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北科大攜手清華、浙大！發(fā)表兩篇重磅《Nature》子刊！高熵合金彈性應(yīng)變誘導(dǎo)非晶化

2024-07-01 15:32:50 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

近日

我校新金屬材料國家重點實驗室

合金設(shè)計與模擬梯隊

呂昭平、吳淵教授團(tuán)隊

與浙江大學(xué)合作者的研究成果

在《Nature Communications》上發(fā)表

材料科學(xué)與工程學(xué)院

無機(jī)非金屬結(jié)構(gòu)材料梯隊

李妍教授團(tuán)隊

與清華大學(xué)合作者的研究成果

也在《Nature Communications》上發(fā)表

祝賀老師們！

PART1

呂昭平、吳淵教授團(tuán)隊研究成果介紹

彈性穩(wěn)定性是晶體固體對外部刺激的結(jié)構(gòu)響應(yīng)的基礎(chǔ)，包括熔化、初期塑性和斷裂。這項工作中，我校呂昭平課題組與浙江大學(xué)聯(lián)合提出，利用原位力學(xué)測試和透射電子顯微鏡的原子分辨率表征，研究一系列高熵合金（HEAs）的彈性穩(wěn)定性。在拉伸載荷作用下，當(dāng)彈性應(yīng)變達(dá)到~10%時，HEA晶格的有序性突然消失。這種彈性應(yīng)變誘導(dǎo)的非晶化，與先前報道的位錯介導(dǎo)的彈性不穩(wěn)定和缺陷積累介導(dǎo)的非晶化形成對比。結(jié)合第一性原理計算和原子分辨率化學(xué)映射，發(fā)現(xiàn)彈性應(yīng)變誘導(dǎo)的非晶化與HEAs的局部原子環(huán)境不均勻性導(dǎo)致的位錯成核抑制密切相關(guān)。本項研究結(jié)果詮釋了彈性不穩(wěn)定性和初期塑性等物理力學(xué)現(xiàn)象的基本性質(zhì)。

TiHfZrNb試樣的彈性應(yīng)變誘導(dǎo)非晶化

主元素數(shù)不同的樣品，應(yīng)變致晶格演化

本研究揭示了在約10%的彈性應(yīng)變下，高熵合金晶格會經(jīng)歷非晶化轉(zhuǎn)變。這種非晶化過程與傳統(tǒng)的位錯介導(dǎo)的塑性變形不同，為高熵合金的力學(xué)行為提供了新視角。研究還發(fā)現(xiàn)，合金中主要元素的數(shù)量是觸發(fā)非晶化的關(guān)鍵因素，且合金的局部原子環(huán)境不均勻性是抑制位錯形核的主要原因。這些發(fā)現(xiàn)不僅增進(jìn)了對高熵合金彈性不穩(wěn)定性的理解，也為設(shè)計新型高性能合金材料提供了新思路。

HEAs中的局部不均勻性

三元TiZrNb合金，原子尺度元素分布分析

呂昭平、吳淵教授介紹

呂昭平，教授，博士生導(dǎo)師，國家自然基金委創(chuàng)新群體負(fù)責(zé)人，國家重大人才工程入選者。長期從事金屬結(jié)構(gòu)材料研究，在材料設(shè)計、組織調(diào)控和強(qiáng)韌化原理上取得了重要進(jìn)展。發(fā)展了共格強(qiáng)有序微結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌化、有序無序耦合效應(yīng)強(qiáng)韌化金屬材料及組織結(jié)構(gòu)調(diào)控的理論和方法，研發(fā)出系列高強(qiáng)韌的高性能金屬結(jié)構(gòu)材料。在《Nature》、《Science》等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文300余篇，總引用33000余次，授權(quán)中國發(fā)明專利60余件；做國際學(xué)術(shù)大會主旨和特邀報告70余次，承辦/協(xié)辦國際會議30余次。獲國家自然科學(xué)二等獎2項、教育部自然科學(xué)一等獎和二等獎各1項。一項成果入選2017年中國科學(xué)十大進(jìn)展。

吳淵，教授，博士生導(dǎo)師，國家重大人才工程入選者。主要從事非晶合金、高熵合金，先進(jìn)金屬材料的納米析出與相變韌塑化及其原子級精細(xì)結(jié)構(gòu)表征相關(guān)研究。在Nature，Advanced Materials等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文200余篇，SCI他引9000余次，授權(quán)專利30余項。

PART2

李妍教授團(tuán)隊研究成果介紹

清潔、可再生能量的收集與轉(zhuǎn)化是能源發(fā)展的重要方向，利用濕氣發(fā)電技術(shù)可實現(xiàn)清潔能源的高效利用，然而如何將電能進(jìn)行收集和存儲是濕氣發(fā)電技術(shù)目前研究和發(fā)展的關(guān)鍵。在這項工作中，基于聚電解質(zhì)材料吸附水分后的自發(fā)離子擴(kuò)散和石墨烯的雙電層儲能機(jī)制，開發(fā)了一種自發(fā)獲取、轉(zhuǎn)化并存儲能源的一體化器件，實現(xiàn)了大氣環(huán)境中120小時超長濕氣誘發(fā)電容儲能，為新型便攜式電子設(shè)備提供了高功率輸出，并兼具柔性和長壽命的清潔能源驅(qū)動裝置。

（a）三個器件集成于手表腕帶中，作為電源驅(qū)動電子手表的照片

（b）濕氣發(fā)電儲能一體化器件工作過程示意圖

（c）器件在不同外加電阻下的輸出功率

（d）器件的長時間電壓穩(wěn)定性

（e）集成器件為商用溫濕度計供電并通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)

主要研究結(jié)論包括：

（1）基于濕氣誘導(dǎo)聚電解質(zhì)離子擴(kuò)散產(chǎn)生電勢的現(xiàn)象，和多孔石墨烯的雙電層儲能能力，開發(fā)了濕氣驅(qū)動的發(fā)電和儲能一體化柔性器件。該器件在自發(fā)收集環(huán)境中的水分后產(chǎn)生電能，并將電能存儲在器件內(nèi)部；

（2）在環(huán)境濕度為90%RH時，聚電解質(zhì)產(chǎn)生了0.9V的電壓輸出，能有效抑制石墨烯儲能器件的自放電效應(yīng)，120h后器件的電壓保持率高于96.6%；

（3）在電流密度為10μA/cm²時，器件表現(xiàn)出138.3mF/cm²的高面積比電容。同時，由于發(fā)電和儲能的協(xié)同效應(yīng)，其功率輸出達(dá)到了49.4 μW/cm²，超越了單一的發(fā)電或儲能組件；

（4）該器件表現(xiàn)出了優(yōu)異的機(jī)械柔韌性，在180°彎曲1000次循環(huán)下電壓保持率接近~100%；

（5）采用激光直寫和絲網(wǎng)印刷等工藝實現(xiàn)了大規(guī)模的器件集成，72個串聯(lián)組成的柔性器件陣列在空氣中輸出電壓可達(dá)60V，能直接為可穿戴設(shè)備和傳感器供電。

上述研究和發(fā)現(xiàn)提出了一種新型的自發(fā)電與儲能一體化器件開發(fā)策略，為自發(fā)獲取清潔能源開發(fā)功能器件領(lǐng)域注入了活力。

李妍教授介紹

李妍，教授，博士生導(dǎo)師，無機(jī)非金屬材料系教師黨支部書記。曾獲全國無機(jī)非金屬材料專業(yè)青年教師講課比賽一等獎，“北京市優(yōu)秀人才”項目，入選英國皇家化學(xué)會物理化學(xué)類TOP1%高被引中國作者。長期從事新型低維納米材料的綠色制備、結(jié)構(gòu)與表界面調(diào)控、發(fā)光與儲能等性能研究工作。作為項目負(fù)責(zé)人承擔(dān)多項國家級、省部級和企業(yè)委托項目。以第一作者或通訊作者在Nature Communications、Advanced Materials、ACS Energy Letters等國內(nèi)外期刊上發(fā)表論文40余篇，一篇論文入選“中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文”。

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