本文精选铝基复合材料、钛合金复合材料等前沿研究方向，带您一览该领域的最新进展：

原位TiC颗粒增强铝基复合材料因其显著的机械和热性能，如高刚度、高强度、良好的耐磨性和热稳定性而更具工程前景，并广泛应用于航空航天和汽车等领域。本研究深入分析TiC和Al2O3增强颗粒对原位TiC·Al2O3颗粒增强6063铝基复合材料在含氯离子环境中腐蚀特性的影响[1]。表面Volta电位测试结果表明，TiC颗粒、AlMgSiCu相和AlSiFe相在腐蚀过程中可以作为阴极诱导铝基体的溶解。为了验证和比较复合材料中不同相的腐蚀性能，研究人员通过MedeA VASP模块计算了每个相位的低指数平面的表面能及氯离子在各相表面的吸附能。理论计算证实：相较于TiC颗粒和AlMgSiCu相的表面，Cl-更容易吸附在AlFeSi相的表面。Cl-和AlFeSi相之间的强吸附能将破坏周围基体上的氧化膜，并导致AlSiFe相周围的点蚀萌生。综上，TiC和Al2O3颗粒的加入降低了复合材料的耐腐蚀性。

图1 （a）晶界的SEM和EDS结果；（b）复合材料晶界的Volta电位图和Volta电位曲线

图2  AlFeSi（110）表面上Cl-的吸附结构

表1 AlFeSi (110)表面不同位点的Cl-吸附能

TiC与TiN因其具有高硬度、高熔点、抗腐蚀与磨损性能，在涂层领域备受关注。然而TiC的脆性与TiN相对低的硬度限制了其应用。则具备TiC与TiN两者的优点，表现出优异的涂层性能，被认为是富有潜力的涂层或切削材料。本研究筛选了不同碳氢比的材料，得到了二元相图，并预测了这些基态结构的热力学稳定性、高温稳定性、硬度等[2]。研究人员采用MedeA UNCLE预测不同碳碳含量的TiCXN1-X结构，得到9个稳定结构；之后用MedeA Phonon分析它们的声子色散曲线，从图中可知没有负频率的声子，说明预测的九个结构在高温下是稳定的。MedeA VASP结合MT模块计算三元TiCXN1-X结构力学及热力学性质，三元TiCXN1-X结构的维氏硬度随N/C比值的降低而增加；当N/C比值处于1/1~1/5的范围时，硬度达到较高值；三元TiCXN1-X结构的膨胀系数则低于TiN或者TiC，且对N/C比值不敏感。本研究从材料合成的角度，采用高通量计算筛选了具有更高力学性能的涂层材料，为实验合成指明方向，提供依据，缩短材料开发流程，对新型复合材料开发具有重大意义。

图1  碳含量变化时TiCXN1-X的基态相图

图2 基态相图中9个稳定结构的声子色散曲线

图3 不同N/C下，三元结构TiCXN1-X的维氏硬度

立方碳化硅（β-SiC）因其高熔点、低密度、高硬度及热稳定性和耐磨性等优异特性而备受关注，广泛应用于金属基复合材料（MMC）、陶瓷基复合材料（CMC）和晶体管材料中。由于原位制备的SiC晶体来自于Al熔体，不可避免地会形成Al掺杂的SiC晶体。本研究重点分析了铝掺杂SiC的化学键与力学性能之间的构效关系[3]。

研究人员采用液固多相反应方法，在Al-20Si-5C合金中原位合成了Al掺杂β-SiC颗粒，实验测试发现：较低Al掺杂水平SiCp的复合材料布氏硬度值较高且表现出优异的耐磨性。MedeA VASP计算发现SiC中Al掺杂量的增加，在(011)面上的原子排布发生了明显的变化，各原子层间形成Al-C离子键增加，与Al结合的碳原子周围的电子云密度降低，从而降低掺杂型SiC的硬度；MedeA Phonon证实3个Al原子掺杂的SiC保持结构稳定；MedeA MT进一步证实较高的Al掺杂量降低了SiC的杨氏模量和维氏硬度。综上，研究人员通过实验测试结合理论计算分析建立了掺杂SiC的化学键与力学性能之间的构效关系。这项工作为铝基复合材料力学性能的调控开辟了新的视角和策略。

图1 经过优化的未掺杂及掺杂1-3个Al原子的SiC晶体结构

图2（a）SiC无Al掺杂；（b）3个Al原子掺杂SiC的声子色散曲线

表1 DFT 计算的Al掺杂型SiC的维氏硬度和杨氏模量

热处理过程析出的硬质ω相（密排六方结构）会导致β-Ti合金性能恶化，限制合金的使用。一般大家会采用合金化或热处理方式消除ω相。本文另辟蹊径，采用高通量计算筛选了β相稳定化元素从而抑制ω相的生成[4]。

研究人员采用MedeA UNCLE模块预测不同合金元素与含量的Ti-X结构，Ti-W，Ti-Mo与Ti-Nb形成能为负说明这些结构在热力学上是稳定的；MedeA TSS计算β→ω相变发现，随着合金元素浓度增加，β→ω转变能垒升高，说明该转变会被强烈抑制；W与Mo的抑制效率高于V，Ta与Nb；MedeA MT计算证实所有元素都能降低ω相的杨氏模量；MedeA VASP计算DOS进一步证实，当β相中Mo与Nb浓度低时，费米能级处的态密度较高表明β相不太稳定，随Mo或Nb浓度增加，体系稳定性增加。当ω相中Mo与Nb浓度低时，费米能级与赝能隙相近，说明体系呈共价键并具有较高的稳定性。实验验证与计算预测相符。此研究完成了从材料改性的计算预测，到实验验证，为材料改性提供了新的思路，对高性能复合材料研发具有路径指导意义。

图1 不同合金元素含量时的基态相图(a)Ti-W，(b)Ti-Mo，(c)Ti-V，(d)Ti-Ta，(e)Ti-Nb

图2 不同合金元素含量时的β→ω相变能垒

图3 Ti-X的总态密度

金属在水环境中的腐蚀是生活中常见的化学现象。水氧化金属产生氢气，氢气进入固体，使得机械性能严重退化，并影响腐蚀速率。腐蚀机理的研究对于合金材料的应用至关重要。本文采用量子力学结合分子动力学不同尺度计算研究了水锆合金腐蚀过程中的氢吸附[5]。

研究人员采用MedeA LAMMPS模拟表明，水分子能在直径约为1 nm的纳米管中扩散，而氢分子可在直径大于0.5 nm左右的纳米管中扩散；MedeA VASP结合TSS模块计算了水分子与氧化物表面的化学反应过程，当一个水分子与纳米孔壁上的一个氧空位反应时，空位位置被水分子的氧原子占据，另外两个氢原子在相邻位置结合形成H2分子，随后氢气在氧化锆表面解离，同时伴随大量放热。本研究结合实验和理论计算探究了氧化锆在水环境中的腐蚀机理，为金属材料的耐腐蚀性能研究提供理论依据。

图1 水分子和氢气分子在氧化锆纳米孔中的扩散过程

图2 水分子与纳米孔壁上的氧空位发生反应

Refractory high entropy alloys（RHEAs）是一种新型金属合金，与传统金属合金相比，RHEAs由合金化难熔元素组成。RHEAs具有非过敏性、无毒和耐磨性等特点，在生物医药领域具有巨大应用潜力。本文通过DFT方法研究了两种RHEAS合金：HfNbTaTiZr及Hf0.5Nb0.5Ta0.5Ti1.5Zr晶体结构、力学性质及热力学性质[6]。研究人员通过MedeA SQS创建了bcc相两种RHEAS结构；MedeA VASP优化两种RHEAS结构，晶格参数值与实验值一致；MedeA MT模块分析两种RHEAS结构力学及热力学性质：HfNbTaTiZr及Hf0.5Nb0.5Ta0.5Ti1.5Zr晶体结构机械稳定；Hf0.5Nb0.5Ta0.5Ti1.5Zr具有较低的弹性模量，泊松比略高，表面其具有更好的塑性性能，是一种潜在的骨植入合金。Hf0.5Nb0.5Ta0.5Ti1.5Zr的德拜温度（θD）和热膨胀系数（αL）都高于HfNbTaTiZr，说明它具有更好的热力学性能。综上，Hf0.5Nb0.5Ta0.5Ti1.5Zr具有较低的杨氏模块、高塑性和更好的热力学性能，是生物医学应用材料中潜在候选者。

图1 HfNbTaTiZr及Hf0.5Nb0.5Ta0.5Ti1.5Zr晶胞结构

图2 两种RHEAs热膨胀系数

[2] Yijie chen, Canhui Xu, Shuanglin Xu. et al. J. Phys.: Condens. Matter 33 (2021) 155701

[3] Xiaofan Du, Zhao Qian, Xiangfa Liu. Results in Physics 43 (2022) 106094

[4] Salloom, R., Mantri, S.A., Banerjee, R. et al. Sci Rep (2021) 11:12005

[5] Hu J, Liu J, Lozano-Perez S, et al. Acta Materialia, 2019, 180(105-115)

[6] Uttam Bhandari, Hamed Ghadimi et al. Mater. Res. Express 8 (2021) 096534