l 项目团队 常州大学“功能纳米结构金属（中-俄）联合实验室”对剧烈塑性变形制备纳米结构材料、工艺与装备等进行了系统的理论与实验研究。项目组与国际剧烈塑性变形领域专家建立了良好合作关系，包括国际组织NanoSPD发起者和现任主席、俄罗斯Ufa State Aviation Technical University的Valiev教授和物理系主任Igor教授，维也纳大学纳米结构材料物理所Zehetbauer教授，斯洛伐克Technical Uni

涂层技术是提高刀具性能和寿命的重要途径。随着高速切削、干式切削等先进切削技术的不断发展，对刀具涂层的性能也提出了更高的要求，不仅要具备高硬度、高弹性模量、耐磨性和韧性等机械性能，还要具备抗高温氧化性能、耐蚀性以及优异的高温力学性能(红硬性)，传统的刀具涂层，如TiN、CrN、甚至TiAlN涂层已逐渐不能满足性能的要求。因此，亟需开发高性能的新型保护性涂层材料。 材料结构涂层是利用纳米材料的特异结构产生高硬度的新型涂层材料，包括纳米多层涂层和纳米复合涂层。本项目组采用PVD(物理气相沉积)技术开发的TiAlSiN、TiSiCN、CrAlSiN等纳米复合结构涂层获得近50GPa的超高硬度，同时具有较低的摩擦系数和热稳定性，其使用温度达到1000℃；开发的CrAlN/ZrO2、TiAlN/SiO2等纳米多层涂层，不仅具有超过50GPa的超高硬度，同时由于含有氧化物阻挡层，抑制了外界氧原子向涂层内部的扩散，使涂层抗氧化性能得到大幅提升，同时还具备优异的耐蚀性能。

结构材料轻量化是目前国民经济、国家重大需求的重大挑战，材料结构功能一体是新材料的重要发展方向。 轻质高强泡沫铝合金复合夹芯板以超轻质的泡沫铝合金为芯层，与铝合金面板实现冶金结合，具有比重小，高刚度，高阻尼减振，高能量吸收的特点，同时实现与阻燃、电磁屏蔽功能兼容性，在先进交通、航空航天领域具有广泛的应用前景。通过可调控的芯层泡沫铝合金孔结构，复合夹芯板的实现了同等质量钢板6倍的高刚度，同时比重仅与水接近，该成果已经应用于我国重要装备制造。

发明公开了一种基于氮化钛材料的新型纳米结构光阴极；所述氮化钛光阴极包括衬底、氮化钛纳米结构层；还涉及了该型氮化钛光阴极的制备方法，及其电场辅助型光阴极测试装置，所述电场辅助型光阴极包括绝缘垫片、金属薄板阳极、上／下电极导线、外加偏压电源。本设计中核心的氮化钛纳米结构具有表面等离激元共振效应，会带来光子吸收增强和局域电场增强，且材料功函数仅约为３．７ｅＶ和导电性优良，有助于光致电子的发射；通过设计氮化钛结构的组成纳米图形和结构参数，可获得与入射激励光波相匹配的等离激元共振，实现可光调控的电子发射。因所述氮化钛材料还具有稳定的物化性质，从而本发明提供了一种可作为稳定、高效率的光阴极。

本发明公开了核壳结构NiO-CdS同轴纳米纤维及其制备方法。以醋酸镍、草酸铵和三乙胺为反应原料，水浴反应后，收集含镍沉淀物，煅烧获得NiO纳米粉。称取0.1gNiO，加入到30mL含一定量醋酸镉水溶液中，超声分散10～20分钟，得分散液A；称取1mmol硫脲，加入30mL去离子水，滴加0.1mL乙二胺，溶解得溶液B；将溶液B加入到分散液A中，磁力搅拌12小时后，置于家用微波炉中，低火加热30分钟；反应结束后，趁热过滤沉淀物，即得本发明的核壳结构NiO-CdS同轴纳米纤维。核壳结构NiO-CdS同轴纳

本发明公开了一种核壳型合金纳米颗粒的制备方法。该方法包括：使用有机硅烷偶联剂在氧化物基底表面生长出自组装单分子层。随后在生长有自组装单分子层的基底表面通过原子层沉积生长一种金属核心，接着在金属核心上通过原子层沉积选择性地生长另一种包覆核心的金属壳层。该方法可以通过调节原子层沉积的生长循环次数控制核心尺寸与壳层厚度，以及核与壳的合金成分比例。按照本发明使用的基底改性方法实现核壳结构合金颗粒的制备，由于采用了原子层沉积的工艺，因此对于生长的核壳结构合金颗粒能够达到纳米级的可控性。并且基于基底改性的方法对

本发明公开了一种核壳型合金纳米颗粒的制备方法。该方法包 括：使用有机硅烷偶联剂在氧化物基底表面生长出自组装单分子层。 随后在生长有自组装单分子层的基底表面通过原子层沉积生长一种金 属核心，接着在金属核心上通过原子层沉积选择性地生长另一种包覆 核心的金属壳层。该方法可以通过调节原子层沉积的生长循环次数控 制核心尺寸与壳层厚度，以及核与壳的合金成分比例。按照本发明使 用的基底改性方法实现核壳结构合金颗粒的制备，由于采用了原子层 沉积的工艺，因此对于生长的核壳结构合金颗粒能够达到纳米级的可 控性。并且基于

针对车载氢能源的难题，开展纳米结构镁基合金复合材料储氢研究，特别开展了 Mg 纳米线的储氢性能研究。 MgH2（7.6wt% H2）是理想的轻质储氢材料之一，但其缓慢的吸放氢动力学和相对高的操作温度，限制了它的发展。为了改善镁基材料的储氢性能，通过气相传输的方法制备了不同形貌的 Mg 纳米线。结果表明，改变载气流速、传输温度和沉积基底，可以控制 Mg 纳米 10线的长度和直径。测试结果显示，Mg 纳米线降低了脱附能垒，改善了热力学和动力学性能。实验结果显示，直径为 30-50nm 的 Mg 纳米线具有良好的可逆储放氢性能。 研究成果发表在 J. Am. Chem. Soc.，J. Phys. Chem. C，J. Alloys Compds 等期刊上，授权发明专利 2 项。

强度和韧性的“倒置关系”是材料研究领域长期存在的难题。大量的实验表明，随着金属材料内部晶粒尺寸的降低，在强度获得提升的同时，韧性将大打折扣。目前，广泛采用的高强材料韧化策略有：（1）改变组分，通过引入和调整材料的多种主要元素，同时激活多种塑性变形机制，高熵合金材料就是采用这种思路；（2）改变微结构，在材料内部引入一种或多种梯度分布的微结构，避免由于特征长度突变带来的性能突变，有效克服金属材料强度和韧性的失配问题，这种材料被称为梯度纳米结构材料。 图1 梯度结构金属材料的类型（摘自：李毅，梯度结构金属材料研究进展，中国材料进展，2016, 35: 658-665）人工制备的梯度纳米金属结构主要包括以下几种：梯度晶粒，梯度位错，梯度孪晶，梯度固溶物，梯度相，以及包含两种以上的梯度混合结构。在已经发展成熟的金属材料内部引入梯度纳米结构，可以进一步提高其强韧性匹配能力。例如，通过表面研磨处理（SMAT）在孪晶诱发塑性（TWIP）钢表面引入大量的塑性变形，使其表面晶粒细化，随着深度的增加，晶粒细化的程度逐渐降低，同时塑性变形也会导致位错演化和孪晶的产生，因此在TWIP钢内部形成了包含梯度晶粒，梯度位错和梯度孪晶的梯度混合结构。这种梯度纳米结构TWIP钢的强度可以提升50%，断裂应变仅从60%下降到52%，具有更高的强韧性匹配能力。目前，关于梯度纳米结构TWIP钢的研究集中于实验，反映物理机制的本构模型研究还鲜见报道。西南交通大学力学与工程学院张旭教授与德国马普钢铁所、中国钢铁研究总院等机构开展合作，指导博士生陆晓翀发展出考虑位错滑移和变形孪晶等物理机制的微结构尺寸相关晶体塑性本构模型。依托DAMASK平台将该模型移植有限元，并对梯度纳米结构TWIP钢的单轴拉伸变形行为展开模拟，揭示了其微结构演化与宏观性能之间的关系，量化了不同梯度结构对材料强韧性的贡献。相关研究工作已在金属材料与固体力学交叉领域顶级期刊《International Journal of Plasticity》上在线发表，论文题目为Crystal plasticity finite element analysis of gradient nanostructured TWIP steel。 论文链接： https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2020.102703作者首先使用不同晶粒尺寸Fe-15Mn-2Al-2Si-0.7C (wt.%) TWIP钢的单拉实验数据验证该模型的合理性，结果表明该模型对不同尺寸下的应力应变响应和应变强化行为都可以较好地描述，特别是细晶TWIP钢硬化率曲线中的up-turn效应。通过对内变量演化的分析及对比性模拟，作者发现这种up-turn效应源自于细晶中显著的背应力。 图2 对比不同晶粒尺寸TWIP钢的单拉实验和模拟结果由于梯度纳米结构TWIP钢的微结构十分复杂，晶粒数目众多，通过采用三维均匀化方法，建立了宏观试样尺寸的有限元模型。通过对每层单元赋予不同的晶粒尺寸，初始位错密度和孪晶体积分数，离散地描述材料内部微结构的梯度分布，并通过梯度网格划分方法进一步减少单元数目。对于材料表层微结构变化剧烈的区域，采用密度较高的网格，以保证更加精确地描述微结构的梯度变化。 图3三维均匀化方法示意图作者利用发展的晶体塑性模型，对均匀和梯度纳米结构的Fe-10Mn-0.5C-3Ni (wt.%) TWIP钢的单拉变形行为进行模拟。结果表明，在合理描述均匀结构TWIP钢应力-应变响应的基础上，通过引入微结构的梯度分布，无需修改任何参数就可以较好地描述梯度纳米结构TWIP钢的单拉力学行为。通过对比变形云图，作者发现均匀和梯度纳米结构TWIP钢的表面都会变的粗糙不平，但梯度纳米结构的表面粗糙度更加明显，产生的应变局域化形成了两个凹陷区，且凹陷区在垂直于平面方向也会发生收缩。随着深度的增加，收缩程度逐渐降低。通过对比性模拟，作者发现表面凹陷区的出现就是梯度纳米结构TWIP钢韧性略微下降的原因。而应变局域化的产生与表面纳米层晶粒的应变强化能力有关，提高表面纳米晶的硬化能力，就可以抑制表面凹陷区的出现和韧性的下降。此外，作者通过分析不同层位错密度的演化，进一步证实了上述观点。作者还通过对比性模拟量化了不同梯度结构对材料强韧性的贡献。结果表明：强度的提升源于梯度位错结构，梯度晶粒和梯度孪晶结构有助于保持材料的应变强化能力。 图4 均匀结构和梯度纳米结构TWIP钢的模拟结果对比分析。

纳米多孔金属材料由于具有独特的三维、连续多孔结构，在超级电容器、催化和传感领域有潜在的应用价值。以纳米多孔金、纳米多孔钛为基体材料，利用磁控溅射沉积、去合金法、电化学沉积等方法。