松山湖材料实验室

松山湖材料实验室坐落于粤港澳大湾区重要节点城市东莞,于2017年12月22日启动建设,2018年4月完成注册,是广东省第一批省实验室之一,参与大湾区综合性国家科学中心先行启动区(松山湖科学城)建设的重要科研平台。实验室布局有前沿科学研究、公共技术平台和大科学装置、创新样板工厂、粤港澳交叉科学中心四大核心板块,致力探索“前沿基础研究→应用基础研究→产业技术研究→产业转化”的全链条创新模式。总体规划1 200亩,首期计划投资经费超过50亿元,目标定位为建成有国际影响力的新材料研发南方基地、国家物质科学研究的重要组成部分、粤港澳交叉开放的新窗口。

聚天下英才 构建国家战略科技力量——专访松山湖材料实验室常务副主任陈东敏

2017年12月,为进一步加强广东省基础与应用基础研究,全面支撑科技创新强省和粤港澳大湾区国际科技创新中心建设,广东省正式启动省实验室建设,对标国际最优最好最先进水平,打造国家实验室"预备队"。作为首批启动建设的4家省实验室之一,松山湖材料实验室(以下简称"实验室")于2018年4月成立。实验室战略性布局前沿科学研究、公共技术平台和大科学装置、创新样板工厂、粤港澳交叉科学中心四大核心板块,并努力打造"前沿基础研究-应用基础研究-产业技术研究-产业转化"的全链条研究模式。经过三年的创新发展,实验室产出了一系列重大原创性成果,培育出一批材料科学及相关领域的科技领军人才,有力推动了粤港澳大湾区成为国家重要创新引擎,逐渐成为具有国际影响力的创新战略高地。近日,本刊记者专门电话连线了实验室常务副主任陈东敏教授,就实验室近3年来的创新发展成效进行了专访。

“双碳”背景下新能源材料技术发展策略——以松山湖材料实验室为例

降低对于化石燃料的依赖,从源头节能减排是早日实现“双碳”目标的根本路径之一,变革性能源材料技术将为“双碳”目标的实现提供强有力的战略性支撑。发展太阳能—储能电池供电体系和交通能源电动化,让煤、石油和天然气从燃料回归到材料,松山湖材料实验室正在为此而努力。该实验室新能源材料与器件研发中心按照从应用基础研究到产业转化的全链条创新模式进行研发,文章重点选取了实验室高效晶硅太阳能电池、锂离子电池材料、柔性及锌基电池3个团队的工作予以介绍。为了打通成果转化的“最后一公里”,各团队3年多来建立了研究和中试线,把相关核心关键材料和器件转化成产品,通过创新工场模式与产业界密切合作。建议统筹规划,稳定支持实验室研发,以及打造研发中心—创新工场—产业园区集群式发展模式。

泡沫填充负泊松比蜂窝夹层结构的抗爆性能数值模拟

为研究爆炸荷载作用下泡沫填充负泊松比蜂窝夹层结构(Foam-filled Auxetic Honeycomb Sandwich Structure,FAHSS)的动态响应及其对混凝土板的防护性能,利用有限元软件,考虑应变率对材料动态本构特性的影响,建立FAHSS在爆炸荷载下的有限元数值模型。通过已有负泊松比蜂窝夹层结构(Auxetic Honeycomb Sandwich Structure,AHSS)的爆炸试验对数值模型进行验证,基于验证模型分析爆炸荷载作用下FAHSS的损伤破坏规律、能量吸收特性及其对混凝土板的应力分布影响,并与AHSS和FSS(Foam Sandwich Structure)进行对比。在此基础上综合考虑聚氨酯泡沫材料密度、爆炸比例距离及填充材料等因素对FAHSS抗爆性能的影响。研究结果表明:FAHSS中的泡沫填充降低了负泊松比蜂窝夹层结构的破坏程度;随着聚氨酯泡沫材料密度的增加,FAHSS中的泡沫材料吸收能量增加;随着比例距离的增加,FAHSS的破坏程度逐渐降低,破坏形态也由局部破坏转变为整体破坏。

Ti和Nb微合金化对CuZr基相变增韧非晶复合材料组织性能的影响

以典型B2相增韧非晶复合材料形成合金Zr_(48)Cu_(48)Al_(4)为基础,分别研究了Ti、Nb微合金化添加对其凝固组织和性能的影响规律。研究发现,与基础合金相比,微合金化显著改变了B2相的组织形貌(包括大小、数量、形状),其中Ti微合金化降低了B2晶体相的形核能力,提高了非晶和非晶复合材料的形成能力;而Nb微合金化则提高了B2相的稳定性,并大幅提高了非晶相与B2相的硬度以及非晶复合材料的强度和压缩塑性(分别达到了1470 MPa和21.5%)。本研究为非晶复合材料的成分设计与制备提供了实验依据,对开发高性能相变增韧非晶复合材料具有参考价值。

基于拓扑/二维量子材料的自旋电子器件

拓扑材料和二维材料等新型量子材料,为自旋电子器件的研究与发展提供了新契机.这些量子材料不但有助于提高电荷-自旋转换效率及提供高质量异质结界面,从而改善器件表现,更由于它们丰富的相互作用和耦合关系,能提供新奇物理现象和新的物性调控机制,在自旋电子器件方面具有潜在的应用价值.拓扑材料和二维材料,尤其是层状拓扑材料、二维磁性材料以及它们组成的异质结的相关研究,取得了丰硕的成果,兼顾了启发性与及时的实用性.本文将综述这些新型量子材料的近期研究成果:首先重点介绍拓扑材料在自旋轨道力矩器件中实现的突破;其次着重总结二维磁性材料的特性及其在自旋电子器件中的应用;最后将进一步讨论由拓扑材料/二维磁性材料组成的全范德瓦耳斯异质结的研究进展.

量子材料中基于空间自相位调制的激光诱导电子相干性

空间自相位调制是一种三阶非线性光学效应,又称光学克尔效应。空间自相位调制的物理机制为激光诱导的非局域电子相干性,是一种集体激发行为,非线性光学响应,演生现象。物质中电子在光场的驱动下以光学频率运动,获得由外场决定的相位,分离区域之间保持固定的由光场决定的相位差,从而演生出非局域电子相干性,其衍射光的平行光分量在远场形成一系列同心嵌套的圆锥形发射,在远场屏上形成干涉环,此即空间自相位调制。基于激光诱导在量子材料中产生电子相干性,可以实现全光开关,具有“以弱光控制强光”的特性,功能类似于光子学中的“三极管”。本文简要综述空间自相位调制的物理机理研究及其在全光开关领域的应用前景,重点梳理空间自相位调制在新阶段的发展以及微观物理机制。

硬X射线光电子能谱在半导体材料和器件中的应用

与常规X射线光电子能谱(XPS,能量E<2 keV))相比,硬X射线光电子能谱(HAXPES)由于采用较高能量的X射线(E>2 keV),具有更大的探测深度,已经成为研究复杂材料体系的体性质,以及多层薄膜结构和纳米复合结构界面性质的重要分析工具。简要论述了HAXPES的主要特点及其发展现状,重点介绍其在半导体材料和器件研究中的典型应用,包含亚表面性质、极性判定、异质结能带结构、掺杂原子空间位置信息、器件层中界面态、介质层厚度评估等方面。随着硬X射线光源技术的不断发展,HAXPES的性能将进一步提高,其应用范围也会快速拓展,这将极大地促进功能材料的发展和应用。

提高铝合金及铝基复合材料导电性方法的研究进展

铝合金及复合材料因密度低、导电性好,被认为是替代铜导线的首选材料。本文分析了材料内部组织缺陷、固溶元素种类、微观组织结构对铝合金及复合材料导电性能的影响,在此基础上综述了硼化处理、调整Mg/Si比、添加稀土元素、热处理、变形处理等提升铝合金导电性能的方法,以及导电铝基复合材料的固态、液态及选区激光熔化等制备工艺的发展现状。分析了各方法的优缺点和适用条件,并对铝合金线材未来的研究方向进行了总结展望。

基元构筑的功能材料皮米尺度结构

功能材料的结构设计与性能调控是材料科学与凝聚态物理领域的前沿热点问题,功能基元的人工序构成为近年来提升材料功能特性、探索新奇物理现象的新范式.准确理解功能基元构筑的新材料宏观物性的起源要求精确地表征功能基元的结构、形态和分布,明晰功能基元之间耦合效应.具有皮米测量精度的像差校正透射电子显微镜是解析低对称性材料和复杂化学体系材料原子结构、化学组成和电子组态的重要工具,为实现高精度、多维度表征功能基元及其空间的构筑方式、建立构-效关系提供了新途径.本文通过选取不同尺度下的代表性功能基元,论述了皮米尺度下功能基元的本征特性与空间排布,及其与宏观物性之间的关联,突出了像差校正透射电子显微学的突破和发展,为理解基元构筑的功能材料功能性起源提供了坚实的基础.

316LN不锈钢/Inconel 718高温合金异种材料激光焊接工艺研究

对5 mm厚的316LN不锈钢和Inconel718高温合金异种材料板材进行正弦扫描路径和无扫描路径的激光焊接试验,研究了焊接工艺参数对焊缝质量的影响,并对激光焊接头的显微组织、显微硬度及拉伸性能进行了研究。结果表明,无扫描激光焊比正弦路径的扫描焊更易实现稳定焊接,获得成形质量良好的焊缝。正弦扫描激光焊接头的焊缝下部有大量气孔,无扫描激光焊接接头无气孔缺陷。随焊接速度的增大,无扫描激光焊接头的表面成形越来越好。焊接速度为1.8 m/min时,焊缝上下表面熔宽变窄,不存在咬边、飞溅等缺陷;焊缝区为垂直于熔合线并向焊缝中心生长的柱状树枝晶等组织且焊缝中有M23C6型碳化物析出,提高了焊缝强度。焊接接头的显微硬度由Inconel718母材到焊缝再到316LN母材呈现逐步降低趋势。焊接接头的断裂位置均位于远离焊缝的316LN母材,室温下抗拉强度可达到650 MPa且接头断裂方式为韧性断裂。

英国散裂中子源工程材料原位加载衍射实验高温样品环境优化设计

英国散裂中子源(ISIS)在工程材料中子衍射领域有着十余年丰富的研究经验,最为典型的衍射谱仪之一的Engin-X在材料、加工等方向有着广泛应用,包括残余应力分布测量、金属相变分析、微观力学研究等.Engin-X通过设置红外加热型高温炉配套材料试验机的样品环境以实现中子衍射原位高温力学实验,目前原位实验中高温炉最高设计温度可达1100℃.通过优化高温炉反射罩形状、布局、反射涂层,以及合理设置反射挡板等措施(例如采用一种椭圆-圆组合形状的反射罩),可实现更优的光线聚焦效果.模拟计算得知样品的能量吸收可提高109%以上,最终高温可达1400℃.相关研究有望拓展Engin-X中子衍射技术在材料研究领域的应用,同时也为中国散裂中子源(CSNS)工程材料衍射谱仪样品环境设计提供借鉴经验.

大量程高韧导电硅橡胶复合材料压力传感器的研制

基于纳米导电橡胶的压阻效应,使用基体材料硅橡胶、纳米超导电用炭黑、真丝纤维织物、叉指电极、缓冲高分子材料及封装模具,采用密炼、开炼、固化、封装等工艺制备了导电硅橡胶复合材料压力传感器,通过优化导电填料在硅橡胶基体中的含量制得了具有最佳压阻特性的导电硅橡胶复合材料,最后探究了封装压力传感器在桥梁支座模型上的应用性能。结果表明,当纳米超导电用炭黑BeaBlack CT-5质量分数为6.11%时,导电硅橡胶复合材料达到渗透阈值点,其压阻特性最佳;将真丝纤维织物植入导电硅橡胶所得的导电传感复合材料再与柔性叉指状单层电极进行结合并封装处理,可制备量程增大、探测灵敏、韧性增强的压力传感器;该压力传感器压力信号与电信号具有良好的线性关系,可以实现0~40 MPa范围内的压力探测;此外该压力传感器在桥梁支座模型测试中的测试值与理论值高度吻合。

在轨制造现状及金属材料在轨制造方法研究

在轨制造技术在深空探测领域有广泛的应用前景,是各航天大国竞相发展的先进技术。目前,非金属材料的在轨制造已经实现,而金属材料在轨制造仍面临很多困难。文章介绍了国内外在轨制造技术的发展现状,着重介绍欧洲和美国金属材料在轨制造的技术路径,分析了发展金属材料在轨制造技术面临的困境和难点。针对这些难点,提出利用非晶合金材料的热塑性加工特性来实现金属材料在轨制造技术的突破,对有望应用于在轨制造的基于非晶合金的制造技术进行介绍,并对其未来发展方向进行探讨,以期为金属材料在轨制造技术的发展提供参考。

双锥对撞点火实验中的交叉束能量转移与背向受激布里渊散射

在直接驱动激光聚变研究中,激光辐照靶丸会激励起受激布里渊散射(SBS)和交叉束能量传递(CBET)等过程,降低激光与靶丸的能量耦合效率以及激光辐照均匀性,导致靶丸内爆品质下降.本文使用一套基于光纤收集信号的背向散射诊断系统,诊断了双锥对撞点火(DCI)实验中波长在351 nm附近的时间分辨背向散射光谱.通过对比不同激光辐照条件下散射光谱的特征,结合光谱强度与入射激光能量以及激光偏振态的相关性分析,确认背向散射信号中包含了分别来自CBET和背向SBS过程的散射成分,确认镜像激光束之间的偏振夹角对CBET的影响.实验结果表明,在当前DCI实验中,在351 nm附近的背向反射率不高于3%,显著低于球对称辐照直接驱动中心点火方案的实验结果.

低温脉动热管冷却超导磁体实验研究

为了研究低温脉动热管(PHP)冷却超导磁体的可行性,搭建了以液氦脉动热管为传热部件的GM制冷机传导型冷却超导磁体模型的实验装置,采用该装置实验研究了48通道液氦PHP的冷却性能和传热性能。该液氦PHP由内径为0.5 mm的不锈钢毛细管制成,其蒸发段、绝热段、冷凝段的长度分别为50 mm、100 mm、50 mm。实验结果表明,液氦PHP可将超导磁体模型从常温冷却至6 K,用时约95个小时,冷却过程中观察到液氦PHP超临界脉动和近临界强化换热现象。在充液率为38%时,液氦PHP最大可传递1.5 W热量,有效导热系数在2000—9200 W/(m·K)之间。而该液氦PHP在充液率为70%时未能正常启动。

材料学新刊发展战略研究——以《材料展望》(英文)为例

以筹备创办的材料学科技新刊《材料展望》(英文)为例,运用SWOT战略管理工具详细分析了其发展机遇、威胁以及内部优势、劣势,构建了SWOT矩阵,包括SO战略、WO战略、ST战略、WT战略。基于SWOT矩阵分析,选择SO发展战略,并对应提出了高质量、国际化和差异化竞争的发展战略举措。

月球资源开发利用的进展与展望

中国探月工程“绕、落、回”三步走圆满收官,后续将建立国际月球科研站,并进一步规划建立月球基地。月球探测任务由探测勘察进入到开发利用新阶段,月面资源的勘查、开发和利用是未来月球探测的重点任务。总结了月球资源开发利用方面的国内外重要进展,涉及月球资源勘探、水冰等挥发分分析、月球矿物冶炼与材料制备、月面建造与月壤3D打印等四个方面。同时,月球资源开发利用面临极端月面环境、独特月壤理化特性、全流程无人自主控制等重大挑战,为解决这些问题,提出了未来月球资源开发利用的重点任务和研究思路,可为后续科学研究和工程任务实施提供参考。

AlN和BN纳米颗粒含量对IR3环氧树脂黏度及复合材料力学性能的影响

利用溶液共混法制备不同质量分数(0,3.2%,11.2%)BN、AlN纳米颗粒改性IR3环氧树脂(EN/EP,AlN/EP)复合材料,研究了纳米颗粒含量对树脂黏度和复合材料力学性能的影响。结果表明:添加BN和AlN纳米颗粒使树脂黏度增加了5%~10%;BN/EP和AlN/EP复合材料的拉伸强度较纯环氧树脂提高了10%~25%,随BN、AlN含量的增加而增大;AlN/EP复合材料的剪切强度提高了40%~60%,随AlN含量的增加而增大,但BN/EP复合材料的剪切强度随BN含量增加几乎不变;当纳米颗粒质量分数为11.2%时,环氧树脂黏度适中,复合材料的力学性能最好。

基于SWOT分析材料学新刊发展战略研究——以《材料展望》(英文)创刊实践为例

以筹备创办材料学科技新刊《材料展望》(英文)为例,利用SWOT战略管理工具详细分析期刊的发展机遇、面临威胁以及自身的优劣势,并给出期刊的发展策略。《材料展望》应立足国内,面向世界,聚焦材料交叉应用,充分利用自身的资源优势和科技期刊出版转型的机遇,坚持国际化和差异化发展,快速提升期刊的国际影响力,打造高端材料学期刊。研究具有系统性和全面性,通过解决具体的发展战略制定和路径选择问题,为其他类似机构发展科技期刊提供启示和参考。