二相等在高应变速率下抵抗冲击的作用机理；开发防护车辆、特种装备等用抗冲击多层高强铝合金复合板材的工业化制造成套技术及复合板材的性能评价等关键应用技术；开发高速列车、航空航天、电力电器等高端装备用铜包铝合金复合材料短流程高效工业化生产成套技术及多场景应用关键技术，实现在高端装备上的示范应用。4. 先进结构陶瓷与陶瓷基复合材料4.1 高端合金制造及钢铁冶金用关键结构陶瓷材料开发及应用（示范应用）研究内容：面向冶金产业提升的发展需求，研究高端合金制造及钢铁新技术领域用关键结构陶瓷材料组分设计与制备技术，开发高品质高温合金制备用结构陶瓷材料、冶金领域用高效节能硼化锆陶瓷电极、薄带连铸用结构功能一体化陶瓷材料的规模化生产工艺，开展应用评价技术研究，建立规模化生产线，研制关键生产设备，制定制备及检测标准。4.2 低面密度空间轻量化碳化硅光学—结构一体化构件制备（基础前沿技术）研究内容：针对空间遥感光学系统的应用需求，研究低面密度空间轻量化碳化硅光学—结构一体化构件的结构拓扑设计，开展复杂形状碳化硅构件的增材制造等新技术、新工艺研究，开发低面密度复杂形状碳化硅构件的近净尺寸成型与致密化烧结技术，开展低面密度空间轻量化碳化硅光学—结构一体化构件的光学加工与环境模拟试验研究，实现满足空间遥感光学成像要求的低面密度碳化硅光学—结构一体化构件材料制备。4.3 高性能硅氧基纤维及制品的结构设计与产业化关键技术（示范应用）研究内容：针对高效隔热防护服、高强芯片、高保真通讯电缆等对高性能硅氧基纤维及制品的应用需求，研究硅氧前驱体化学组成、结构重组、多级微纳结构演变对纤维成型的影响规律，攻克硅氧基无机制品高温均匀化熔制拉丝关键技术，开发高强玻璃纤维；研究前驱体分子缩聚和纳米/微米多级孔组装结构演变对孔结构形成的影响规律，突破多孔玻璃纤维常温挤出成型技术，开发低介电、低热导、轻质柔性玻璃纤维；研究模拟月球和火星环境的微重力、高真空环境下玄武岩材料熔制技术及深空环境对纤维成型的作用机制，开发高性能连续玄武岩纤维；开展高性能玻璃纤维及复合制品产业化示范，形成千吨级生产线；开发极端环境的模块化连续玄武岩纤维成型装置，实现微重力下自主成纤中试。5. 先进工程结构材料5.1 海洋建筑结构用耐蚀钢及防护技术（共性关键技术）研究内容：针对海洋建筑结构对长寿命钢铁材料的需求，研究高盐雾、高湿热、强辐射等严酷海洋环境下，钢铁结构材料的失效机理与材料设计准则；防腐涂层的成分设计、制备技术、涂装工艺及腐蚀评价；耐蚀钢板/钢筋的成分设计、制备技术、焊接技术及腐蚀评价；复合钢板的制备技术、焊接技术及腐蚀评价；海洋建筑结构用钢的服役评价、设计规范及示范应用。开展免维护海洋结构用低合金耐蚀钢板及复合钢板的成分设计及制备技术研究；开展防腐涂层设计与制备技术、钢板与涂层耦合耐蚀机理研究；研究低成本耐蚀钢筋母材与覆层协同耐蚀机制与制备技术；开展耐蚀钢连接技术研究；建立复杂海洋环境钢材及构件的服役评价及全寿命周期预测方法。6. 结构材料制备加工与评价新技术6.1 金刚石超硬复合材料制品增材制造技术（示范应用）研究内容：围绕深海/深井勘探与页岩气开采、高端芯片制造等国家重大工程对长寿命、高速、高精度超硬材料制品的需求，开展高性能金刚石刀具、磨具和钻具等结构设计和增材制造技术研究，结合新型金刚石超硬复合材料工具宏观外形和微观异质结构的理论设计和数值模拟，重点突破增材制造用含金刚石的球形复合粉体关键制备技术和含超硬颗粒的多材料增材制造关键技术，完成典型工况条件下服役性能的评价。6.2 高强轻质金属结构材料精密注射成形技术（共性关键技术）研究内容：针对5G基站、消费电子、无人机或机器人等领域对高强轻质结构零件的迫切需求，研究粉末冶金高强轻质金属结构材料及其注射成形工艺过程精确控制原理与方法、小型复杂构件精密成形、低残留粘结剂设计及杂质元素控制、强化烧结致密化及合金的强韧化。重点突破粉末冶金高强轻质钢设计及其粉末制备、低成本近球形钛合金微细粉末制备、可烧结高强粉末冶金铝合金及近球形微细粉末制备、组织性能精确调控等关键技术，实现高强轻质金属复杂形状制品的稳定化宏量生产。6.3 大型复杂薄壁高端金属铸件智能液态精密成型技术与应用（共性关键技术）研究内容：面向大涵道比涡扇航空发动机、新能源汽车等对超大型复杂薄壁高端金属铸件的需求，打破传统“经验+试错法”研发模式，探索基于集成计算材料工程、大数据与人工智能相结合的金属铸件智能液态精密成型关键技术。研究超大型复杂薄壁金属铸件凝固过程的组织演变与缺陷形成机理，建立多物理场耦合作用下铸件组织与缺陷的预测模型，发展数据驱动的材料综合性能与铸造工艺多因素智能化寻优方法，形成金属铸件智能液态精密成型数字孪生模型及系统。6.4 复杂工况下冶金领域关键部件表面工程技术与应用（示范应用）研究内容：针对冶金领域高温、重载、高磨损等复杂工况对关键部件表面防护技术的迫切需求，开展复合增强表面工程材料及涂镀层结构的理性设计，开发高效率、高性能激光熔覆、堆焊、冷喷涂、复合镀等技术及多技术结合的复合表面工程技术，攻克复杂工况下冶金领域关键部件表面耐高温、耐磨损、抗疲劳涂镀层制备的关键技术，开展其服役性能评价和寿命预测，并应用于挤压芯棒、结晶器、除鳞辊等典型部件，在大型钢铁冶金企业得到示范应用。7. 基于材料基因工程的结构与复合材料7.1 结构材料多时空大尺寸跨尺度高通量表征技术（基础前沿技术）研究内容：针对高温合金、轻合金和高性能复合材料等的工程化需求，基于先进电子、离子、光子和中子光源，集成多场原位实验与多平台关联分析技术，研发晶粒、组成相、相界面、化学元素、晶体缺陷与织构的多时空跨尺度高通量表征、智能分析与快速评价技术，研发大尺寸多尺度组织结构和宏微观力学性能高通量表征技术与试验装备，实现典型工程化结构材料制备、加工和服役过程中内部组织结构的动态演化和交互作用规律的高效研究，建立材料成分—组织—性能的多尺度统计映射关系与定量模型，在典型结构材料的改性、工艺优化和服役评价等方面得到实际应用。7.2 金属结构材料服役行为智能化高效评价技术与应用（共性关键技术）研究内容：针对金属结构材料腐蚀、疲劳、蠕变等服役性能评价耗时长、成本高的问题，通过多物理场耦合、宏微观跨尺度损伤建模，融合智能传感、信号处理、机器学习等现代技术，研发材料服役性能物理实验与模拟仿真实时交互和数字孪生的智能化高效评价技术和装置；研究金属结构材料数据虚实映射与数据交互规则，建立数据关联平台，加速材料服役性能数据的积累，形成关键金属结构材料安全评价数据系统；集成结构模型与损伤模型，发展基于大数据技术的金属结构材料服役安全评价和寿命预测的新技术和新方法，并获得实际应用。7.3 基于材料基因工程的新型高温涂层优化设计研发（共性关键技术）研究内容：针对海上动力装备用热端部件及其海洋腐蚀环境，发展高温涂层的高通量制备技术，开展新型高性能高温涂层成分和组织结构的高通量实验筛选和优化研究；研发涂层—基体界面结构和性能多尺度高效模拟设计和预测技术，研发涂层高温力学性能、界面强度、残余应力和高温腐蚀性能等的高通量实验技术，开展涂层与界面性能和工艺优化研究；综合利用材料基因工程关键技术，研发出具有重要工程应用前景的新型超高温、耐腐蚀涂层。7.4 高强韧金属基复合材料高通量近净形制备与应用（共性关键技术）研究内容：针对航空航天领域高强韧金属基复合材料应用需求，围绕非连续增强金属基复合材料强韧性失配及复杂构件成形加工周期长、成本高、材料利用率低的突出问题，结合利用材料基因工程思想和近净形制备技术原理，研发铝基、钛基复合材料高通量近净形制备技术及其高通量表征技术；测试和采集基体/增强相界面物理化学数据，建立基体/增强相界面热力学和动力学物性数据库；研究铝基、钛基复合材料成分—构型—工艺—界面—性能交互关联集成计算技术，实现材料体系与构型及其近净形制备工艺方案与参数的高效同步优化，并在航空航天等领域得到工程示范应用。7.5 先进制造流程生产汽车用钢集成设计与工程应用（示范应用）研究内容：鉴于钢铁工业绿色制造、生态发展对先进制造流程生产高端钢铁材料的迫切需求，基于材料基因工程的思想，针对近终形流程生产汽车用钢，采用多场耦合和跨尺度计算技术，集成材料开发与产品应用的跨尺度计算模型，构建一体化集成计算平台，建立材料基础数据和工艺、产品数据库，开发基于数据挖掘和强化机制的组织性能定量关系模型，实现产品成分—工艺—组织—性能的精准预报；开展在近终形流程生产汽车用钢的示范应用，研制出代表性产品并实现工程应用。7.6 增材制造用高性能高温合金集成设计与制备（共性关键技术）研究内容：针对航空发动机、高超声速飞行器、重载火箭等国家大型工程所需高温合金精密构件服役特点和增材制造物理冶金特点，应用材料基因工程理念，发展多层次跨尺度计算方法和材料大数据技术，形成增材制造用高性能高温合金的高效计算设计方法、增材制造全流程模拟仿真技术与机器学习技术，结合高通量制备技术和快速表征技术，建立增材制造用高性能高温合金的材料基因工程专用数据库；发展适合高温合金增材制造工艺特性的机器学习、数据挖掘、可视化模拟等技术，开展增材制造用高温合金高效设计与全流程工艺优化的研究工作，实现先进高温合金高端精密构件的组织与尺寸精密化控制，并在航空航天等领域得到工程示范应用。7.7 极端服役条件用轻质耐高温部件高通量评价与优化设计（共性关键技术）研究内容：发展基于大数据分析和数据挖掘的高温钛合金、钛铝金属间化合物等轻质耐高温部件组织结构与疲劳、蠕变等关键性能的定量预测模型；研制实时瞬态衍射、原位成像表征装置，发展三维无损检测高效分析技术；研究高温腐蚀环境下组织结构演化和性能退化机理、高温和循环载荷等多因素耦合作用下的损伤累积及高通量评价与寿命预测技术；基于极端环境服役性能需求，利用机器学习和数据挖掘技术，实现轻质耐高温材料的成分、组织、制备工艺、服役性能的高效优化，并在航空、航天、核能等领域实现在极端服役条件下工程示范应用。8. 青年科学家项目8.1 车载复合材料LNG高压气瓶制造基础及应用技术研究内容：针对车载复合材料液化天然气（liquefiednaturalgas，LNG）高压气瓶的制造与应用，研究LNG介质相容的树脂基复合材料体系设计与制备；耐极端环境复合材料LNG气瓶结构设计技术；复合材料LNG高压气瓶抗渗漏、抗漏热和抗振动技术；复合材料LNG高压气瓶制造技术；复合材料LNG高压气瓶的性能评价技术。8.2 新一代结构功能一体化泡沫的制备和应用研究内容：面向结构功能一体化泡沫技术迭代的迫切需求，开发具备负泊松比和高耐火保温等功能的泡沫，主要针对新型多级结构负泊松比结构泡沫材料、耐高温聚酰亚胺泡沫和高温可发泡防火材料等开展攻关，并开展其复合材料研究，在结构支撑、保温隔热等领域得到应用。8.3 单晶高温合金先进定向凝固技术及其精确模拟研究内容：针对当前航空发动机单晶涡轮叶片生产合格率低、冶金缺陷频发的现状，开展单晶高温合金及叶片高温度梯度液态金属冷却（LMC）定向凝固技术研究，突破LMC技术中动态隔热层配置、晶体取向控制、模壳制备、低熔点金属污染控制等关键技术，实现LMC技术的多场耦合、多尺度精确模拟，研究复杂结构单晶叶片在高梯度定向凝固中的缺陷形成、演化机理，发展缺陷控制技术。8.4 海洋油气钻采关键部件用高强高韧合金研究内容：针对海洋油气随钻测量和定向钻井、海底井口设备关键部件主要依靠进口问题，开展时效硬化型高强韧镍基、铁镍基耐蚀合金设计、高纯净低偏析冶金、强韧化机理、应力腐蚀疲劳失效寿命评估理论与方法等基础共性技术和产业化关键技术研究，实现高强韧、大规格、高均质耐蚀合金和超高强度高耐蚀合金稳定批量生产和工程化应用。8.5 基于增材制造技术的超轻型碳化硅复合材料光学部件制造研究内容：面向空间光学系统轻量化的发展需求，研究新型超轻型碳化硅复合材料光学部件预制体增材制造用粉体原料的设计与高通量制备技术；开发基于增材制造技术的碳化硅复合材料光学部件基体成型与致密化技术；开发基于增材制造技术的碳化硅复合材料光学部件表面致密层制备技术；开展超轻型碳化硅复合材料光学部件的加工验证研究。8.6 基于激光技术的材料服役行为多维度检测技术和装备研究内容：针对核电、海工等领域极端条件下结构材料服役性能远程在线、多维度、智能化检测的发展需求，开展基于激光技术的光谱、表面声波、超声或多种方法融合的材料组分、结构特性、力学性能、缺陷特征检测新原理和新方法研究，发展极端条件下结构材料服役行为的实时、原位、无损监检测技术，研制与材料基因工程大数据、人工智能分析算法和机器人技术深度融合的材料多维、多尺度在线监检测原型装置，实现多场耦合极端环境下材料多层次、多维度服役性能原位无损在线测量及示范应用。8.7 超高刚度镁基复合材料的集成计算设计与制备研究内容：以航空、航天或高铁领域为应用场景，针对超高刚度镁基复合材料特点，发展高刚度镁合金集成材料计算软件和镁基复合材料高通量实验技术，开展基于弹性变形抗力提升的镁合金基体成分设计和增强体种类、尺寸和分布形态对镁合金刚度和强韧性影响规律的研究工作，研发多尺度增强体复合构型强化的镁合金材料高效制备与组织调控技术，建立高刚度镁基复合材料及其典型构件的全流程制备技术，并实现在重大工程中的应用验证。8.8 增材制造先进金属材料的实时表征技术及应用研究内容：研发基于同步辐射光源的原位表征技术与装备，动态捕捉增材制造过程中高温下微秒级时间尺度和微米级局域空间内的相变和开裂；通过高通量的样品设计和多参量综合表征手段，揭示动态非平衡制备过程中材料组织结构的演化和交互作用规律。面向典型高性能结构材料，揭示增材制造快速熔化凝固超常冶金过程对稳定相、材料组织结构和最终性能产生影响的因素，快速建立材料成分—工艺—结构—性能间量化关系数据库；结合材料信息学方法，发展增材制造工艺和材料性能高效优化软件，在典型增材制造材料的设计与优化中得到应用。8.9 新一代抗低温耐腐蚀高强韧贝氏体轨道钢研究内容：针对低温下贝氏体钢中亚稳残余奥氏体易转变为脆性马氏体，增加贝氏体钢轨道安全服役隐患的问题，研究腐蚀、低温环境下贝氏体轨道钢（含钢轨和辙叉）的失效破坏机制，建立贝氏体轨道钢“夹杂物特性—组织结构—常规性能—服役条件—失效方式及寿命评估”数据库，开发适用于腐蚀、低温环境的新一代高强韧性、长寿命贝氏体轨道钢及其冶金全流程制造关键技术。近期会议推荐：【复合材料性能表征与评价网络研讨会】该网络会议对听众免费，会议日程及报名二维码如下：

拉伸性能与疲劳性能是金属材料工程应用的关键指标，建立二者之间定量关系，实现金属材料不同力学性能之间关系的定量预测是金属结构材料领域重要研究目标之一。由于目前相关理论不够完善，基于微观变形与损伤机制的拉伸性能与疲劳性能定量预测模型并未建立起来。因此，虽有大量实验数据表明金属材料拉伸强度与塑性之间存在明确的倒置关系，拉伸强度与疲劳强度之间存在特定的关系，但至今仍缺乏定量模型来描述上述定量关系。因此，建立金属材料拉伸性能与疲劳性能定量预测具有重要科学意义。金属研究所张哲峰团队长期坚持材料疲劳与断裂基础理论研究，团队成员张振军项目研究员前期在缺陷与金属材料加工硬化关系方面进行了系统性研究，包括四类典型缺陷：1）零维缺陷：发现过饱和空位可提升合金的加工硬化能力；2）一维缺陷：在位错主导塑性形变的合金中实现了加工硬化能力回升；3）二维缺陷：在FeMnCAl系TWIP钢中实现随孪晶密度增加应变速率敏感性由负到正的转变；4）三维缺陷：在TWIP钢等强加工硬化材料中建立了微孔致颈缩判据。近来，在加工硬化微观机制研究基础上，张振军项目研究员提出了新的位错湮灭模型，并通过考虑初始组织状态与合金成分对加工硬化的影响，建立了单相金属材料普适性硬化模型-指数硬化（ESH：Exponential Strain-Hardening）模型，并据此首次推导出单相金属材料拉伸应力(σ)-应变(ε)定量关系：其中硬化指数n为位错湮灭距离(ye)的表达式反映合金成分的影响。η为初始缺陷对屈服强度(σy)非位错性贡献的比例，反映微观组织的影响；ΘⅡ为第二阶段硬化率，对同一金属合金体系为常数。该ESH模型得到了6种合金成分、100余种不同微观组织状态单相铜铝合金的实验验证，如图1所示。该ESH模型阐明了单相金属材料形变过程中一些重要规律：1）用一个参数(n)统一了五阶段加工硬化规律；2）揭示了极限强度、临界强度、真抗拉强度与成分及变形机制之间关系；3）首次推导出"屈服强度-抗拉强度-均匀延伸率"之间定量关系（公式(2-4)，图2a-2c）；4）定量揭示了拉伸强度-塑性同步提升的两个基本原则，即成分优化（提升位错滑移平面性）与组织优化（降低初始高能缺陷），在铜合金、镍基合金、TWIP钢、高氮钢、316L不锈钢等单相合金中均得到了系统性实验验证；5）实现了单相铜铝合金拉伸强度、塑性及拉伸应力-应变曲线的定量预测，如图2d-2f所示：　上述研究成果最近以2篇论文连载方式发表在Acta Mater 231 (2022) 117866和231 (2022) 117877上。基于该ESH模型，博士生曲展在张振军项目研究员的指导下，进一步揭示了三类变形铝合金（2xxx、6xxx、7xxx）拉伸强度和塑性随时效时间变化的共性转变规律与机制，建立了三类铝合金加工硬化指数与时效过程中析出相性质及几何特征之间的定量关系，提出了变形铝合金时效过程对加工硬化能力提升的析出相控制原理（J Mater Sci Technol 122 (2022) 54-67）。为了建立金属结构材料拉伸性能与疲劳性能之间定量关系，该团队成员刘睿博士在对铜铝单相合金拉伸性能与高周疲劳强度系统性研究的基础上，从疲劳损伤过程弹性变形与应变局部化两方面入手，通过引入合金成分、微观组织与宏观缺陷参数，建立了金属结构材料高周疲劳强度预测模型：其中参数C代表合金成分（或弹性模量）对疲劳强度的影响，强度σy和σb为微观组织对疲劳强度的影响，参数ω反映了宏观缺陷对疲劳强度的影响，如图3(a)所示；该高周疲劳强度预测模型得到了钢铁材料、铝合金、铜合金、钛合金、镁合金等20余种典型工程结构材料系统性疲劳实验验证，如图3(b)所示。该研究成果也以2篇论文连载方式发表在J Mater Sci Technol 70 (2021) 233-249和70 (2021) 250-267上。在疲劳裂纹扩展预测模型方面，最近李鹤飞博士在团队成员张鹏研究员的指导下，针对高强钢强度-韧性匹配关系，通过断裂力学理论分析，建立了以静态力学性能预测其疲劳裂纹扩展速率模型：其中σb为拉伸强度，KIC为断裂韧性，E为弹性模量，R为应力比，α为扩展速率常数。同时，为了指导关键构件材料强度-韧性优化提高疲劳裂纹扩展阻力，建立了高强度金属材料等效疲劳裂纹扩展速率模型（如图4(a)所示）。通过选择高强度金属材料强度-韧性之间匹配关系，可快速预测和降低其疲劳裂纹扩展寿命（如图4(b)所示），进而可以指导关键构件材料抗疲劳损伤容限设计。上述关于疲劳裂纹扩展速率预测模型在多种高强铝合金、钛合金及高强钢材料中得到了验证。该研究成果发表在J Mater Sci Technol 100 (2022) 46-50上。将上述金属材料拉伸性能和疲劳性能定量预测模型联合起来，可以实现通过测试金属结构材料少数组织状态的拉伸性能快速预测和优化其疲劳性能的功能，为金属结构材料疲劳性能预测与优化软件研发奠定理论基础，也为金属结构材料及工程构件抗疲劳设计与制造提供理论支撑。上述研究工作得到了国家自然科学基金重大项目（51790482）、重点项目（51331007、52130002）、面上项目（51771208、51871223）项目、中国科学院王宽诚率先人才计划"卢嘉锡国际合作团队"（GJTD-2020-09）、"青年促进会"项目（2018182、2021192）及辽宁省"兴辽计划"创新团队项目（XLYC1808027）的资助。相关成果列表及链接：1. Zhang ZJ*, Qu Z, Xu L, Liu R, Zhang P, Zhang ZF*, Langdon TG. A general physics-based hardening law for single phase metals. Acta Mater 231 (2022) 117877https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422002531#sec00202. Zhang ZJ*, Qu Z, Xu L, Liu R, Zhang P, Zhang ZF*, Langdon TG. Relationship between strength and uniform elongation of metals based on an exponential hardening law. Acta Mater 231 (2022) 117866.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964542200252X3. Qu Z, Zhang ZJ*, Yan JX, Gong BS, Lu SL, Zhang ZF*, Langdon TG. Examining the effect of the aging state on strength and plasticity of wrought aluminum alloys. J Mater Sci Technol 122 (2022) 54-67.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030222001967?via%3Dihub4. Liu R, Zhang P*, Zhang ZJ, Wang B, Zhang ZF*. A practical model for efficient anti-fatigue design and selection of metallic materials: I. Model building and fatigue strength prediction. J Mater Sci Technol 70 (2021) 233-249.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030220307441?via%3Dihub5. Liu R, Zhang P*, Zhang ZJ, Wang B, Zhang ZF*. A practical model for efficient anti-fatigue design and selection of metallic materials: II. Parameter analysis and fatigue strength improvement. J Mater Sci Technol 70 (2021) 250-267.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S100503022030743X?via%3Dihub6. Li HF, Zhang P*, Wang B, Zhang ZF*. Predictive fatigue crack growth law of high-strength steels. J Mater Sci Technol 100 (2022) 46-50.https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030221005053?via%3Dihub7. 张振军、张哲峰、张鹏、王强；一种金属材料拉伸性能的预测方法, 2021-7-6, ZL201711234799.0，发明。已授权8. 张哲峰、刘睿、张鹏、张振军、田艳中、王斌、庞建超；一种金属材料疲劳强度的预测方法，2021-8-10，ZL201711235841.0，发明。已授权9. 张鹏、李鹤飞、段启强、张哲峰；一种预测高强钢疲劳裂纹扩展性能的方法，2021-3-26，ZL201910030260.6，发明。已授权图1 ESH模型的建立与实验验证：(a-b) 模型推导过程；(c-d) 强度与塑性验证图2 ESH模型的应用：(a)建立"屈服强度-抗拉强度-均匀延伸率"之间定量关系；(b)实现拉伸性能及拉伸应力-应变曲线定量预测图3 高周疲劳强度预测模型的建立与验证：(a) 模型建立过程；(b,c) 系统性实验验证图4 (a)等疲劳裂纹扩展速率模型图 (b)工程材料强度-韧性与疲劳裂纹扩展速率关系

近日，科技部发布“十四五”国家重点研发计划“先进结构与复合材料”重点专项2022年度项目申报指南（征求意见稿），向社会征求意见和建议。根据征求意见稿，本专项2022年度拟支持项目及“揭榜挂帅”榜单如下：1. 高性能高分子材料及其复合材料1.1 大丝束碳纤维及复合材料低成本高效制备技术（典型应用示范）1.2 特种工程塑料薄膜制备技术开发与产业化（共性关键技术）1.3 耐苛刻使役环境合成橡胶制备技术及其产业化（共性关键技术）1.4 生物基弹性体的制备与规模化应用（典型应用示范）1.5 聚乳酸的规模化制备技术及关键单体丙交酯的一步法产业示范（典型应用示范）2. 高温与特种金属结构材料2.1 铸造高温合金返回料再利用技术与应用（共性关键技术） 2.2 高温合金大铸锭低偏析熔铸及大型构件整体制备技术（典型应用示范）2.3 强疲劳载荷环境用超高强度钢（共性关键技术）2.4 超低温工程装备用高强高韧特种合金研制及应用（典型应用示范）2.5 耐超高温抗蠕变难熔金属材料及复杂构件制备技术（共性关键技术）2.6 特种合金环形锻件控形控性一体化技术与应用示范（典型应用示范，江苏部省联动任务）3. 轻质高强金属及其复合材料3.1 钛合金返回料利用及高效短流程制备关键技术（共性关键技术）3.2 空间装备用新型超高强韧及耐损伤铝合金（共性关键技术）3.3 青海盐湖新型镁基材料及前端制造技术（共性关键技术，定向择优项目）3.4 大尺寸高模量及超高模量铝基复合材料（共性关键技术）3.5 抗辐射、耐腐蚀的金属结构复合材料研制及应用（典型应用示范）4. 先进结构陶瓷与复合材料4.1 大尺寸透明陶瓷部件制备关键技术与应用示范（典型应用示范）4.2 高安全性耐中子辐照陶瓷基复合材料构件研制（共性关键技术）4.3 超高尺寸稳定性蜂窝结构C/C复合材料构件设计与制备关键技术（共性关键技术）4.4 高耐压陶瓷部件制备关键技术与应用（共性关键技术）4.5 基于3D打印技术的精密陶瓷部件研制（典型应用示范）5. 先进工程结构材料5.1 高原复杂环境高性能桥梁钢板制造关键技术及应用（典型应用示范）5.2 海洋工程用热塑性复合材料筋材及其应用技术研究（典型应用示范）5.3 特深井科学钻探机具关键复合材料及应用技术研究（共性关键技术）5.4 超大跨缆索承重桥梁用关键材料研发与示范应用（典型应用示范）6. 结构材料制备加工与评价新技术6.1 大型复杂薄壁高端金属构件智能液态精密铸造成型技术与应用（共性关键技术）6.2 关键金属构件智能锻造成形技术开发及应用（共性关键技术）6.3 高性能轻合金大型复杂构件成形技术（共性关键技术）6.4 高效承载-热控一体化金属构件增材制造技术(共性关键技术)6.5 极端工况下金属结构件及关键部件表面涂层技术（共性关键技术）6.6 增材制造过程及极端服役环境下金属构件的多尺度实时表征与评价（共性关键技术）6.7 先进能源结构性能劣化多维原位表征与评价技术及工程应用（典型应用示范）7. 基于材料基因工程的结构与复合材料7.1 关键结构材料集成计算设计方法与应用（共性关键技术）7.2 高强韧轻金属基复合材料近净形高效制备与应用 （共性关键技术）7.3 基于数据技术的新型高强韧高耐蚀钢研发(共性关键技术)7.4 先进能源反应堆堆芯关键材料快速设计与评价技术（共性关键技术）7.5 陶瓷基复合材料的界面相高通量研究及示范应用（典型应用示范）7.6 基于智能化设计与制备的树脂基复合材料研发（共性关键技术）8. 青年科学家项目8.1 高性能芳杂环聚合物结构设计与纤维成型新方法8.2 高耐磨聚四氟乙烯专用料及其在轴承领域应用8.3 第三代镍基单晶高温合金高纯净度、高晶界缺陷容限制备技术8.4 抗疲劳高止裂非均质组织风电用钢研究8.5 紧固件丝材用 1500 兆帕级超高强高韧钛合金研制8.6 高性能金属增强镁基复合材料及制备加工技术8.7 新一代先进能源系统用碳化硅堆芯构件8.8 空间应用领域新型高熵陶瓷涂层材料与部件8.9 高原复杂环境低热水泥混凝土性能劣化机理与耐久性评价技术8.10 细径硬质合金棒材形性精确控制近终形制备技术8.11 数据驱动的高强韧金属基复合材料集成设计8.12 超高强钢服役过程跨尺度计算和高通量评价技术9. 揭榜挂帅项目9.1 超高韧碳纤维复合材料及应用（典型应用示范）9.2 主承力复合材料构件高效自动化液体成型技术研究（典型应用示范）附件：“十四五”国家重点研发计划“先进结构与复合材料”重点专项2022年度项目申报指南(征求意见稿）.pdf

NANA纳纳 微纳金属3D打印设备 NANA G100A微纳世界，打印未来科研神器人人买得起的硬科学前沿仪器本设备基于微纳增材原理进行三维复杂金属结构加工制造。通过对亚微米直径的玻璃微针中电解液的微流体控制，在指定范围内形成2um-50um尺寸的金属结构。通过高精度电学检测设备，监控加工进程，调整电化学反应的电压和亚微米级步进电机移动平台的移动速度，以此形成复杂, 均匀的三维金属结构。通过侧面的可旋转长焦数码显微镜，还可以实时确认加工进程，测量加工物尺寸，定位加工位置。技术优势：填补30μm以下三维金属复杂结构制造的行业空白精度高、难度低、速度快、成本低 打破现有瓶颈：金属加工精度可达纳米级，已可实现制造尺寸：500 nm 无应力加工：空气中直接打印成形 精确成型技术：原位样品修补、精确蚀刻 样品性能无要求：环境要求低，对样品的抗腐蚀性无要求 复杂金属结构：复杂三维微纳金属结构制造 溶液分配 高密度阵列 平面打印-浓度环状 长跨度引线螺旋结构 导体表面蚀刻 直线（超大长径比）材料参数： 应用领域： 综合科研应用 亚微米级三维电池集流体 超级电容器 5G技术 Wire bonding（打线） 芯片探针卡 神经细胞探针 精密医疗器械 AFM探针多种合作方式：租赁，分期，代理等，详情请通过平台联系电洽或面议。创新点：填补国内外在纳米精密制造尺度方面的空白 精度高、难度低、速度快、成本低 打破现有瓶颈： 纳米级金属加工精度可达， 最小制造尺寸：500 nm 无应力加工： 空气中直接打印成形 精准成型技术 ： 原位样品修补、精准蚀刻、溶液分配 样品性能无要求 ： 环境要求低，对样品的抗腐蚀性无要求 复杂金属结构 ： 复杂三维微纳金属结构制造 NANA 纳纳 微纳金属3D打印设备 NANA G100A

NANA纳纳 微纳金属3D打印设备 NANA P010A微纳世界，打印未来科研神器人人买得起的硬科学前沿仪器本设备基于微纳增材原理进行三维复杂金属结构加工制造。通过对亚微米直径的玻璃微针中电解液的微流体控制，确保电沉积只发生指定范围内，形成1um-30um尺寸的金属结构。通过高精度电学检测设备，监控加工进程，调整电化学反应的电压和亚微米级步进电机移动平台的移动速度，以此形成复杂, 均匀的三维金属结构。通过侧面的可旋转长焦数码显微镜，还可以实时确认加工进程，测量加工物尺寸，定位加工位置。技术优势：填补国内外在纳米精密制造尺度方面的空白精度高、难度低、速度快、成本低 打破现有瓶颈：金属加工精度可达纳米级，已可实现制造尺寸：500 nm 无应力加工：空气中直接打印成形 精确成型技术：原位样品修补、精确蚀刻 样品性能无要求：环境要求低，对样品的抗腐蚀性无要求 复杂金属结构：复杂三维微纳金属结构制造 溶液分配 高密度阵列 平面打印-浓度环状 长跨度引线 螺旋结构 导体表面蚀刻 直线（超大长径比） 应用领域： 综合科研应用 亚微米级三维电池集流体 超级电容器 5G技术 Wire bonding（打线） 芯片探针卡 神经细胞探针 精密医疗器械 AFM探针多种合作方式：租赁，分期，代理等，详情请通过平台联系电洽或面议。创新点：填补国内外在纳米精密制造尺度方面的空白 具有精度高、难度低、速度快、成本低的特点 主要创新—— 打破现有瓶颈： 纳米级金属加工精度可达， 最小制造尺寸：500 nm 无应力加工： 空气中直接打印成形 精准成型技术 ： 原位样品修补、精准蚀刻、溶液分配 样品性能无要求 ： 环境要求低，对样品的抗腐蚀性无要求 复杂金属结构 ： 复杂三维微纳金属结构制造 NANA纳纳 微纳金属3D打印设备 NANA P010A

近日，河北工业大学原子尺度研究团队在国际顶级学术期刊Science Advances上发表了题为“Enhancing strength and ductility via crystalline-amorphousnanoarchitectures in TiZr-based alloys”的研究论文，揭示了纳米尺度晶体-非晶三维双联续结构有助于改善材料强度和塑性的固有矛盾，实现材料强度和塑性的同时提升。论文发表页面展示强度和塑性是金属结构材料的两个重要力学性能。但是，强度的提高往往伴随着其塑性的降低，即强度和塑性呈倒置关系。例如，细晶强化和第二相强化会降低应变硬化能力，从而降低塑性。金属非晶材料（又称金属玻璃）通常要比对应的晶体材料具有更高的强度，但是其在本研究提出的通过三维双连续纳米双相结构设计来制备高强韧复合材料的新策略，可以广泛应用于钛合金、铝合金、超级钢等金属结构设计制备。文章链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abm2884?af="R作者简介郑士建，河北工业大学教授，博士生导师，2014年入选中科院“百人计划”，2016年入选国家“海外高层次人才引进计划”青年项目。长期致力于金属结构材料与能源材料的原子尺度研究，研究成果揭示了高温、高应力、强辐照等极端使役环境下原子尺度界面结构对高温合金、钛合金、层状金属材料力学性能、抗核辐照损伤性能的影响规律，以及能源电池材料服役过程中原子尺度衰变机制。在Nature Communications、Advanced Materials、Acta Materialia、Scripta Materialia 等高水平期刊发表SCI论文130余篇，引用近5000次，并受邀在（国际塑性、损伤与断裂会议等）高水平国际会议上做邀请报告，主持或参与国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目11项。获河北省政府特殊津贴（2019）、天津市创新类领军人才（2019）等荣誉，并任中国电子显微镜学会（2016-至今）等学会理事。明开胜，副教授，博士生导师，河北工业大学“元光学者”启航A岗，于2020年1月毕业于北京航空航天大学，并于同年4月加入河北工业大学。于2017.09-2019.09在美国内布拉斯加大学林肯分校公派留学。于2021年任Coatings 期刊客座编辑。研究方向为新型高强韧金属材料（包括高熵合金、晶体-非晶纳米复合材料）设计、强韧化机理以及多尺度形变机制。先后主持国家自然科学基金青年项目、河北省高层次留学人才回国资助项目、河北省自然科学基金青年项目等；以第一作者或者通讯作者在Science Advances、Acta Materialia、International Journal of Plasticity、Scripta Materialia 等高水平期刊发表论文15篇，其中2篇入选ESI高被引论文。获得荣誉包括北京航空航天大学优秀毕业生、北京航空航天大学优秀博士论文、博士研究生国家奖学金、宝钢优秀学生奖、河北工业大学材料科学与工程学院“突出贡献奖”等。

红外热成像技术通过探测物体自身所发出来的远场红外辐射从而感知表面温度，在军事、民航、安防监控及工业制造等重要领域有着广泛应用。但由于光学衍射极限的限制，红外热成像的分辨率通常在微米尺度及以上，因此无法用于观测纳米尺度的物体。近几年，我们开发了红外被动近场显微成像技术，通过探测物体表面的近场辐射从而极大地突破红外衍射极限限制，将红外温度探测及成像从传统的微米尺度拓展到了纳米尺度。本文将介绍红外被动近场显微成像技术的基本原理，以及基于此可实现的物体表面近场辐射探测与红外超分辨温度成像研究。近场辐射我们首先从黑体辐射的本源入手。如图1（a）所示，绝大多数物体内部都包含大量带正电荷和负电荷的粒子，这些带电粒子永远不会静止不动，而是一直处于随机扰动状态（热运动）。我们所熟知的热辐射就源自物体内部的这种带电粒子热运动，辐射特征可由普朗克黑体辐射定律描述。但鲜为人知的是，物体内的电荷扰动不仅在距离物体辐射波长尺度以外的区域产生红外热辐射（远场辐射），而且在物体近表面处会生成一种能量密度极高的表面扰动电磁波（以倏逝波形式存在），可称之近场辐射。理论很早就预言了这种表面电磁波（近场辐射）的存在，并发现针对远场辐射所建立的认知及规律（如普朗克辐射定律等）将不再适用于近场辐射，但相关实验研究由于探测难度极高而一直未有明显突破。2009年，美国麻省理工学院和法国CNRS的研究组取得重要进展，先后在实验上验证了纳米尺度下近场辐射热传输效率可远超黑体辐射极限。尽管该实验验证了物体表面近场倏逝波的存在，但相关物理现象仍然缺少更直接的实验手段对其进行更进一步的研究。图1 物体表面存在的近场辐射及其探测方式 （a）物体表面存在的远场辐射及近场辐射；探针调制技术：（b）当探针远离样品时不会散射物体表面的近场倏逝波、（c）当探针靠近物体近表面时可以散射近场倏逝波；（d）红外被动近场显微镜（SNoiM）的示意图红外被动近场显微镜（SNoiM）的实验原理及其应用SNoiM技术的实验原理物体表面的近场辐射由于其倏逝波特性（即强度随着远离物体表面急剧衰退）而难以探测。在SNoiM中，利用扫描探针技术有效地解决了这一问题。如图1（b）所示，当不引入纳米探针（或探针远离物体表面）时，物体近表面的近场倏逝波无法被探测，该显微镜工作于传统红外热成像模式，即仅获得其远场辐射信号。SNoiM技术的关键是，将探针靠近样品近表面（比如10 nm以内），近场倏逝波可以被针尖有效散射出来。该探测模式下，探测器所获取的样品信号中同时存在近场和远场分量。因此，通过控制探针至物体表面的间距，即可获得近场、远场混合信号（ 100 nm或撤去探针，称为远场模式）。最终，利用探针高度调制及解调技术即可从远场背景中提取物体的近场信息。图1（d）展示了SNoiM系统探测近场信号的示意图。探针所散射的近场信号首先由一个高数值孔径的红外物镜进行收集。但在该过程中，无法消除来自环境、被测物体及仪器自身的远场辐射信号，它们随近场信号一同被红外物镜收集，导致被测物体微弱的近场信号湮没于巨大的远场背景辐射之中。为了最大程度降低远场背景信号，研究人员在红外物镜上方设计了一个孔径极小的共焦孔（约100 μm），通过此共焦结构可以缩小收集的光斑，有效抑制背景辐射信号。然而，即使是这样，是否有足够灵敏的红外探测器能够检测到纳米探针所散射的微弱近场信号也是一大难点。为此，本团队研发了一款超高灵敏度红外探测器，攻克了这一技术壁垒。图2（a）展示了首套SNoiM设备实物图。其中，金色圆柱腔体为低温杜瓦，内部搭载了自主研制的超高灵敏度红外探测器（CSIP）及一些低温光学组件；白色方框内为实验室内组装的基于音叉的原子力显微镜（AFM）、红外收集物镜及样品台区域，具体细节参照图2（b）、（c）。红外近场图像的空间分辨率不再受探测波长限制，而是由探针尖端尺寸决定。如图2（b）中插图所示，通过电化学腐蚀方法，可制备出形貌优良的金属（钨）纳米探针，其中，针尖直径可小至100 nm以内。图2 红外被动近场显微镜SNoiM的实物图（a）　红外被动近场显微镜SNoiM的实物图，其中搭载了超高灵敏度红外探测器；（b）AFM及红外收集物镜；插图为通过电化学腐蚀制备的金属（钨）纳米探针；（c）探针与样品的显微照片基于SNoiM的超分辨红外成像研究利用SNoiM技术探测物体表面的近场辐射可极大突破红外衍射极限，实现超分辨红外成像。首先以亚波长金属结构的成像结果为例进行展示。图3（a）为Au薄膜样品在普通光学显微镜下所拍摄的图像。其中，亮金色区域为Au薄膜（约50 nm厚），其他区域为SiO2衬底。使用SNoiM系统可同时获取该样品的远场和近场红外图像（获取远场图像时只需将探针挪离样品表面）。如图3（b）所示，由于成像波长较长（ ~ 14 μm），远场红外图像的分辨率远不如普通光学显微图像。比如，Au与衬底（SiO2）的边界无法清晰区分以及中间细小金属条状结构无法识别等（图中黑色虚线所示）。然而，在相同探测波长下，如图3（c）所示的近场红外图像则展现了超高的空间分辨率，其图像清晰度可完全与普通光学显微镜所获取的图像相比拟。为了进一步理清上述三种显微成像技术的区别，图3示意图中给出了探测到的信号来源：对于光学显微图像，其信号来自于可见光的反射。由于金属的反射能力较强，因而Au上的信号远比SiO2强。可见光波长范围为400~760 nm，因而光学显微镜可清晰分辨该样品表面的细微结构。远场红外成像不依赖于外界光源照射，直接通过红外物镜收集物体自身所发射出来的辐射信号，并对其进行成像。在探测波长为14μm情况下，受衍射极限的限制，系统的实际空间分辨率也只有约14μm。近场红外成像则检测探针尖端所散射的样品表面近场辐射信号，因此不受远场光学衍射极限限制，可获得超分辨红外图像（图3c）。图3 样品Au（SiO2衬底）的几种显微图像及成像原理示意图：（a）光学显微、（b）远场红外和（c）近场红外另外，值得注意的一点是，图3（c）所示的红外近场图像不仅仅在分辨率上有所提高，而且在金属与衬底的信号强度对比上出现了明显反转（由远场切换至近场后，Au由弱信号方（蓝色）转变为强信号方（红色））。针对上述现象的解释如下：远场成像时，Au是高反射物体，因此吸收红外光的能力极弱，根据基尔霍夫定律，则其红外发射率也很低。因而远场红外成像中其信号弱于衬底SiO2；而在近场成像中，室温金属（Au）中的自由电子存在剧烈的热运动（热噪声），从而在金属表面产生极强的表面电磁波，因而Au上的信号远强于SiO2。由此可见，SNoiM技术不仅突破了红外衍射极限限制，而且能够检测远场显微镜所无法探测的物理过程。基于SNoiM的微观载流子输运及能量耗散可视化研究基于SNoiM技术的另一项创新与突破在于纳米尺度下通电器件中微观载流子输运及局域能量耗散的直接可视化。值得指出，SNoiM所检测的近场辐射信号来自于物体近表面的传导电子，因此其成像结果所反映的是物体表面的局域电子温度（Te）。目前仅SNoiM技术可实现纳米尺度下电子温度分布的直接成像。下面将以通电微小金属线（NiCr合金）为例进行说明。图4（a）为NiCr金属线的光学显微图像（上）及其通电后的红外远场热图像（下）。红外远场成像检测通电器件的远场辐射，从而估算出器件的表面温度。比如，器件中心处出现明显热斑，该处温度最高，表明电流流经微小弯曲金属线时能量耗散最大。而受衍射极限限制，远场红外热成像无法分辨微小金属线（宽度约3.3 μm）上不同区域的温度分布，因此无法有效反映微观尺度上载流子的能量耗散特性。与之相比，近场红外热成像则可清晰展示器件中心区域微观载流子的输运及能量耗散行为。如图4（b）所示，当电流经过器件凹形弯折区时，近场红外热成像下，该区域内存在极其不均匀的温度分布，而且在凹形内侧出现显著热斑。该现象表明，通电NiCr器件的凹形区内存在非均匀局部焦耳热，且内侧区域电子能量耗散最大，这是由于电流的拥挤效应所造成的。此外，该温度分布图像似乎表明，通电时，载流子倾向于避开直角拐角处，并趋于沿着U形路径分布。为验证这一猜想，该实验进一步设计了中心区域呈U形弯折的通电NiCr金属线，并对其进行了近场红外热成像表征。图4（c）显示，U形区域温度均匀分布，无明显局域热斑，这表明载流子倾向于沿着U形路径均匀输运。基于SNoiM纳米热分析研究而提出的新设计大大缓解了电流拥挤效应可能对器件造成的局部热损伤，具有重要的指导意义。图4 NiCr金属线在不同测试模式下的红外热成像结果：（a）通电金属线显微图像及远场热成像；器件弯折区域分别为（b）凹形、（c）U形的扫描电镜图像及超分辨红外近场热成像

中实国金国际实验室能力验证研究中心于2007年9月17—19日在首都体育馆宾馆举办了YJL006金属韧性试验技术培训班，参加培训的人员参观了纳克永丰生产基地，并现场观看了我公司仪器化冲击试验机、断口图象分析仪的应用演示。 国际钢铁工业分析委员会主席王海舟教授出席开课仪式并致辞。国家钢铁材料委员会委员、多项力学标准的起草人梁兴邦教授、全国试验机标准化技术委员会委员王春华教授以及国家钢铁材料测试中心张庄教授担任授课教师。 此次培训包括：YJL006金属韧性试验技术测试基础、仪器设备与操作技术、标准方法应用以及数据处理四部分内容。经考核合格后颁发上述四个模块的考核合格证书及YJL006金属韧性试验技术上岗资格证书。 参加培训班的包括水利部水工金属结构质量检验测试中心、中国兵器工业集团、国家金属制品质量监督检验中心、邢钢、济钢、新钢、太钢、首钢技术中心、马钢、天钢、天铁、武钢等20余家单位，30余人参加培训课程。 screen.width-300)this.width=screen.width-300" border=0 screen.width-300)this.width=screen.width-300" border=0

据悉，西北工业大学材料学院发布讣告，中国光学学会激光加工专业委员会副秘书长、陕西省光学学会理事、西北工业大学教授、博士生导师陈静同志因患病医治无效，于2022年4月8日15时50分在西安逝世，享年52岁。陈静教授是激光加工专委会知名教授学者，长期从事高性能金属结构的激光增材制造与修复再制造方向的研究，曾主持国家自然科学基金、“863”高技术计划等国家及省部级科研项目10多项。荣誉获奖 Awards Information，获省部级一等奖1项，二等奖1项，授权国家发明专利10项，出版专著1部。曾发表论文100篇，SCI收录60篇，EI收录40篇。讣告显示，陈静教授教书育人，科技报国；陈静教授的逝世是材料学院的重要损失，也是我国金属增材制造领域的重要损失。

5月3日上午，总投资达21.6亿元的国家级门窗幕墙检测中心、保税仓储物流中心和节能门窗工业园二期三大项目，在河北省高碑店市隆重举行奠基仪式。河北省副省长宋恩华宣布三个项目开工。原建设部副部长、中国金属结构协会会长姚兵致辞。高碑店市市委书记许宁出席，市长李谦就加快项目建设讲话。 　　国家级门窗幕墙检测中心投产后，将形成国内最大最权威的门窗年检测能力 保税仓储物流中心将形成河北省中部地区最大的海关保税区，面向京津冀提供保税、仓储、物流等相关外包服务 节能门窗工业园二期投产后可以形成96亿元销售收入。

近日，香港城市大学吕坚院士团队在 Materials Science and Engineering: R: Reports 上发表综述论文“Additive manufacturing of structural materials”该论文分别从增材制造领域的发展历史，材料选择，4D 打印，应用前景，和趋势展望等方面做了较为系统的介绍。论文链接：第一章：简介增材制造（Additive manufacturing, AM），又称 3D 打印，其应用被认为是继蒸汽机，计算机，和互联网之后的又一项工业革命。AM 技术在过去的 30 年发展迅速，尤其是在近 5 年 AM 技术一直在加速其应用。与减材制造（如常规机加工，铸造，和锻造等工艺）不同，AM通过在计算器辅助设计（CAD）模型的指导下连续逐层添加材料来构造三维结构。AM 是一种面向材料的制造技术，在各种材料（包括聚合物，金属，陶瓷，玻璃，和复合材料等）中，普通存在打印精度和打印尺度/速度不可兼得的矛盾。4D 打印技术通常指的是经 3D 打印成型的物体在外界刺激，例如热，磁，液，电，光，气压，预应力，或其组合的刺激下，实现构型和功能的变化。本文总结了各种刺激方法的常用材料和原理，对比了不同刺激方法的优缺点。4D 打印材料和技术，伴随着各种变形系统的开发，驱动着研究者在高维 AM 领域实现概念突破及实际应用。该综述对结构材料的增材制造提出了多元化展望，包括多材料（multi-material）AM，多模量（multi-modulus）AM，多尺度（multi-scale）AM，多系统（multi-system）AM，多维度（multi-dimensional）AM，和多功能（multi-function）AM。 AM 材料和方法的迅速发展为其在不同领域的结构应用提供了巨大潜力，包括航空航天领域，生物医疗领域，电子设备，核工业，柔性可穿戴设备，软质传感器/驱动器/机器人技术，珠宝和艺术装饰品，陆地运输，水下设备，和多孔结构。此项研究获广东省重点领域研发计划，深港科技创新合作区深圳园区项目，国家自然科学基金重大项目，国家重点研发计划，和大学教育资助委员会（香港）联合实验室资助计划的项目支持。△增材制造的技术路线图△各种增材制造材料和工艺普通存在打印精度和打印尺度/速度不可兼得的矛盾△各种 4D 打印驱动刺激的关系图△结构材料增材制造的多元化展望△多维度增材制造：更高的维度，更高的打印效率△3D 打印机有望借助自我打印能力而实现打印万物以下为该综述部分章节的简要介绍：第二章：不同材料的 AM2.1 聚合物材料的 AM该部分主要概述了聚合物 AM 的制造方法、材料种类以及 AM 聚合物的性能及使用领域，提出了聚合物 AM 的不足之处，并给出了解决方法。该部分同时展望了聚合物 AM 的良好发展前景。2.2 金属材料的 AM该部分介绍了金属 AM 利用多领域多学科融合的思路，在开发专用材料，新型工艺以及制造结构上的相关进展，同时高熵合金，金属玻璃（非晶合金），贵金属，金属结构材料的功能特性等方面前景广大，但仍需进一步发展。2.3 陶瓷材料的 AM该部分介绍了不同种类（粉基/浆基，镀膜基，聚合物前驱体基）的陶瓷打印材料的特点，重点概述了聚合物衍生陶瓷在陶瓷 AM 领域的优势和应用，总结了直写打印的特点和所需的墨水条件，并对陶瓷打印技术将会往打印构型更大和打印速度更快两个方向的发展做了展望。2.4 玻璃材料的 AM该部分对 3d 打印玻璃进行了系统的阐述，介绍了高温打印/低温打印/复合玻璃材料打印三种类型，对比了不同打印方式下产品的透光度和性能的差异，并对 3d 打印玻璃的应用和前景进行了展望。2.5 复合材料的 AM该部分第一小节总结了聚合物-金属复合打印的策略，介绍了多尺度的层级聚合物-金属复合材料能突破机械性能（例如强度-密度，强度-韧性）之间的耦合，特征尺寸可以跨越 7 个数量级，充分利用“越小越强”的尺寸效应。同时，机械超材料凭借特殊的架构设计可实现非凡的刚度，强度和韧性。该部分第二小节总结了聚合物-陶瓷复合打印的策略，生物陶瓷通常具有较高的强度和断裂韧性，这种良好的力学性能主要归因于其复杂而又巧妙结合的多级结构。3D 打印工艺是一种 “自下而上”制备工艺，能够很好的应用在仿生陶瓷的制备，例如常见的“Bouligand”结构，“砖-瓦”结构，“交叉叠片”结构等，为人们制备高性能仿生陶瓷提供了有效途径。该部分第三小节总结了金属-陶瓷-聚合物复合打印的策略，包括将金属-陶瓷-聚合物复合材料粉末混合打印，以及将金属-陶瓷-聚合物材料分层打印，并展望未来 3D 打印金属-陶瓷-聚合物复合材料的发展方向。第四章：AM 的结构材料在不同领域的应用4.1 航空航天领域在航天领域，尤其是航天器零部件和天线等结构方面的领域，得益于太空的零（微）重力环境，在轨增材制造可以打印很多传统加工方式难以实现的零部件。在航空领域，增材制造的应用逐渐成熟，从最初在非关键部件上的应用逐渐过渡到例如发动机核心部件的制造。例如使用增材制造燃油喷嘴，在减少部件的同时，提高燃油效率。在可以预见的将来，增材制造将在航空领域大放异彩，乃至于影响到飞机的整体设计。另外，3D 打印为新型可变机翼的研发提供了强大的加工能力，显著提高了新型结构的研发效率，并实现了应用于可变机翼的全新的结构体系，目前蓬勃发展中的 4D 打印技术将为可变机翼提供更多先进的技术路径。△增材制造在航天领域的应用△增材制造在航空领域的应用4.2 生物医疗领域增材制造在生物医疗领域已经获得了广泛的应用，包括骨科、牙科、软组织工程、组织修复再生和生物治疗等。该部分从打印材料，表面处理，结构设计等角度，总结了在硬组织工程应用中增材制造技术的研究现状。同时还对目前比较成熟的商业 3D 打印骨植入物，以及应用增材制造技术的典型病例，进行了介绍与总结。增材制造高精度，多材料的特点为复杂的生物支架制备提供了新的选择，在人造心脏，体内遥控机器人等高难度领域都有着不可替代的优势。△增材制造在生物医疗领域的应用4.3 电子设备该部分总结了 AM 在包括微波器件，PCB 板，MEMS，微电池，RFID 标签，以及陶瓷手机背板等电子设备上的应用。在现代微波通讯系统及电磁应用领域中，增材制造技术为器件的小型化、轻质化、高精度、低成本制造提供了新方法，可有效降低传统制造中存在的材料冗余、装配误差等缺点。在未来微波及太赫兹器件的增材制造技术发展方面，提升制造质量和速度，研发新材料以适应多功能需求以及实现更高频器件制造将具有广阔空间。随着 5G 时代的到来和无线充电技术的发展，陶瓷材料的 AM 有望在新型手机背板的开发上发挥重要作用。△增材制造在电子设备的应用4.4 核工业该部分主要概述了增材制造制备的高分子、金属及陶瓷材料在核工业中的应用。从复合材料及材料结构方面对中子屏蔽材料的性能及应用进行研究，并展望多功能复合材料在核工业中的潜在应用。△增材制造在核工业的应用4.5 柔性可穿戴设备3D 打印技术可应用于柔性、可穿戴电子设备的制造，例如应变传感器、纳米发电机、柔性电极等。△增材制造在柔性可穿戴设备的应用4.6 软质传感器/驱动器/机器人技术4D 打印湿度、温度响应水凝胶发展迅速，各种几何形状、复杂变形和定向运动都已经实现。3D/4D 打印在传感器、执行器和软体机器人等各个方面都显示出了巨大的应用潜能。△增材制造在软质传感器/驱动器/机器人技术的应用4.7 珠宝和艺术装饰品3D 打印技术由于制造周期短、可根据客户需求精确定制、制造过程具有零浪费等特点，成为了珠宝和装饰行业兴起的新型制造技术。3D 打印技术通过电脑建模可以设计结构复杂的珠宝和装饰，并且以高分子、金属、陶瓷等材质直接打印出来，也可以通过打印铸造珠宝所需的低熔点熔模来间接参与珠宝制作。△增材制造在珠宝和艺术装饰品的应用4.8 陆地运输增材制造技术在陆地交通领域有着巨大的应用前景。相较于传统的陆地交通工具（如汽车、自行车、高铁等）的制造技术，增材制造技术不仅可以有效地降低制造成本，缩短研发周期，提高生产效率，还能够推动交通工具定制化设计的普遍应用。4.9 水下设备3D打印在航海领域的价值不断在开发，从服务水面船舰维护到深海水下探测。受益于 3D 金属材料打印技术的成熟和海上环境 3D 打印技术的研发，未来远洋船舰中极可能标配 3D 打印设备，为远离陆地补给的船舰即时制备已磨损或需更换的配件或临时所需的结构。该领域的潜在可观的市场也将吸引和促进 3D 打印技术在动态环境下的发展。△增材制造在海陆空交通运输的潜在应用场景4.10 多孔结构随着各种 3D 打印技术的飞速发展，作为多孔结构的不同微观结构变得越来越重要。通过使用 AM 技术，多孔结构有广阔的应用前景，特别是在医疗领域，如骨支架。利用3D 打印技术，可以个性化地制造出不同的尺寸和形态的结构。吕坚院士简介吕坚院士现任香港城市大学机械工程系讲座教授，先进结构材料研究中心（CASM）主任，国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心 (NPMM)主任，香港工程科学院院士，法国国家技术科学院院士。2006 年及 2017 年曾两次获得由法国总统亲自任命的“法国政府颁授法国国家荣誉骑士勋章”及“法国国家荣誉军团骑士勋章”，2018 年获得“中国工程界最高奖”第十二届光华工程科技奖。吕坚教授的研究方向涉及先进纳米结构材料的制备和力学性能，实验力学，材料表面工程和仿真模拟，生物与仿生材料力学，航空航天材料与结构预应力工程，3D 打印先进材料与产品集成设计等。相关论文及链接[1] G. Liu*, X. Zhang*, X. Chen*, Y. He*, L. Cheng, M. Huo, J. Yin, F. Hao, S. Chen, P. Wang, S. Yi, L. Wan, Z. Mao, Z. Chen, X. Wang, Z. Cao, J. Lu†. Additive manufacturing of structural materials, Materials Science and Engineering: R: Reports. Online Apr 2021.论文链接[2] G. Liu, Y. Zhao, G. Wu, J. Lu†. Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramicstructures, Science Advances. 4(8), eaat0641, Aug 2018.论文链接[3] G. Liu*, Y. He*, P. Liu*, Z. Chen, X. Chen, L. Wan, Y. Li, J. Lu†. Development of bioimplants with 2D, 3D, and 4D additive manufacturing materials, Engineering. 6(11), 1232-1243, Nov 2020.论文链接[4] Z. Mao, K. Zhu, L. Pan, G. Liu, T. Tang, Y. He, J. Huang, J. Hu†, K. Chan†, J. Lu†. Direct‐ink written shape‐morphing film with rapid and programmable multimotion, Advanced Materials Technologies. 5(2), 1900974, Jan 2020.论文链接[5] Z. Li, P. Liu, X. Ji, J. Gong, Y. Hu, W. Wu, X. Wang, H. Peng, R. Kwok, J. Lam†, J. Lu, B.Tang†. Bioinspired simultaneous changes in fluorescence color, brightness, and shape of hydrogels enabled by AIEgens, Advanced Materials. 32(11), 1906493, Feb 2020.论文链接[6] X. Yan, S. Yin†, C. Chen, R. Jenkins, R. Lupoi, R. Bolot, W. Ma, M. Kuang, H. Liao, J. Lu†, M. Liu†. Fatigue strength improvement of selective laser melted Ti6Al4V using ultrasonic surface mechanical attrition, Materials Research Letters. 7(8), 327-333, Apr 2019.论文链接[7] L. Cheng, T. Tang, H. Yang, F. Hao, G. Wu, F. Lyu, Y. Bu, Y. Zhao, Y. Zhao, G. Liu, X.Cheng, J. Lu†. The twisting of dome-like metamaterial from brittle to ductile, Advanced Science. Accepted Jan 2021.

2022年第23届广州国际金属暨冶金工业展览会邀 请 函主管单位：中华人民共和国商务部外贸司 批准单位： 广东省对外贸易经济合作厅主办单位：广州巨浪展览策划有限公司特别鸣谢：美国驻广州总领事馆 英国驻广州总领事馆 澳大利亚贸易委员会 意大利对外贸易协会 中国驻孟加拉大使馆 香港贸易发展局协办单位 ：天津市工商联金属材料业商会 一年一度的广州国际金属暨冶金工业展览会 ，是久负盛名、全球瞩的业界盛会，经过23年的努力，得到PDS PROFİL DİLME SAC MAKİNALARI SAN. VE DIŞ TİC. A.Ş、HASÇELİK SANAYİ VE TİCARET ANONİM ŞİRKETİ 、宝钢、武钢、鞍钢、河北钢铁集团（邯钢）、湘钢、浦项、新日铁、马钢、新冶钢、联众、珠江钢管、全通、凤阳、冠洲、华冶、中泰、宇鑫源、华美、新宇、黄石山力 、青山钢管、韩钢、岳洋、东上、大力神、刚正、江林、华新丽华、华迪、鎧錮國際、西可林控制系统、马克斯环保、莱雷、坤泰工贸、仓信电子、湖北高正、赛迈特悬浮、奥菲达、东方、镭尔谱、KOS、珀悦仪器、创想、宏达，腾龙、永上、虹润 、泰斯泰克、智敏、派克威、依利达、迎瑞包装、DSR、德华、高品检测、思捷光电、四川赛恩思、重庆德兹、力勤仪器、GNR中国、赛默飞世尔、斯派克、东方仪器、巴斯德仪器、书豪仪器、明阳机电、牛津、盈安科技、华瑞汉普、无锡钱荣、金义博、苏州浪声、德铧材料检测、莱雷科技、上海申力、泽权仪器、天瑞仪器、福禄克、纳克、善时等等知名企业积极参与。广州国际金属冶金展览会”已成功举办二十二届，已发展成为行业内高规格、高层次、专业化、权威性的品牌展会之一。展会规模日益壮大，已由单一的现场展示平台发展成为集企业立体展示与行业互动交流为一体的国际舞台。 2022年第二十三届广州国际金属冶金展览会将以“国际化、专业化、高层次”的要求，邀请中国和世界厂家展示新产品、新技术、新设备，从而帮助业界高层全面了解全球产业链的最新趋势，同时为观众打造产品、材料和设备的一站式采购平台！展会日程安排及展出地点展出时间：2022年9月20日至22日 撤展时间：2022年9月22日（下午1点半）布展时间：2022年9月18日至19日 展出地点：中国进出口商品交易会琶洲展馆C区首层(广州市海珠区新港东路980号)展览内容1.钢铁企业形象展示,钢铁冶炼技术及工艺；铝材、铜材生产企业；不锈钢生产企业 特殊钢。2.板材、管材、带材、型材、棒材、线材3.技术及设备：采矿、冶炼、连铸、轧机、轧制、轧辊、拉拔、精整、镀锌、镀锡、彩色涂层、冶金炉、窑及加热设备、铸造、锻压、焊接、热处理、冷却设备、冶金辅助机械设备及产品、冶金原料处理（矿石、焦炭 及其它辅助原料）板材剪切设备、钢材打号设备、金属打标机、铁合金生产、金属加工机械 金属结构制造、加工安装及冶金专用设备的设计、制造、安装调试等4.产品、制成品及辅助用品、钢铁产品、有色金属产品、金属制品、金属结构产品及各种应用材料、五金制 品、 炭素材料及制品、各种铁合金产品、硬质合金制品、工具及设备、金属防腐涂料、冶金化学药剂、工业润滑油、金属加工油及润滑材料、防锈材料、密封材料、各种冶金包装及材料设备；5.冶金检测及自动化：测温仪、测厚仪、测宽仪、测速仪、光谱仪、红外分析仪、红外测温仪、无损检测设备、硬度计 金相分析、化学分析仪表、热工校验仪表、金属材料试验机、传感器及变速器、工控机、工业电视、自动化 控制系统、电子检测及自动化控制装置、数据处理技术；6.用于冶金热加工、机械加工、物料输送、动力传动、冶金轴承、减速机、切断、称重、润滑、液压、除尘 表面处理、起重、电气、工业窑炉、燃烧器、金属圆锯机、倒角机、磨削、抛光设备（抛丸机、抛丸清理机械、钢材预处理设备、 冶金锯片、切割、机械设备及各种应用材料；7. 耐火材料：原料及处理设备、生产加工技术及设备、各种耐火材料产品；参展费用品牌展馆: 36㎡展位起租 国内参展商：标准展位 12800元人民币/全展期/ 9㎡，17000元人民币/全展期/个12㎡（双开口另加1000元人民币） 空场地：1280元人民币/㎡, 36㎡展位起租（按每平方米人民币20元交纳展场施工管理费）国外参展商 3800美元/全展期/个9㎡ 空场地：380美元/㎡（按每平方米人民币20元交纳展场施工管理费）展位配置：三面围板、中英文楣板、洽谈桌一张、椅子两把、垃圾桶1个、日光灯二支、插座大会广告项目本届大会会刊，用32开（ 210mm×140mm）进口铜版纸，精装印刷，在大会期间派发给参观人士。欢迎企业刊登广告版面及其它宣传方式，收费标准如下：（人民币）封 面: 28000元门 票: 10000元/1万张封二、三: 15000元显 要、封 底: 25000元彩 页: 8000元礼品袋：3万元/5千个展馆广场拱门广告：5000元人民币/个灯笼柱广告：4000元气球：5000元展馆门口上方横幅广告： 7000元/幅/期展馆外落地桁架广告 7000元/幅/期展馆内上方吊牌广告：3000元/面参观指南 彩页 15000元 (前2 页为 广告页)展馆门口立架广告3000元/幅/期展会增值服务协助安排参展公司的展品运输。协助优先优惠安排参展人员住宿及票务。协助参展企业现场开新闻发布会及贸易洽谈会。邀请国内外专家举办高水平行业论坛。协助展商收集有关市场信息及资料。参展报名手续：填好回执表加盖上公章后，回发至我公司。参展企业收到“展位确认书”一周内将参展费用汇至我司账户，并将汇款底单回传至我司。我司在收到参展商参展费用后，合同正式生效；参展企业不得以任何方式转租或转借给第三方展位分配顺序将按“报名时间及展位大小”优先分配广州巨浪展览策划有限公司地址:广州市天河区珠江新城华明路29号星汇园A1座3A04-3A06 邮编：510623参展咨询：李玲13535164056 （微信同号）传真：020-38620781 qq:974033305 Email: 974033305@qq.com

根据2021年度国家重点研发计划重点专项评审工作安排，科技部高技术研究发展中心于2021年8月2日至8月9日组织开展了“十四五”“先进结构与复合材料”重点专项项目预评审。此次评审采用网络评审方式，评审专家按照国家科技计划项目评审专家选取和使用的统一要求，从国家科技专家库中产生，共42人。根据《国务院关于改进加强中央财政科研项目和资金管理的若干意见》（国发〔2014〕11号）和中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于深化项目评审、人才评价、机构评估改革的意见》（中办发〔2018〕37号）等文件精神，现将预评审专家名单予以公布，公示期为8月12日至8月16日。专项管理办公室联系方式：010-68104778组1：3.2 先进铝合金高效加工及高综合性能研究序号专家姓名单位名称1窦 睿江南大学2赵志星首钢集团有限公司3陆德平江西省科学院4郭 斌武汉钢铁（集团）公司5曲迎东沈阳工业大学6路贵民华东理工大学7赵鸿金江西理工大学组2： 6.1 金刚石超硬复合材料制品增材制造技术序号专家姓名单位名称1乔冠军江苏大学2宗文俊哈尔滨工业大学3李刘合北京航空航天大学4谭国龙武汉理工大学5陈玉峰中国建筑材料科学研究总院有限公司6王 霖北京高压科学研究中心7李红霞中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司组3： 6.4 复杂工况下冶金领域关键部件表面工程技术与应用序号专家姓名单位名称1黄明宇南通大学2张敬国有研科技集团有限公司3刘庆宾重庆材料研究院有限公司4毛 勇云南大学5唐 历攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司6郎兴友吉林大学7李树丰西安理工大学组4：7.2 金属结构材料服役行为智能化高效评价技术与应用序号专家姓名单位名称1王 强东北大学2汤爱涛重庆大学3陆亚林中国科学技术大学4李 能武汉理工大学5张景贤中国科学院上海硅酸盐研究所6李锡武有研工程技术研究院有限公司7张绪虎航天材料及工艺研究所组5： 8.1 车载复合材料LNG高压气瓶制造基础及应用技术序号专家姓名单位名称1戴礼兴苏州大学2徐世爱青海大学3马传国桂林电子科技大学4范星河北京大学5周志平江苏大学6胡云楚中南林业科技大学7郑玉婴福州大学组6：8.6 基于激光技术的材料服役行为多维度检测技术和装备序号专家姓名单位名称1黄培彦华南理工大学2周清跃中国铁道科学研究院集团有限公司3郑 磊北京科技大学4刘会杰哈尔滨工业大学5黄再满中材科技风电叶片股份有限公司6孙 宇天津钢管集团股份有限公司7庞碧涛洛阳LYC轴承有限公司科技部高技术研究发展中心2021-08-12

电化学储能是能源革命的关键支撑技术，是推动全社会绿色低碳发展、实现碳中和目标的重大战略需求。水系锌离子电池具有成本低廉、生态友好、体积能量密度高、安全性高等优点，被认为是极具前景的大规模储能体系。然而，锌负极存在枝晶生长、不可逆副反应等问题，这严重制约了锌离子电池的发展。锌负极表界面对锌离子电池性能具有重要的影响，目前的研究多集中在化学（电解液添加剂）或材料层面（界面涂层修饰），电极功能结构的精准设计和可靠制造是对化学和材料研究的重要补充。通过微纳尺度先进制造技术优化电极结构的尺寸、结构和空间排布有望从制造学科角度为提高锌离子电池性能开辟新的途径。近日，湖南大学段辉高教授、张冠华副教授、张夏楠等人突破传统锌负极优化策略，提出“多功能3D结构电极”新思路，借助跨尺度高精度3D打印技术（摩方精密，nanoArch P140）和化学沉积/电沉积技术成功实现结构功能一体化锌负极的可靠制造。多级金属点阵结构的3D通孔结构和超亲水表面能够有效调控电极电场分布，实现诱导锌金属优先沉积到点阵通孔结构内侧，保证点阵电极表面锌均匀沉积。通过电极在电解液中的电流密度分布模拟和锌沉积/剥离过程的原位显微观察证实3D Ni-Zn微点阵电极具有更低的锌成核过电位、更多的成核位点、更均匀的局域电场分布、更高的可逆锌沉积/剥离效率。此外，由3D Ni-Zn微点阵负极和聚苯胺插层的氧化钒正极组装而成的全电池表现出了优异的电化学性能。这种具有有序3D通孔结构的导电金属微点阵为开发其它高性能金属(如Li,Na, K, Mg, Al)电池提供了新的思路。相关成果以“3D-printed multi-channelmetal lattices enabling localized electric-field redistribution fordendrite-free aqueous Zn-ion batteries”为题目发表于能源材料与器件领域顶级期刊《Advanced Energy Materials》。原文链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202003927上述工作得到了国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、中央高校基础研究基金、长沙市科技局基金等资金支持。图1. 3D Ni-Zn微点阵结构制备流程示意图图2. 3D Ni-Zn微点阵电极相关表征图3. 由3D Ni-Zn电极所制备的对称电池和半电池性能图4. 2D Ni-Zn、3D Ni-Zn电极的电解液中电流密度分布仿真以及循环后的超景深显微镜图片和相应高度云图图5. 在2D Ni、3D Ni电极表面沉积不同容量锌的SEM照片与相应示意图图6. 与PVO正极材料相匹配的全电池性能

红外热成像技术通过探测物体自身所发出来的远场红外辐射从而感知表面温度，在军事、民航、安防监控及工业制造等重要领域有着广泛应用。但由于光学衍射极限的限制，红外热成像的分辨率通常在微米尺度及以上，因此无法用于观测纳米尺度的物体。近几年，我们开发了红外被动近场显微成像技术，通过探测物体表面的近场辐射从而极大地突破红外衍射极限限制，将红外温度探测及成像从传统的微米尺度拓展到了纳米尺度。据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院上海技术物理研究所红外科学与技术全国重点实验室的科研团队在《红外与毫米波学报》期刊上发表了以“红外近场辐射探测及超分辨温度成像”为主题的文章。该文章第一作者为朱晓艳，主要从事红外被动近场成像方面的研究工作。本文将围绕扫描噪声显微镜（SNoiM）技术的实验原理及其应用，详细介绍如何通过自主研制的红外被动近场显微镜，突破红外热成像的衍射极限限制，实现纳米级红外温度成像。近场辐射我们首先从黑体辐射的本源入手。如图1（a）所示，绝大多数物体内部都包含大量带正电荷和负电荷的粒子，这些带电粒子永远不会静止不动，而是一直处于随机扰动状态（热运动）。我们所熟知的热辐射就源自物体内部的这种带电粒子热运动，辐射特征可由普朗克黑体辐射定律描述。但鲜为人知地是，物体内的电荷扰动不仅在距离物体辐射波长尺度以外的区域产生红外热辐射（远场辐射），而且在物体近表面处会生成一种能量密度极高的表面扰动电磁波（以倏逝波形式存在），可称之为近场辐射。理论很早就预言了这种表面电磁波（近场辐射）的存在，并发现针对远场辐射所建立的认知及规律（如普朗克辐射定律等）将不再适用于近场辐射，但相关实验研究由于探测难度极高而一直未有明显突破。2009年，美国麻省理工学院和法国CNRS的研究组取得重要进展，先后在实验上验证了纳米尺度下近场辐射热传输效率可远超黑体辐射极限。尽管该实验验证了物体表面近场倏逝波的存在，但相关物理现象仍然缺少更直接的实验手段对其进行更进一步地研究。图1（a）物体表面存在的远场辐射及近场辐射；探针调制技术：（b）当探针远离样品时不会散射物体表面的近场倏逝波、（c）当探针靠近物体近表面时可以散射近场倏逝波；（d）红外被动近场显微镜（SNoiM）的示意图红外被动近场显微镜（SNoiM）的实验原理及其应用SNoiM技术的实验原理物体表面的近场辐射由于其倏逝波特性（即强度随着远离物体表面急剧衰退）而难以探测。在SNoiM中，利用扫描探针技术有效地解决了这一问题。如图1（b）所示，当不引入纳米探针（或探针远离物体表面）时，物体近表面的近场倏逝波无法被探测，该显微镜工作于传统红外热成像模式，即仅获得其远场辐射信号。SNoiM技术的关键是，将探针靠近样品近表面（比如10 nm以内），近场倏逝波可以被针尖有效散射出来。该探测模式下，探测器所获取的样品信号中同时存在近场和远场分量。因此，通过控制探针至物体表面的间距h，即可获得近场、远场混合信号（h 100 nm或撤去探针，称为远场模式）。最终，利用探针高度调制及解调技术即可从远场背景中提取物体的近场信息。图1（d）展示了SNoiM系统探测近场信号的示意图。探针所散射的近场信号首先由一个高数值孔径的红外物镜进行收集。但在该过程中，无法消除来自环境、被测物体及仪器自身的远场辐射信号，它们随近场信号一同被红外物镜收集，导致被测物体微弱的近场信号湮没于巨大的远场背景辐射之中。为了最大程度降低远场背景信号，研究人员在红外物镜上方设计了一个孔径极小的共焦孔（约100 μm），通过此共焦结构可以缩小收集光斑，有效抑制背景辐射信号。然而，即使是这样，是否有足够灵敏的红外探测器能够检测到纳米探针所散射的微弱近场信号也是一大难点。为此，本团队研发了一款超高灵敏度红外探测器，攻克了这一技术壁垒。图2（a）展示了首套SNoiM设备实物图。其中，金色圆柱腔体为低温杜瓦，内部搭载了自主研制的超高灵敏度红外探测器（CSIP）及一些低温光学组件；白色方框内为实验室内组装的基于音叉的原子力显微镜（AFM）、红外收集物镜及样品台区域，具体细节参照图2（b）、（c）。红外近场图像的空间分辨率不再受探测波长限制，而是由探针尖端尺寸决定。如图2（b）中插图所示，通过电化学腐蚀方法，可制备出形貌优良的金属（钨）纳米探针，其中，针尖直径可小至100 nm以内。图2（a）红外被动近场显微镜SNoiM的实物图，其中搭载了超高灵敏度红外探测器；（b）AFM及红外收集物镜；插图为通过电化学腐蚀制备的金属（钨）纳米探针；（c）探针与样品的显微照片基于SNoiM的超分辨红外成像研究利用SNoiM技术探测物体表面的近场辐射可极大突破红外衍射极限，实现超分辨红外成像。首先以亚波长金属结构的成像结果为例进行展示。图3（a）为Au薄膜样品在普通光学显微镜下所拍摄的图像。其中，亮金色区域为Au薄膜（约50 nm厚），其他区域为SiO₂衬底。使用SNoiM系统可同时获取该样品的远场和近场红外图像（获取远场图像时只需将探针挪离样品表面）。如图3（b）所示，由于成像波长较长（~ 14 μm），远场红外图像的分辨率远不如普通光学显微图像。比如，Au与衬底（SiO₂）的边界无法清晰区分以及中间细小金属条状结构无法识别等（图中黑色虚线所示）。然而，在相同探测波长下，如图3（c）所示的近场红外图像则展现了超高的空间分辨率，其图像清晰度可完全与普通光学显微镜所获取的图像相比拟。为了进一步理清上述三种显微成像技术的区别，图3示意图中给出了探测到的信号来源：对于光学显微图像，其信号来自于可见光的反射。由于金属的反射能力较强，因而Au上的信号远比SiO₂强。可见光波长范围为400~760 nm，因而光学显微镜可清晰分辨该样品表面的细微结构。远场红外成像不依赖于外界光源照射，直接通过红外物镜收集物体自身所发射出来的辐射信号，并对其进行成像。在探测波长为14 μm情况下，受衍射极限的限制，系统的实际空间分辨率也只有约14 μm。近场红外成像则检测探针尖端所散射的样品表面近场辐射信号，因此不受远场光学衍射极限限制，可获得超分辨红外图像（图3c）。图3 样品Au（SiO₂衬底）的（a）光学显微、（b）远场红外和（c）近场红外的图像及成像原理示意图另外值得注意的一点是，图3（c）所示的红外近场图像不仅仅在分辨率上有所提高，而且在金属与衬底的信号强度对比上出现了明显反转（由远场切换至近场后，Au由弱信号方（蓝色）转变为强信号方（红色））。针对上述现象的解释如下：远场成像时，Au是高反射物体，因此吸收红外光的能力极弱，根据基尔霍夫定律，则其红外发射率也很低。因而远场红外成像中其信号弱于衬底SiO₂；而在近场成像中，室温金属（Au）中的自由电子存在剧烈的热运动（热噪声），从而在金属表面产生极强的表面电磁波，因而Au上的信号远强于SiO₂。由此可见，SNoiM技术不仅突破了红外衍射极限限制，而且能够检测远场显微镜所无法探测的物理过程。基于SNoiM的微观载流子输运及能量耗散可视化研究基于SNoiM技术的另一项创新与突破在于纳米尺度下通电器件中微观载流子输运及局域能量耗散的直接可视化。值得指出，SNoiM所检测的近场辐射信号来自于物体近表面的传导电子，因此其成像结果所反映的是物体表面的局域电子温度（Te）。目前仅SNoiM技术可实现纳米尺度下电子温度分布的直接成像。下面将以通电微小金属线（NiCr合金）为例进行说明。图4 （a）通电金属线显微图像及远场热成像；器件弯折区域分别为（b）凹形、（c）U形的扫描电镜图像及超分辨红外近场热成像图4（a）为NiCr金属线的光学显微图像（上）及其通电后的红外远场热图像（下）。红外远场成像检测通电器件的远场辐射，从而估算出器件的表面温度。比如，器件中心处出现明显热斑，该处温度最高，表明电流流经微小弯曲金属线时能量耗散最大。而受衍射极限限制，远场红外热成像无法分辨微小金属线（宽度约3.3 μm）上不同区域的温度分布，因此无法有效反映微观尺度上载流子的能量耗散特性。与之相比，近场红外热成像则可清晰展示器件中心区域微观载流子的输运及能量耗散行为。如图4（b）所示，当电流经过器件凹形弯折区时，近场红外热成像下，该区域内存在极其不均匀的温度分布，而且在凹形内侧出现显著热斑。该现象表明，通电NiCr器件的凹形区内存在非均匀局部焦耳热，且内侧区域电子能量耗散最大，这是由于电流的拥挤效应所造成的。此外，该温度分布图像似乎表明，通电时，载流子倾向于避开直角拐角处，并趋于沿着U形路径分布。为验证这一猜想，该实验进一步设计了中心区域呈U形弯折的通电NiCr金属线，并对其进行了近场红外热成像表征。图4（c）显示，U形区域温度均匀分布，无明显局域热斑，这表明载流子倾向于沿着U形路径均匀输运。基于SNoiM纳米热分析研究而提出的新设计大大缓解了电流拥挤效应可能对器件造成的局部热损伤，具有重要的指导意义。总结与展望综上，利用SNoiM技术，可以实现物体表面的近场辐射探测及红外超分辨温度成像。该技术是目前国际上唯一能够进行局域电子温度成像的科学仪器，不仅突破了红外远场热成像的衍射极限限制，且首次实现了纳米尺度下通电器件中载流子输运行为与能量耗散的直接可视化。该研究内容均基于第一代室温SNoiM系统，目前，第二代低温SNoiM系统已被成功搭建，有望进一步突破后摩尔时代信息和能源器件的功耗降低及能效提升难题，探索物理新机制，并推动纳米测温技术新的发展。这项研究获得国家自然科学基金优秀青年基金的资助和支持。论文链接：DOI: 10.11972/j.issn.1001-9014.2023.05.001

外尔半金属（Weyl semimetal）是一类重要的拓扑物态，其能带中的外尔点结构具有许多奇异的性质：它是一种拓扑磁单极子，且总是成对出现，在其附近的低能激发的运动模式符合“外尔费米子”的方程，最早于1929年由德国科学家赫尔曼外尔提出。有且仅有两个外尔点的外尔半金属—理想外尔半金属，是外尔半金属“家族”中最为基础的一员，由其衍生的有相互作用关联相总是拓扑非平庸的。在凝聚态材料中，尽管近几年外尔半金属材料取得诸多重要进展，这种仅有两个外尔点的外尔半金属尚未实现。图一A:三维自旋轨道耦合装置示意图。B:实验构造的三维拉曼势结构，导致原子在格点之间的自旋翻转隧穿。超冷原子体系具有环境干净，高度可控等重要特性，通过超冷原子研究拓扑量子物态目前是量子模拟领域中一个活跃的方向，其中人工合成自旋轨道耦合是实现拓扑物相的一项重要技术。实现外尔半金属等高维拓扑物态的模拟，三维自旋轨道耦合是其必要条件。这意味着需要构建更加复杂的三维非阿贝尔规范势，一直是超冷原子量子模拟领域的重大挑战。在超冷原子自旋轨道耦合的研究方面，中国科大通过和北大合作一直处于研究前沿。2016年，实验团队就和北大理论组合作，提出并构建了二维拉曼耦合光晶格，实现了二维自旋轨道耦合拓扑量子气[Science 354,83-88, (2016)]。近期，北大的理论团队在原二维系统的基础上提出了三维自旋轨道耦合和理想外尔半金属的新型拉曼光晶格方案[Science Bulletin 65, 2080-2085 (2020)]。实现三维自旋轨道耦合和理想外尔半金属能带，实验上面临两个技术难题，一是怎样把二维形式的拉曼耦合拓展到三维结构；二是怎样利用传统的二维成像进行三维动量空间的探测。为此，联合研究团队设计了巧妙的光路，通过将光晶格“旋转”45°，并将相位锁定，准确构造出理论方案中三维结构的拉曼势，合成三维自旋轨道耦合(图一)，同时通过调节实验参量合成了有且仅有两个外尔点的能带结构。图二 A:通过虚拟断层成像法重构三维自旋纹理，找到两个外尔点的位置。B:通过量子淬火动力学对外尔点位置的标定。在探测方面，研究团队借鉴了北大组和香港科技大学G.-B. Jo组合作提出的虚拟断层成像法[Nat. Phys. 15, 911 (2019)]，并应用到当前的三维光晶格体系。利用体系的对称性，通过调节拉曼失谐等效得到z方向不同动量平面上的自旋纹理，再重构出三维动量空间的自旋纹理，找到外尔点；随后利用量子淬火动力学提取出该平面能带的拓扑特征，进而确定外尔点的位置。两种方法互相佐证，印证了理想外尔半金属能带的实现。实验中所使用的CCD(如图一)为牛津仪器ANDOR的iKon CCD相机，在动态模式下连续拍摄三张照片，通过对三张照片的处理得到原子的时间飞行吸收成像照片。图三iKon CCD相机iKon CCD相机真空密封，制冷温度可以低至 -100℃。采用BEX2-DD芯片抑制近红外干涉条纹，全波段量子效率达 90%，动态模式下具有微秒级时间分辨率。《科学》杂志的审稿人对这一工作给予高度评价，认为这项工作“为冷原子体系研究外尔物理中的新奇现象打开了新的方向”(...a very interesting work which opens a new direction of investigating exotic phenomena associated with the Weyl physics for ultracold atoms)“作为三维自旋轨道耦合在冷原子体系的首次实现，是领域中的重要进展，并为冷原子研究提供了新的工具”(...this is the first time that 3D spin-orbit coupling was ever achieved in a cold atom experiment. This, in itself represents a significant progress and an important addition to the cold atom toolbox.)“对理想外尔点的实现是非常有价值的结果，为固体系统提供了起到互补作用的研究方向”(Realizing ideal Weyl cones in cold atom systems is thus an extremely valuable objective and will provide an angle of attack that is complementary to solid-state systems.)在该研究工作的基础上，研究团队将进一步开展外尔半金属中更奇特的现象和物理过程的探索。本工作的技术方案也可以推广到费米子体系，开展强关联拓扑物理的研究。该成果有望极大推动量子模拟领域的发展。

二氧化钒(VO2)是一种典型的强关联材料。在温度约为340K时，VO2会经历从绝缘性单斜相(M1-VO2)到金属性金红石相(R-VO2)的一级相变过程。强关联材料中电荷、晶格、轨道和自旋等自由度强烈地耦合在一起，这使得VO2绝缘体-金属相变存在多种相变机制。超快激光脉冲通过激发固体材料的价电子可以快速改变原子的势能面，因此激光辐射已经成为一种诱导强关联材料相变的有效途径，比如激光辐射可以使M1-VO2在500fs内发生非热的结构相变。但是实验上通常很难直接同时观测结构相变和绝缘体-金属相变中的超快原子和电子动力学，因此对于VO2的超快结构相变和绝缘体-金属相变的相变机制，以及两种相变能否脱耦仍然存在巨大争议。近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理国家重点实验室研究人员利用自主开发的激发态动力学模拟软件TDAP，研究了激光诱导M1-VO2到R-VO2的超快结构相变和绝缘体-金属相变，揭示了超快尺度上的非平衡相变机制。激发态动力学模拟可以追踪光诱导VO2结构相变和绝缘体-金属相变的超快过程，直接证明飞秒尺度上两种相变的解耦合行为。在这种动力学过程中，激光将M1-VO2 d||带上的价电子激发到导带上，d||带上产生的空穴可以引起V-V对的扩张和V-V-V扭转角的增加，从而驱动M1-VO2到R-VO2的结构相变(图1、图2)。计算模拟得到的结构相变速率与激发强度的依赖关系，与超快实验数据符合得很好。基于杂化密度泛函的激发态动力学模拟证明了在M1-VO2构型下可以出现等同结构的绝缘体-金属相变(图3)。M1-VO2中的空穴会引起间隙能级在带隙中的填充，从而引起带隙的消失。更高强度的光激发可以引起d||带的明显上移。模拟得到的结构相变和绝缘体-金属相变的激发阈值基本上是相同的，而结构相变和电子相变存在着数百飞秒的时间延迟，这导致了金属型M1-VO2瞬态和等同结构电子相变的出现(图4)。该工作揭示了VO2超快结构相变和绝缘体-金属相变过程中不同的超快机制，澄清了以往对于VO2是否存在等同原子结构的电子相变的争议，并提供了研究强关联材料非平衡动力学的新方法。相关成果近期发表在Science Advances上。研究工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金委和中科院的资助。图1 VO2原子结构图和光激发电子跃迁过程。(A)低温绝缘型M1-VO2和(B)高温金属型R-VO2的原子结构图。钒原子和氧原子分别以绿色和橙色显示。(C)脉冲电场强度E0为0.20 V/的800nm激光脉冲，以及其激发M1-VO2中的光生空穴密度随时间的演变。(D)光激发有效空穴密度与激光脉冲电场强度E0的关系。图2 光激发M1-VO2到R-VO2相变原子动力学。(A)不同激发强度下V-V长键和V-V短键平均长度的时间演变。(B)不同激发强度下平均V-V-V扭曲角的时间演化。(C)0.64 e/f.u激发强度下的差分电荷密度图。黄色区域对应于电子增加，青色区域对应于电子减少。(D)光激发结构相变时间常数与实验数据的比较。图3 光激发M1-VO2的电子动力学。(A)不同激发强度下M1-VO2的电子态密度。(B)杂化泛函非绝热模拟中电子激发量的演化。在E0=0.14 V/ 下t= 20 fs(C)和t = 40 fs(D)时的电子占据和态密度。图4 光诱导M1-VO2超快相变示意图。初始的绝缘相M1-VO2(t = -100 fs)在t = 0 fs时被激光脉冲激发。光激发诱导M1-VO2发生等同原子结构的绝缘体-金属相变(10 fs内)，而结构相变在100至300 fs的时间尺度内发生。

图1 液态金属基微点阵力学超材料( https://doi.org/10.1002/smll.202070252)1991年上映的科幻电影《终结者2》描绘了一个能够随意变形，可自我修复的液态金属机器人T-1000，展现了液态金属应用的无限可能。电影中液态金属机器人是邪恶的化身，在实际应用中，液态金属却大有裨益，特别是在小尺度一些精密的应用上，如神经纤维修复和微型机器人。然而直接暴露的液态金属不易操作，且容易腐蚀其他金属，应用不当会带来不良后果，有鉴于此，香港城市大学“纳米制造实验室”的科研团队正在尝试在微观尺度上“驾驭”液态金属，使得其为未来精密应用，特别是金属力学超材料带来更多新的可能。目前的金属微点阵力学超材料具有超轻、高比强度等特性，在无人机机翼、小微型电子器械等器件上具有很好的应用前景。但是，目前这类力学超材料的韧性较差，且在服役过程中容易脆断失效。为了提高韧性，香港城市大学机械工程学系陆洋教授领导的研究团队开发了液态金属-聚合物微点阵力学超材料。该材料不仅有良好的韧性，而且充分利用低温度范围下液态金属的特性，实现了类似科幻电影中复杂形态液态金属的自我修复功能。该项研究成果发表在国际知名期刊《Small》（https://doi.org/10.1002/smll.202004190）。该团队基于摩方精密（BMF）超高精度光固化3D打印机nanoArch S140打印出中空的聚合物外框，壁厚100-300 μm。采用真空液体填充技术在聚合物薄壳中注入液态金属镓（Ga），首次制备了液态金属-聚合物核壳结构的微点阵力学超材料。该材料具有以下特点：良好的断裂韧性图2液态金属-高分子点阵力学超材料良好的断裂韧性良好的断裂韧性。相比于实心或空心高分子点阵结构，液态金属-高分子点阵力学超材料避免了受压过程中的脆断失效现象。这是由于Ga的存在，阻碍了裂纹在高分子外壳中的扩展，使得该结构在裂纹出现后依然可以承受载荷。形状记忆效应图3 液态金属-高分子点阵力学超材料良好的形状记忆效应 形状记忆效应。得益于Ga较低的固液转变温度（29.7℃），当Ga为固态时，能够完美的保持变形后形状；Ga融化后，该结构又能完美的恢复至原始形貌，表现出形状记忆效应。当采用合理的拓扑结构，该材料被大幅压缩20%后，依然能够完美的恢复。优异的断裂恢复性 图4 液态金属-高分子力学超材料优异的断裂恢复能力 优异的断裂恢复性。即使部分断裂后的液态金属基微点阵结构超材料依然能够基本恢复原始形状，并且能够保持一定的承载性能(≥50%初始强度)。部分断裂的高分子外壳在Ga融化后恢复至原始状态，驱动整体结构恢复至原始形状。综上所述，被3D打印包裹“驾驭”的液态金属核心表现出良好的韧性、形状记忆效应及优异的断裂恢复能力。这种新型的液态金属基微点阵力学超材料有望在生物医疗器械、微电子器件及微型机器人等应用获得巨大的潜力，甚至实现一些以往在《终结者》或者《变形金刚》等科幻电影里才能看到的前沿应用场景。

图1 液态金属基微点阵力学超材料( https://doi.org/10.1002/smll.202070252)1991年上映的科幻电影《终结者2》描绘了一个能够随意变形，可自我修复的液态金属机器人T-1000，展现了液态金属应用的无限可能。电影中液态金属机器人是邪恶的化身，在实际应用中，液态金属却大有裨益，特别是在小尺度一些精密的应用上，如神经纤维修复和微型机器人。然而直接暴露的液态金属不易操作，且容易腐蚀其他金属，应用不当会带来不良后果，有鉴于此，香港城市大学“纳米制造实验室”的科研团队正在尝试在微观尺度上“驾驭”液态金属，使得其为未来精密应用，特别是金属力学超材料带来更多新的可能。目前的金属微点阵力学超材料具有超轻、高比强度等特性，在无人机机翼、小微型电子器械等器件上具有很好的应用前景。但是，目前这类力学超材料的韧性较差，且在服役过程中容易脆断失效。为了提高韧性，香港城市大学机械工程学系陆洋教授领导的研究团队开发了液态金属-聚合物微点阵力学超材料。该材料不仅有良好的韧性，而且充分利用低温度范围下液态金属的特性，实现了类似科幻电影中复杂形态液态金属的自我修复功能。该项研究成果发表在国际知名期刊《Small》（https://doi.org/10.1002/smll.202004190）。该团队基于摩方精密（BMF）超高精度光固化3D打印机nanoArch S140打印出中空的聚合物外框，壁厚100-300 μm。采用真空液体填充技术在聚合物薄壳中注入液态金属镓（Ga），首次制备了液态金属-聚合物核壳结构的微点阵力学超材料。该材料具有以下特点：良好的断裂韧性图2 液态金属-高分子点阵力学超材料良好的断裂韧性良好的断裂韧性。相比于实心或空心高分子点阵结构，液态金属-高分子点阵力学超材料避免了受压过程中的脆断失效现象。这是由于Ga的存在，阻碍了裂纹在高分子外壳中的扩展，使得该结构在裂纹出现后依然可以承受载荷。形状记忆效应图3 液态金属-高分子点阵力学超材料良好的形状记忆效应 形状记忆效应。得益于Ga较低的固液转变温度（29.7℃），当Ga为固态时，能够完美的保持变形后形状；Ga融化后，该结构又能完美的恢复至原始形貌，表现出形状记忆效应。当采用合理的拓扑结构，该材料被大幅压缩20%后，依然能够完美的恢复。优异的断裂恢复性 图4 液态金属-高分子力学超材料优异的断裂恢复能力优异的断裂恢复性。即使部分断裂后的液态金属基微点阵结构超材料依然能够基本恢复原始形状，并且能够保持一定的承载性能(≥50%初始强度)。部分断裂的高分子外壳在Ga融化后恢复至原始状态，驱动整体结构恢复至原始形状。综上所述，被3D打印包裹“驾驭”的液态金属核心表现出良好的韧性、形状记忆效应及优异的断裂恢复能力。这种新型的液态金属基微点阵力学超材料有望在生物医疗器械、微电子器件及微型机器人等应用获得巨大的潜力，甚至实现一些以往在《终结者》或者《变形金刚》等科幻电影里才能看到的前沿应用场景。

2021年12中旬，瑞士Exaddon AG公司与重庆摩方精密科技有限公司（以下简称“摩方精密”）正式签署了战略合作协议，摩方精密将为Exaddon AG在中国区的微纳金属3D打印设备提供服务和推广。 重庆摩方精密科技有限公司于2016年成立，6年来一直致力于微纳3D打印领域的技术创新和应用转化，有着专业的团队和成熟的技术，以及丰富的微纳3D打印行业资源，得到客户的广泛认可。目前，摩方精密已拥有来自全球29个国家近850家合作客户。作为微纳3D打印的龙头企业，摩方精密主营业务是基于光固化的树脂及陶瓷浆料的打印设备，而在多年的经营中发现越来越多客户提出了更多更高的需求，例如需要更加精密的金属打印能力。因此，为了更好的服务更多的中国用户，摩方精密基于6年来的经验积累，在众多金属打印设备中选择了Exaddon AG的CERES，该系统是Exaddon AG公司基于电化学沉积（Electrochemical Deposition）技术推出的微纳金属3D打印机，可以打印超高精密金属器件，该系统非常适用于生物传感、高频通讯器件、微流控、传热和微机械等领域的创新研究，也有望在工业功能性器件的生产制备中发挥巨大潜力。 CERES 3D打印系统 “摩方精密是我们在微纳3D打印这个独特领域的一个非常理想的合作伙伴，摩方精密在亚太的微纳树脂及陶瓷浆料打印市场有着特别丰富的经验和积累，他们有着非常强大的市场销售团队及优质客户群体，现在与我们微纳金属3D打印相结合，相信未来可以更好地拓展微纳3D打印的市场！”Exaddon AG公司CEO Edgar Hepp说道。关于Exaddon AG瑞士Exaddon AG公司，致力于提供高精度和创新的微纳金属3D打印解决方案，力求在创新的前沿，基于电化学沉积技术的金属微增材制造技术，CERES可以在室温下以亚微米级分辨率打印复杂的微金属结构，尺寸从1 μm到1000 μm（人类的头发一般为80～90微米），并且无需进行后处理。 关于摩方精密重庆摩方精密科技有限公司（BMF，Boston Micro Fabrication）成立于2016年，专注于高精密3D打印领域，是全球高精密3D打印技术及精密加工能力解决方案提供商。目前，摩方在新加坡、波士顿、深圳、东京和重庆均设有办事处，拥有来自全球29个国家近850家合作客户。有关BMF的更多信息，请访问www.bmftec.cn网站。

【科学背景】氮化镓（GaN）是一种重要的半导体材料，其在蓝光发光二极管等领域的广泛应用使得其成为了研究的热点。然而，尽管镁（Mg）掺杂对于实现p型GaN的成功合成至关重要，但GaN和Mg之间的相互作用细节仍然是未知的。这导致了在利用GaN进行掺杂和构建半导体器件时存在诸多挑战，尤其是关于提高载流子迁移率的问题。为了应对这一挑战，日本名古屋大学（Nagoya University）Jia Wang，Hiroshi Amano等研究者提出了一种全新的方法：通过在大气压下对镁薄膜和GaN进行退火，实现了单原子镁片自发插入到GaN中，形成了二维Mg插层GaN超晶格结构。这一方法为实现高弹性应变的GaN提供了可能，从而改变了其电子能带结构，极大地增强了其载流子传输性能。此外，这项研究还揭示了插层Mg对GaN极性的独特调控效应，为半导体掺杂和材料工程领域带来了新的思路和方向。【科学亮点】（1）本研究首次观察到在大气压下退火镁薄膜在GaN上的情况下，形成了Mg插层GaN超晶格结构，这标志着二维金属插层到体块半导体的首次实例。这一现象被称为2D-Mg掺杂。（2）通过高角度暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）成像技术，作者逐步放大的图像揭示了Mg插层GaN超晶格结构的复杂细节。每个连续的Mg插层片具有数十纳米的直径，并且每对Mg插层之间观察到5-10层GaN。进一步的原子分辨集成差分相位对比（iDPC）-STEM成像证实了插层片由单原子层组成，而能量色散X射线光谱（EDS）和元素分布图证实了这一单层完全由Mg组成。（3）此外，插层Mg（Mgi）到原子片中的分离不会破坏六角形GaN的原始晶格对称性。具体地，每个Mg原子被六个N原子包围，占据八面体间隙位，形成了ABCAB注册，而相邻的GaN层则遵循ABAB堆叠序列。这一结构的形成导致了在插层层之间垂直方向上的实质性单轴压应变，超过了薄膜材料中记录的最高值之一。【科学图文】图1：Mg插层的GaN超晶格。图2. 2D-Mgi插层片诱导的极性转变。图3. 在间隙插层的GaN超晶格MiGs纳米结构中，高单轴压缩应变。图 4：n型和p型GaN上，GaN超晶格MiGs电学性质。【科学启迪】本研究揭示了一种全新的现象，即在大气压下，通过在漏磁性氮化镓（GaN）表面退火镁（Mg）薄膜，自发形成了Mg插层GaN超晶格结构。这一发现开辟了一条新途径，可以将二维金属插层到体块半导体中，从而为材料科学和纳米技术领域提供了全新的研究方向。此外，通过对Mg插层GaN超晶格结构的详细表征，作者发现了这种结构具有极高的单轴压应变，超过了薄膜材料中记录的最高值之一。这为弹性应变工程提供了新的可能性，有望在半导体器件设计和制造中发挥重要作用。、另外，Mg插层还导致了GaN极性的周期性转变，并产生了极化场诱导的净电荷，这为半导体掺杂和导电性增强提供了新的思路。原文详情：Wang, J., Cai, W., Lu, W. et al. Observation of 2D-magnesium-intercalated gallium nitride superlattices. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07513-x

镁是最轻的金属结构材料，在航空航天、交通运输，电子产品和医疗等领域具有广阔的应用前景。然而，相比于传统金属材料，如钢铁和铝合金，镁的塑性变形加工较困难，工艺成本高，制约了其广泛应用。微观机制是决定宏观性能的内在因素，因此，研发高塑性镁合金需要精准认知其微观塑性变形机制，相关研究也一直是镁合金领域关注的重点和热点。众所周知，金属材料在塑性变形时一般会发生加工硬化现象，即随着变形量的增加，材料内部缺陷和损伤逐步累积，流变应力不断增加。当硬化到一定程度时，材料将不具备继续塑性变形的能力，最终发生断裂。对于金属镁而言，其沿晶体学轴压缩时加工硬化十分明显，塑性变形量一般仅在5%-10%左右。针对镁的塑性变形行为和内在机制，西安交通大学单智伟教授团队近年来开展了系统深入研究。研究发现，对于亚微米尺寸的镁单晶，当沿轴压缩时，首先发生由锥面位错滑移主导的塑性变形（详见Liu et al. Science, 365 (6448), 73-75, 2019）。令人意想不到的是，随着加工硬化的不断加剧，原本认为塑性已消耗殆尽的样品并没有断裂失效。当流变应力升高到1 GPa水平时，样品突然被压为扁平状，且没有裂纹产生。此外，被压扁的样品已不再是单晶，而是由多个具有共轴取向关系的小晶粒组成，小晶粒内部有大量的基面和非基面位错。图1 亚微米镁单晶柱在轴压缩下的变形过程。(a)初始样品；(b) 位错的形成和运动；(c) 在样品右下角形成的新晶粒（白色箭头）；(d) 新晶粒中产生位错（白色箭头）；(e)样品被压为扁平状；(f) 在扁平样品上采集的电子衍射。(g)应力-应变曲线显示出变形的三个阶段：弹性变形、塑性变形-加工硬化阶段、塑性变形-应变突跳阶段。通过系统的晶体学分析、显微学分析、原子尺度表征，并结合分子动力学模拟，该团队提出新晶粒是通过锥面-基面转变形成的。在新晶粒形成后，原本已消耗殆尽的塑性得到了再生，继续加载时样品仍可持续发生很大的塑性变形。该研究将这种由变形诱导的在基体晶粒中形成新晶粒的过程称为“deformation graining（形变转晶）”。该过程不必依赖扩散，可在室温下快速发生，所形成的新晶粒与基体晶粒具有特定的晶体学取向对应关系。在新形成的晶粒中，可以继续发生由位错和孪生协调的塑性变形，使得样品重新具有了塑性变形能力（可比拟为“返老还童”）。该研究丰富了对塑性变形机制的认识，为镁的变形加工提供了新的启发：在高应力或高应变速率下加工，可由高应力引发新的变形机制，进而提高镁的变形加工能力。图2 新晶粒在加载时长大，卸载时缩小，二次加载时再次长大，反映了晶界的高可动性图3 新晶粒及其晶界结构该成果以"金属镁塑性变形能力再生新机制"(Rejuvenation of plasticity via deformation graining in magnesium)为题发表于《自然通讯》(Nature Communications)，西安交通大学刘博宇教授为本论文的第一作者，西安交通大学单智伟教授为第一通讯作者，合肥工业大学张真教授为共同第一作者和通讯作者，西安交通大学马恩教授和美国麻省理工学院李巨教授为共同通讯作者。参与该工作的还包括西安交通大学博士研究生刘飞和杨楠、内华达大学李斌教授、吉林大学陈鹏教授、中国科学技术大学王宇教授和江苏科技大学彭金华博士。西安交通大学金属强度国家重点实验室为第一通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金委、111计划2.0、西安交大青年拔尖人才计划等项目的资助。近年来，单智伟研究团队依托西安交通大学材料学院、金属材料强度国家重点实验室、西安交通大学微纳中心和陕西省镁基新材料工程研究中心，开展了一系列富有成效的基础研究、技术攻关和成果转化。2014年，发现了镁中不同于位错和孪晶的室温变形新机制，成果发表于《自然通讯》，并荣获美国TMS学会镁分会年度最佳基础研究论文奖；系统研究了镁合金中析出相形貌对孪晶行为的影响，并进而发展了一种判断镁合金强塑性的简单判据，成果发表于《材料科学技术》（封面推荐，2018）；发现通过活化二氧化碳，可以在室温下将镁表面的氧化层或腐蚀产物转变成一种致密的保护膜层，不仅可显著提升镁及其合金的抗腐蚀性和强韧性，而且大幅提高镁的抗氧化能力，从而发明了一种绿色、低成本镁合金涂层新技术，成果发表于《自然通讯》（2018），并获得国家发明专利授权；应用基于原位电镜的先进测试与表征技术，结合原子尺度成像和三维图像重构技术，揭示了镁中锥面位错的结构特征和滑移行为，首次实验证明其是镁中有效的塑性载体，指出通过促进锥面位错滑移（可通过提高应力和减小晶粒尺寸来实现）可以有效提高镁的塑性，成果发表于《科学》（2019）。针对原镁冶炼工艺落后、自动化程度低和环境污染严重的现状，提出并验证了原本需要在真空条件下进行的原镁冶炼可以在常压进行，并与华西能源公司联合攻关，开展了原镁常压生产的工业化装置的开发。针对原镁杂质元素种类多、含量高、波动大的痼疾，从原子机理出发，开发出全新的工艺流程，可在不显著增加成本的情况下，从料球直接生产出99.99%以上纯度的高纯镁，革新了此前领域内普遍认为皮江法（硅热还原法）不能直接生产高纯原镁的认知。上述成果的推广和应用，有望从整体上提升镁基产品的质量和性能。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28688-9

以碳纤维增强树脂基(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)为代表的先进复合材料，具有高比强度和比刚度、良好的耐疲劳和耐腐蚀、易于大面积成型等优点，正越来越广泛地代替金属材料用作航空/天飞行器主承力构件。受制造工艺复杂、服役环境严苛影响，CFRP容易产生材料退化，甚至分层、纤维褶皱、孔洞等缺陷，威胁结构服役安全。超声无损检测技术是实现制造质量控制和服役性能评估的有效手段，但却面临材料形状复杂、多层结构、弹性各向异性因素共同作用所致超声传播行为复杂的挑战。现有超声检测技术主要是面向声学特性较为简单的各向同性均质材料，直接沿用至CFRP结构时不可避免地存在超声信号混叠、信噪比低、成像质量差等问题。针对以上难题，中国科学院深圳先进技术研究院郭师峰研究员团队开展了系列创新性研究工作，为航空/天复合材料结构无损检测与评估提供了理论和技术支撑，包括：(1)提出了利用相控阵超声和完全非接触激光超声原位测量超声群速度分布的新方法，解决了各向异性复合材料力学性能原位、高精度测量难题，为材料强度及其退化程度定量评估提供技术支撑；(2)建立了定量描述复杂形状、多层结构、弹性各向异性对CFRP声学特性影响规律的理论模型，为复杂超声传播行为理论分析和超声成像算法研究提供可靠的模型基础；(3)提出了基于计算机科学最短路径搜索算法的声线示踪新方法，解决了高分辨率超声成像算法聚焦法则高精度计算难题，大幅提升缺陷检测灵敏度和定位/量精度。上述研究工作为航空/天复合材料结构无损检测与评估提供了理论和技术支撑。2024年9月11-12日，仪器信息网组织召开第三届无损检测技术进展与应用网络会议，邀请领域内科研、应用等专家老师围绕无损检测理论研究、技术开发、仪器研制、相关应用等方面展开研讨。期间，郭师峰研究员团队中的曹欢庆副研究员将作大会报告《多层各向异性复杂型面航空/天复合材料结构相控阵超声成像检测》，介绍上述研究工作。本次会议于线上同步直播，欢迎材料、机械、工程、无损检测等相关科研工作者、工程技术人员、科技企业人士等报名，参会交流！关于第三届无损检测技术进展与应用网络会议无损检测，即在不破坏或不影响被检测对象内部组织与使用性能的前提下，利用射线、超声、电磁、红外、热成像等原理并结合仪器对物体进行缺陷、化学、物理参数检测的一种技术手段，被广泛应用于航空航天、交通运输、石油化工、特种设备、矿山机械、核电、冶金、考古、食品等各个领域。为推动我国无损检测技术发展和行业交流，促进新理论、新方法、新技术的推广与应用，仪器信息网定于2024年9月11-12日组织召开第三届无损检测技术进展与应用网络会议，邀请领域内科研、应用等专家老师围绕无损检测理论研究、技术开发、仪器研制、相关应用等方面展开研讨，欢迎大家参会交流。会议链接：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/ndt2024

15日，记者从中国科学技术大学获悉，该校曾长淦教授、李林副研究员研究团队与北京量子信息科学研究院解宏毅副研究员等合作，通过构筑石墨烯与氧化物界面超导体系的复合结构，揭示了二维半金属和二维超导体之间由于量子涨落诱导的巨幅超流拖拽效应。相关成果日前在线发表于《自然物理》。对于两个空间相近但彼此绝缘的导电层构成的电双层结构，在其中一层（主动层）施加驱动电流，层间载流子之间的耦合会在另一层（被动层）中诱导产生一个开路电压或闭路电流，即产生层间拖拽效应。基于二维电子气之间的拖拽效应，可以探索准粒子的层间长程相互作用，发现如激子超流体等新颖层间关联量子态。由于较强的介电屏蔽效应，拖拽电流耦合比远远小于1。而将其中一层或两层替换成超导材料，将有望产生耦合比显著增强的超流拖拽效应。研究团队构筑了石墨烯与氧化物异质界面组成的二维半金属—超导体电双层结构，并对其层间拖拽行为进行了系统研究。他们发现，在氧化物界面超导转变区间，石墨烯层中施加驱动电流可以在氧化物界面诱导出巨幅拖拽电流，且强度可以通过栅压/外磁场等进行有效调控。特别是在界面超导最优掺杂附近，拖拽电流耦合比达到0.3，即所产生的拖拽电流大小与驱动电流相当。与此前传统普通金属/超导金属体系相比，耦合比提高了两个量级以上。这一结果揭示了宏观量子涨落对于层间准粒子相互作用的显著调制。在应用层面，基于该复合结构将有望制备新型电流或电压高效转换器件，包括超导二极管等量子器件，将推动具有丰富量子物相的更广泛二维电子体系的拖拽效应研究，并发现更多基于层间长程耦合的新颖量子多体效应。