異構(gòu)層狀材料的案例
西南交大《IJP》：異構(gòu)層狀材料微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能關(guān)聯(lián)的本構(gòu)建模分析
異構(gòu)層狀材料中相鄰層在成分、厚度、晶粒尺寸、晶體結(jié)構(gòu)、晶體取向等方面均可調(diào)可控，因此微結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有巨大的空間。與傳統(tǒng)均勻金屬材料相比，異構(gòu)層狀金屬材料可將各組元材料的優(yōu)勢協(xié)同發(fā)揮，兼具輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌、熱穩(wěn)定、抗輻照、耐磨損和抗疲勞等性能，引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，并有望作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)于汽車工業(yè)、航空航天和核防護(hù)等領(lǐng)域。
由于具備典型的層狀結(jié)構(gòu)，界面主導(dǎo)的變形機(jī)制和力學(xué)響應(yīng)是異構(gòu)層狀材料研究的重中之重。近年來，針對異構(gòu)層狀材料的制備、表征以及單拉和疲勞性能測試已經(jīng)有豐富的研究成果報(bào)道，然而，層狀材料的本構(gòu)模型研究還相當(dāng)匱乏，材料中的多尺度界面（晶界、層間界面）對宏觀力學(xué)性能的定量影響不清楚，導(dǎo)致材料微結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能缺乏定量關(guān)聯(lián)，限制了材料進(jìn)一步的性能優(yōu)化。
針對上述問題，西南交通大學(xué)“材料本構(gòu)關(guān)系和疲勞斷裂”研究團(tuán)隊(duì)“多尺度材料力學(xué)”研究組張旭教授（https://faculty.swjtu.edu.cn/xu_zhang/）與中國工程物理研究院總體工程研究所趙建鋒助理研究員、德國埃爾朗根紐倫堡大學(xué)的MichaelZaiser教授、西南交通大學(xué)康國政教授、四川大學(xué)黃崇湘教授等合作，考慮層狀材料中晶界和層間界面引入的非均勻變形，基于位錯(cuò)塞積理論引入不同層級的界面對位錯(cuò)的阻礙效果（如圖1所示），導(dǎo)出了幾何必需位錯(cuò)密度和背應(yīng)力演化模型，最終建立了關(guān)聯(lián)層狀材料的微結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)響應(yīng)的本構(gòu)模型，并對層狀Cu/Cu10Zn材料進(jìn)行了模擬。
圖1.層狀材料中晶界和層間界面處位錯(cuò)塞積示意圖
所建立的本構(gòu)模型可以很好地描述不同晶粒尺寸的均勻晶粒材料以及不同層厚的層狀材料的單軸拉伸響應(yīng)，如圖2所示。
圖2.
展開 ：層狀結(jié)構(gòu)在Ti-Al金屬層狀復(fù)合材料塑性改善中的作用
【引言】
高強(qiáng)度和高塑性對于金屬結(jié)構(gòu)材料是至關(guān)重要的，但它們通常是倒置的。材料的組織很大程度上決定了材料具有的性能，研究人員發(fā)現(xiàn)，可以通過改善材料中的微觀結(jié)構(gòu)和分布實(shí)現(xiàn)對材料的增強(qiáng)和增韌，如層狀金屬復(fù)合材料（LMC）。目前，已有許多變形機(jī)制能夠很好解釋LMC塑性變形行為，但是層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對整個(gè)變形過程的影響并不清楚。層狀結(jié)構(gòu)對于LMC變形過程的局域應(yīng)變（應(yīng)力）的演化行為研究尚不系統(tǒng)，然而，這對實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的強(qiáng)韌化調(diào)控是關(guān)鍵性的。本文將從局域應(yīng)變研究入手，通過中子衍射測量LMC拉伸下的晶格應(yīng)變，并引入X射線斷層掃描及數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）直接觀測局域應(yīng)變及裂紋分布，構(gòu)建局域應(yīng)變（應(yīng)力）分布與層狀結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)規(guī)律。
【成果簡介】
近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)耿林教授、范國華副教授（通訊作者）及共同指導(dǎo)的博士生黃猛等與大連理工大學(xué)、上海光源、哈爾濱理工大學(xué)、德國赫姆霍茲研究中心、魯汶大學(xué)等單位合作在Acta Materialia上發(fā)表題為“Role of layered structure in ductility improvement of layered Ti-Al metal composite”的文章。研究團(tuán)隊(duì)通過中子衍射，X射線斷層掃描及數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）等原位手段表征了在拉伸變形過程中LMC的應(yīng)力/應(yīng)變狀態(tài)和斷裂行為，深刻地解釋了層狀結(jié)構(gòu)對LMC變形行為的影響：層狀結(jié)構(gòu)改變了其形變過程中的應(yīng)力狀態(tài)，使得LMC形變可明顯分為三個(gè)階段：彈性階段、彈塑性階段以及塑性階段。此外，在LMC形變過程中，層狀結(jié)構(gòu)對其微觀組織，局域應(yīng)變分布以及斷裂行為存在明顯的影響，使得LMC能克服強(qiáng)度—塑性的倒置關(guān)系，進(jìn)而達(dá)到良好的性能兼容性。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1.LMC的微觀組織及取向分析
a. Ti-Al層狀金屬復(fù)合材料的掃描電鏡圖。
b.沿法線方向的反極圖。
展開 在層狀雙鈣鈦礦材料中預(yù)測新型的p型透明導(dǎo)電材料
清華大學(xué)材料學(xué)院博士生徐健為論文第一作者。
【圖文導(dǎo)讀】
圖一：優(yōu)異的空穴型透明導(dǎo)電材料的篩選標(biāo)準(zhǔn)
（a）Cs4M2+B3+2XVII12層狀雙鈣鈦礦化合物的晶體結(jié)構(gòu)；（b）化學(xué)元素演化方法示意圖；（c）優(yōu)異的空穴型透明導(dǎo)電材料的篩選標(biāo)準(zhǔn)。
圖二：優(yōu)異的空穴型透明導(dǎo)電材料的篩選過程
在54種潛在的層狀雙鈣鈦礦化合物Cs4M2+B3+2XVII12 (M2+=Mg2+/Ca2+/Sr2+/Zn2+/Cd2+/Sn2+, B3+=Sb3+/In3+/Bi3+; XVII=Cl-/Br-/I-) 中篩選優(yōu)異的空穴型透明導(dǎo)電材料。確定了嚴(yán)苛的五級篩選標(biāo)準(zhǔn)：鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性（第一級），熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性（第二級），擁有足夠大的帶隙并確保光學(xué)透明性（第三級），輕空穴有效質(zhì)量（第四級），本征優(yōu)良的空穴型透明導(dǎo)電性質(zhì)（第五級）。黑色對號(hào)代表通過此級篩選，紅色叉號(hào)代表沒有通過此級篩選。
圖三：鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱力學(xué)穩(wěn)定性的篩選
（a）鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的篩選。灰色區(qū)域代表鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)性穩(wěn)定區(qū)域。（b）層狀鈣鈦礦化合物的分解焓。
展開 npj: 2D碳基Dirac材料的設(shè)計(jì)—基于sp-sp2碳層狀材料的原子模擬
來自韓國建國大學(xué)的Hoonkyung Lee領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用原子模擬進(jìn)行了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)搜索和幾何優(yōu)化，以探索和設(shè)計(jì)能夠容納量子自旋霍爾相的原子級層狀碳材料（2D材料）。從二維sp2-sp2雜化網(wǎng)絡(luò)開始，原子模擬提供了31個(gè)碳層，這些碳層都具有各種類型無質(zhì)量的狄拉克錐，同時(shí)包括各向同性或各向異性的狄拉克錐，以及共存的具有不同各向異性的不對稱狄拉克錐。此外，他們還發(fā)現(xiàn)了21個(gè)沒有自旋軌道耦合的狄拉克費(fèi)米子系統(tǒng)，其中的19個(gè)有可能成為量子自旋霍爾絕緣體，卻具有相當(dāng)大的自旋軌道耦合。這些結(jié)果表明利用第一性原理可以預(yù)測各種無質(zhì)量狄拉克錐的碳基系統(tǒng)，同時(shí)也為揭示二維材料中實(shí)現(xiàn)狄拉克錐提供了可行路線。
該文近期發(fā)表于npj Computational Materials 4: 54 (2018)，英文標(biāo)題與摘要如下，點(diǎn)擊左下角“閱讀原文”可以自由獲取論文PDF。
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【科普系列】金屬與陶瓷“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”---金屬陶瓷層狀復(fù)合材料
圖1 貝殼微觀結(jié)構(gòu)形貌及疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)簡圖 (a) 珍珠層截面形貌；(b) 表面納米有機(jī)蛋白顆粒；(c)，(d) 珍珠層俯視形貌；(e)珍珠層結(jié)構(gòu)簡圖
金屬陶瓷層狀復(fù)合材料(laminated metal/ceramics composites，LMCCs)正是在這種契機(jī)下應(yīng)運(yùn)而生，并在其誕生之后迅速成為復(fù)合材料研究領(lǐng)域的熱門課題之一。金屬陶瓷層狀復(fù)合材料是由至少一種金屬以片層形式與陶瓷交替排列而成，是將擁有不同化學(xué)、物理性能的兩種或多種材料按照不同的層間距、層厚比以及疊層數(shù)相互疊層制備的新型材料，通常是由基體材料和增強(qiáng)體復(fù)合制備而成，圖2是通過粉末冶金法制備金屬陶瓷層狀復(fù)合材料的工藝流程。微疊層復(fù)合材料中的強(qiáng)性層一般選用較高強(qiáng)度和彈性模量的結(jié)構(gòu)陶瓷，該層主要起強(qiáng)化的作用，當(dāng)受外界載荷時(shí)能保證材料具有較高的強(qiáng)度。陶瓷層通常選用SiC、Si3N4、Al2O3、ZrO2等材料。韌性層一般選用金屬或有機(jī)物質(zhì)等韌性好的材料，保證材料具有良好的韌性。常見的韌性層材料有Ti、Ni、Fe等金屬材料，非金屬的石墨以及高分子材料的樹脂等。微疊層復(fù)合材料每個(gè)疊層的厚度通常要求為0.01~100 μm，而其性能是由每一個(gè)組分特性、體積分?jǐn)?shù)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、層間距和各組分之間的互溶度共同決定的。由于材料結(jié)構(gòu)的特殊性，金屬陶瓷層狀復(fù)合材料可以改善材料的斷裂韌度、疲勞性能、抗沖擊性能、抗磨損性能、抗腐蝕性能和阻尼性能等。
圖2 粉末冶金制備金屬陶瓷層狀復(fù)合材料工藝流程
最常見的金屬陶瓷層狀復(fù)合材料主要包括Ti基、Ni基、Al基、Mg基、Fe基、Cr基、耐熱金屬基、金屬間化物基等，其中以Al基、Ti基、Ni基復(fù)合材料發(fā)展較為成熟。
展開 中科院金屬所Nature Materials：高性能柔性層狀結(jié)構(gòu)的熱電材料
該設(shè)計(jì)想法與制造方法可以應(yīng)用于一系列層狀結(jié)構(gòu)的熱電材料，包括Bi2Te3、Bi2Se3和Sb2Te3等，而且n型和p型熱電材料也可以用這種方法制備。這種高性能柔性熱電材料將在柔性電子和能量轉(zhuǎn)換方面展現(xiàn)出極大的吸引力，該工作為將層狀結(jié)構(gòu)的無機(jī)材料與一維SWCNT相結(jié)合，從而設(shè)計(jì)和制備高性能柔性熱電材料和實(shí)際應(yīng)用開辟了一條新的路徑。
文獻(xiàn)連接：Flexible layer-structured Bi2Te3 thermoelectric on a carbon nanotube scaffold（Nature Materials, 2018, DOI: 10.1038/s41563-018-0217-z）
展開 熱電領(lǐng)域著名的Hicks-Dresselhaus理論預(yù)言首次在二維層狀材料中得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)
該文章從載流子濃度、溫度以及不同厚度等多個(gè)自由度出發(fā)，實(shí)驗(yàn)研究了二維層狀材料γ-InSe的熱電運(yùn)輸性質(zhì)，并結(jié)合理論計(jì)算，揭示了在薄層樣品中，量子限域效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致在導(dǎo)帶邊出現(xiàn)更尖銳的態(tài)密度，進(jìn)而增強(qiáng)其熱電功率因子。最重要的是，該研究首次在二維層狀材料中通過實(shí)驗(yàn)確定了當(dāng)量子限域長度在小于熱德布羅意波長時(shí)，熱電功率因子顯著增強(qiáng)的臨界條件，最終證實(shí)了Hicks-Dresselhaus理論的預(yù)言。該研究結(jié)果為優(yōu)化功率因子和改善二維層狀半導(dǎo)體的熱電性能提供了重要且通用的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1 InSe的晶體結(jié)構(gòu)，熱電測試的器件結(jié)構(gòu)
（a）InSe的晶體結(jié)構(gòu)圖
（b）7– 29 nm厚度下的InSe拉曼譜
（c）熱電測試結(jié)構(gòu)的示意圖
（d）熱電器件的光學(xué)顯微鏡圖。
圖2 InSe的電學(xué)和熱電輸運(yùn)特性
（a）不同溫度下的場效應(yīng)轉(zhuǎn)移曲線
（b）不同溫度下的四端法電阻隨背電壓變化曲線，插圖為隨溫度變化的場效應(yīng)遷移率
（c）不同溫度下10nm厚的Seebeck系數(shù)隨載流子濃度變化曲線
（d）常溫下，7– 29 nm InSe的Seebeck系數(shù)隨載流子濃度變化曲線。
圖3 薄層樣品中增強(qiáng)的量子限域效應(yīng)
（a）9層和36層的InSe能帶圖
（b）9層和36層的InSe態(tài)密度分布
（c）垂直面內(nèi)方向的導(dǎo)帶最低點(diǎn)狀態(tài)的平面平均波函數(shù)幅度。
（d）9層和36層的電荷密度圖對比。
展開 重慶大學(xué)《JMST》：累積疊軋層狀鋁合金復(fù)合材料的彎曲斷裂行為！
，包括纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料和層狀復(fù)合材料(LMCs)。
《Adv Mater》液態(tài)金屬合成超薄層狀材料！用于高性能光電探測器
通過演示在280至850 nm波長范圍內(nèi)工作的寬帶光電探測器，可以闡明原子薄層SnS的非常吸引人的材料特性。與最先進(jìn)的商用光電探測器相比，寬帶光電探測器獲得的品質(zhì)指標(biāo)顯示出超過三個(gè)數(shù)量級的響應(yīng)度。即使在如此低的厚度下，原子薄SnS層的穩(wěn)定性也是一個(gè)明顯的優(yōu)勢。
因此，本工作為大面積合成代表性材料的超薄層提出了一條新途徑，而該超薄層通常無法使用常規(guī)方法以原子層面的尺度進(jìn)行合成。這也為發(fā)現(xiàn)可能存在于其他層狀材料的量子極限處的獨(dú)特性質(zhì)打開了新途徑。（文：SSC）
電子科大鄭永豪/王東升課題組CEJ：基于給體-受體斯坦豪斯加合物（DASAs）的超快光致變色固體材料及異構(gòu)化調(diào)控策略
作為環(huán)境刺激響應(yīng)材料的重要組成一員，光敏感材料的諸多關(guān)鍵性質(zhì)在外界光照作用下能夠發(fā)生可控且往復(fù)的變化，包括光學(xué)性質(zhì)（顏色、折射率、透射率）、力學(xué)性質(zhì)（模量、硬度、粘彈性）、電學(xué)性質(zhì)（導(dǎo)電性、介電性）等。相比于其它環(huán)境刺激源來說，例如溫度、pH、電場、光照、磁場、氣體、水等，光作為刺激源其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一，光照在時(shí)間與空間上精確可控；其二，光照可不接觸材料進(jìn)行控制。于是，光敏感材料在生物醫(yī)藥、癌癥治療、芯片制造、信息存儲(chǔ)、航空航天、保密防偽、制版印刷、微流控技術(shù)等領(lǐng)域都擁有巨大的吸引力。
光敏感材料性質(zhì)可控的機(jī)理來源于分子的光致異構(gòu)化。然而，光敏感分子在異構(gòu)化過程中往往伴隨著顯著的結(jié)構(gòu)變化，這導(dǎo)致絕大多數(shù)的光敏感分子雖然在溶液體系中可以顯示出快速高效的異構(gòu)化行為，但在固體狀態(tài)下的異構(gòu)化卻受到抑制。這無疑限制了光敏感材料的發(fā)展與應(yīng)用：一方面，受到抑制的異構(gòu)化過程要求更強(qiáng)的光照強(qiáng)度或更長的光照時(shí)間，不利于快速響應(yīng)需求；另一方面，光照強(qiáng)度與時(shí)間的增加有可能造成光敏感分子的分解，不利于材料的可靠持續(xù)使用。于是，獲得在固體狀態(tài)下仍可快速高效響應(yīng)的光敏感材料是推動(dòng)該領(lǐng)域發(fā)展需要解決的關(guān)鍵問題。
近日，來自電子科技大學(xué)的鄭永豪/王東升課題組基于給體-受體斯坦豪斯加合物（DASAs），通過金屬-有機(jī)框架（MOFs）材料納米空間的負(fù)載，制備了超快速高效光致變色固體粉末材料，并報(bào)道了MOFs的納米空間微環(huán)境對DASAs光致異構(gòu)化性質(zhì)的作用機(jī)理。
圖1.
展開 浙江師范大學(xué)＆香港理工大學(xué)Nature子刊: 冷熱交替條件下二維層狀材料室溫?zé)後尨呋a(chǎn)氫
【引言】
由于對稱性破缺，許多二維層狀材料能表現(xiàn)出塊體材料所不具備的壓電或熱釋電效應(yīng)，因此，二維材料已經(jīng)成為當(dāng)前最有價(jià)值的研究領(lǐng)域之一。二維層狀材料如黑磷、金屬硫化物是繼石墨烯之后的熱門的二維半導(dǎo)體材料，它們具備獨(dú)特的各向異性光電特性和電學(xué)特性，被應(yīng)用在場效應(yīng)晶體管、光電元件、氣體傳感器以及太陽能電池等多個(gè)方面。氫能被視為未來的理想清潔能源。目前國際上對于光催化制氫研究較多。除了清潔的太陽光能，冷熱變換熱能也是自然界很豐富的能源之一。目前有關(guān)于利用冷熱變換能來分解水制氫的研究報(bào)道較少。
【成果簡介】
近日，浙江師范大學(xué)的賈艷敏教授、武崢教授和香港理工大學(xué)的黃海濤教授（共同通訊作者）等人通過液相剝離法制備二維層狀材料，并創(chuàng)新性地利用二維少層晶體材料的對稱性破缺，實(shí)現(xiàn)了利用室溫冷熱變換驅(qū)動(dòng)水分解制備清潔可再生氫能。在室溫條件下，通過在冷熱循環(huán)交替的環(huán)境中對其產(chǎn)氫性能及其對染料分子的降解性能進(jìn)行研究。在冷熱循環(huán)下，在經(jīng)過24次熱循環(huán)后，產(chǎn)氫量達(dá)到540 μmol g-1。并且在5次熱循環(huán)后，對5 mg L?1的羅丹明B（RhB）染料溶液降解率可達(dá)到99 %。
此研究成果以“Room-temperature pyro-catalytic hydrogen generation of 2D few-layer black phosphorene under cold-hot alternation”為題發(fā)表在Nat. Commun.上。
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