哈工大科研團隊為高溫輻射熱防護陶瓷涂層設計提供新思路

近日，哈工大材料學院周玉院士團隊王亞明教授課題組、能源學院帥永教授團隊裘俊副教授課題組合作在輻射熱防護領域取得突破性進展。研究團隊設計并構建出Ca-Cr離子摻雜Y3NbO7層狀多孔結構陶瓷涂層，涂層1～13μm波段的平均發(fā)射率提高至0.9，熱導率低至0.5 W/(m·K)，達到報道以來最高的發(fā)射率和熱導率比值（1.3），為高溫輻射熱防護陶瓷涂層的設計提供了新思路。

高溫輻射熱防護在高速飛行器、航天器熱控等眾多領域中具有重要意義。傳統(tǒng)的熱障陶瓷（包括稀土鈮酸鹽、鋯酸鹽和鉿酸鹽等）雖然具有較低的熱導率，但其紅外發(fā)射率也較低。近年來，通過稀土和過渡族陽離子摻雜改性提高陶瓷的發(fā)射率備受關注。然而，摻雜改性提高發(fā)射率的同時，也可能導致熱導率的提升。關于離子摻雜實現(xiàn)高發(fā)射率和低熱導陶瓷涂層設計，仍沒有取得關鍵性的理論和試驗進展。

為解決上述問題，研究團隊設計并制備了Ca-Cr摻雜改性Y3NbO7層狀多孔陶瓷涂層，從電子、聲子、涂層微結構等多尺度分析，揭示了涂層組織結構與發(fā)射率、熱導率之間的構效關系；通過調(diào)控聲子無序和涂層內(nèi)部微孔的取向，成功減小熱流通道。此外，Ca-Cr共摻雜誘導雜質(zhì)能級產(chǎn)生，協(xié)同表面微結構強化光吸收改善界面阻抗匹配性。

這種陶瓷涂層兼具高發(fā)射率、低熱導率、高結合強度和熱穩(wěn)定性等優(yōu)異的綜合性能，在金屬輻射熱防護系統(tǒng)上具有很大的應用潛力。

該研究成果以A promisingradiationthermalprotectioncoatingbased onlamellarporousCa-Cr co-dopedY3NbO7ceramic為題發(fā)表于Advanced FunctionalMaterials，由哈工大材料學院、能源學院以及同濟大學環(huán)境學院合作完成，王亞明教授、裘俊副教授和帥永教授為論文通訊作者，能源學院陳國梁助理教授、同濟大學傅浩洋博士為論文第一作者。

左下圖為Ca-Cr摻雜Y3NbO7的晶體結構。

（本刊記者 良辰）

金屬所鋁合金調(diào)幅分解研究獲進展

通過各種各樣的熱力學非平衡過程（快速淬火、物理或者化學氣相沉積、電沉積以及球磨等手段），可以形成過飽和固溶體，從而調(diào)控金屬材料的性能，但過飽和固溶體在熱力學上處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在加熱或者塑性變形時，它將分解成熱力學穩(wěn)定相以降低體系的自由能。長久以來，穩(wěn)定過飽和固溶體以防止其分解頗有挑戰(zhàn)性，尤其是在具有互溶間隙的合金體系中，相分解將通過上坡擴散主導的調(diào)幅分解機制自發(fā)進行。

有研究表明，塑性變形誘導的晶粒細化在材料內(nèi)部引入高密度的晶界、空位和位錯等缺陷，作為擴散的通道，會加劇原子擴散。在晶粒被充分細化的金屬和合金中，包括晶粒長大、第二相析出以及調(diào)幅分解在內(nèi)的各種擴散過程被顯著促進。這些現(xiàn)象在晶粒尺寸處于亞微米尺度的金屬和合金中尤為顯著。

近期，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心納米金屬科學家工作室在這一科學難題研究上取得新突破。該團隊利用自主研發(fā)的低溫塑性變形技術，將成分位于互溶間隙內(nèi)的過飽和Al-21.7%Zn (原子分數(shù))合金的晶粒尺寸細化至10 nm以下并獲得受限晶體結構。研究發(fā)現(xiàn)，單相過飽和固溶體結構受限晶體Al-21.7Zn合金具有頗高的結構穩(wěn)定性，在互溶間隙溫度范圍內(nèi)的調(diào)幅分解行為被完全抑制。這一現(xiàn)象源于平均曲率為0的三維極小面界面結構，以及極小尺寸晶粒內(nèi)空位缺失同時抑制了置換式固溶體原子的晶間擴散和晶格擴散。該研究表明，受限晶體結構可有效抑制合金中各種由擴散控制的相變過程，進一步證明了這種新型亞穩(wěn)結構在金屬材料中的普適性，對提高過飽和固溶體穩(wěn)定性及發(fā)展高性能金屬材料具有重要意義。

相關研究成果以Stabilizingsupersaturation withextremegrain refinementinspinodal aluminumalloys為題，在線發(fā)表于Advanced Materials（DOI：10.1002/adma.202303650）。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和中國科協(xié)青年人才托舉工程等的支持。

（本刊記者 良辰）

清華航院課題組在類腦機械計算領域取得重要進展

人們一直希望能夠創(chuàng)造出本身具有信息自主處理能力的材料，即類生命體的“智慧型”材料。要實現(xiàn)這一目標，關鍵在于能夠與材料有機融合的機械計算。力學超材料的發(fā)展為解決這一難題提供了新的思路。

常見計算機采用馮·諾依曼提出的獨立計算和存儲模塊來集中處理信息，保證了現(xiàn)代計算機的通用性，但模塊內(nèi)和模塊間的大量數(shù)據(jù)讀寫和交換已成為計算的一大瓶頸。人腦由海量的神經(jīng)元組成，對信息的處理是分布式的，能根據(jù)環(huán)境感知信息，結合自身記憶進行分析、計算和判斷，從而高效調(diào)控生理狀態(tài)和行為。類腦神經(jīng)形態(tài)計算的這種分布式特點對數(shù)據(jù)密集型任務及數(shù)據(jù)讀寫、傳輸困難的任務具有明顯優(yōu)勢。

最近，清華大學航天航空學院陳常青教授團隊提出了神經(jīng)形態(tài)的存內(nèi)機械計算框架，在類腦機械計算領域取得了重要進展。該架構借助力學超材料，由分布式的機械內(nèi)存單元組成。當接收到時間信號時，系統(tǒng)會基于當前狀態(tài)向下一個狀態(tài)演化，而計算則直接在內(nèi)存中進行，最大限度地減少了“計算”和“數(shù)據(jù)”之間的距離，簡化了數(shù)據(jù)傳輸和交換，便利了任務的執(zhí)行。內(nèi)存單元通過移位寄存器、同或門和感知器3種基本力學相互作用進行連接，為機械體系的學習、自適應和功能完備地執(zhí)行類神經(jīng)功能提供了基礎。

基于所提出的存內(nèi)機械計算架構，研究團隊分別構筑了可重編程機械二值化神經(jīng)網(wǎng)絡和自學習感知器兩個試驗示例，展示了其應用前景；而且示例顯示，在機械內(nèi)存中可進行計算的分布式信息處理，從而能最大程度上發(fā)揮結構本身的智能，為構建新一代的類生命體的“智慧型”材料提供基礎。

該成果以In-memory mechanicalcomputing為題，在線發(fā)表于Nature Communications。

下圖為機器自學習感知器。

（本刊記者 良辰）

航空發(fā)動機和燃氣輪機領域卓越工程師培養(yǎng)首屆院長論壇召開

2023年8月19日，由北航航空發(fā)動機研究院（簡稱“航發(fā)院”）發(fā)起并主辦的“兩機”領域卓越工程師培養(yǎng)首屆院長論壇在北京召開。中國航空發(fā)動機集團有限公司（簡稱“中國航發(fā)”）、中國航發(fā)北京航空材料研究院、中國船舶集團有限公司（簡稱“中國船舶”）703所、中國船舶第七研究院等聯(lián)合培養(yǎng)企業(yè)代表，清華大學、西北工業(yè)大學、南京航空航天大學、廈門大學、上海交通大學、哈爾濱工業(yè)大學、哈爾濱工程大學等高校代表，北航研究生院、國家卓越工程師學院、能源與動力工程學院以及航發(fā)院等北航校內(nèi)代表共20余人出席了會議，會議由航發(fā)院常務副院長胡殿印主持。

論壇開幕式上，北航研究生院副院長蔡軍表示，本次論壇正值首屆卓越工程師學生入企實踐的關鍵時期，期待通過此次交流，全力保障好學生入企實踐，企業(yè)與高校合力打造“兩機”領域卓越工程師培養(yǎng)改革的“樣板間”。

在主題報告環(huán)節(jié)，北航航發(fā)院副院長劉火星、中國航發(fā)人力資源部專業(yè)人才處副處長劉錦虎、西北工業(yè)大學國家卓越工程師學院常務副院長緱林峰、哈爾濱工業(yè)大學航空研究院執(zhí)行院長王松濤、北航國家卓越工程師學院常務副院長曹慶華圍繞培養(yǎng)方案、專業(yè)實踐、綜合評價標準、校企導師隊伍建設等內(nèi)容進行了經(jīng)驗分享。隨后，與會人員圍繞“兩機”領域卓越工程師培養(yǎng)的問題和舉措進行了深入討論和交流。

“兩機”領域卓越工程師培養(yǎng)首屆院長論壇旨在建立“兩機”領域卓越工程師培養(yǎng)長效溝通機制，持續(xù)探索產(chǎn)教協(xié)同機制創(chuàng)新，打造卓越工程師人才培養(yǎng)范式。參加論壇的高校和企業(yè)代表達成共識，共同發(fā)起定期舉辦“兩機”領域卓越工程師培養(yǎng)院長論壇的倡議。

（本刊記者 良辰）

西工大在大模型異構智能體方面取得新進展

近日，西北工業(yè)大學光電與智能研究院李學龍教授團隊在大模型異構智能體方面取得重大進展，實現(xiàn)了大模型對無人機集群、機器狗、機械臂3種智能體的真機協(xié)同控制。該成果展示了大模型在智能體控制方面的能力，也為智能無人系統(tǒng)的研究提供了無限可能。

在人工智能領域，大模型控制智能體是大勢所趨。研究團隊提出了一種大模型驅(qū)動的異構智能體協(xié)同控制算法框架，使異構智能體系統(tǒng)具備高層語義理解能力、自身技能認知能力和復雜任務執(zhí)行能力。

如何充分發(fā)揮大模型的語義理解能力，讓無人機、機器狗、機械臂等人造智能體能夠根據(jù)輸入的自然語言分工合作，是智能體在現(xiàn)實場景中執(zhí)行復雜任務的前提條件。針對該問題，研究團隊利用國產(chǎn)大模型作為語義理解底座，以無人機集群、機器狗、機械臂3種異構智能體作為協(xié)同控制平臺，設計了融合環(huán)境信息與自身狀態(tài)的語義交互框架，實現(xiàn)了對異構智能體任務理解、硬件控制、協(xié)調(diào)合作等復雜需求的高層語義交互。

智能體的行為能力易受周圍環(huán)境、自身機械結構等限制因素的影響。如何在多變的外界環(huán)境下讓智能體準確地認知當前自身的行為能力，是異構智能體協(xié)同的關鍵環(huán)節(jié)。為了實現(xiàn)這一目標，團隊提出了異構智能體通用中層技能認知算法，實現(xiàn)了異構智能體間精細的硬件協(xié)同控制。在此基礎上，智能體通過自主環(huán)境感知、自身狀態(tài)建模、協(xié)同運動規(guī)劃，自適應地調(diào)整技能執(zhí)行。

為了完成復雜任務目標，異構智能體協(xié)作需要依據(jù)子任務間的依賴關系和環(huán)境約束，設計安全合理的子任務執(zhí)行次序和方式。針對該問題，團隊設計了多智能體閉環(huán)反饋的任務執(zhí)行機制，實現(xiàn)了異構智能體在任務執(zhí)行層面的自主協(xié)同。在任務執(zhí)行的過程中，智能體向任務分解模塊報告子任務執(zhí)行狀態(tài)，形成任務分配與執(zhí)行動態(tài)閉環(huán)，實現(xiàn)任務目標導向的異構智能體高效協(xié)同。

該成果是大模型算法和智能體硬件交叉的創(chuàng)新性研究，實現(xiàn)了用更自然、更直觀的方式進行多種智能體的控制，降低了人機交互的門檻。同時，該研究也將促進異構智能體之間協(xié)作的自主性和流暢度，對人工智能在災難救援、工業(yè)生產(chǎn)等復雜場景下的靈活應用具有重要意義。（本刊記者 良辰）

理化所關于強負面壓縮性材料研究取得進展

在等靜壓力下沿著特定方向尺寸發(fā)生膨脹的現(xiàn)象稱為負壓縮。負壓縮這一反常的應力-應變響應特性是壓力調(diào)控結構獲得新奇物性（如超導、壓致熒光等）以及突破常規(guī)材料性能極限（如泊松比、壓電系數(shù)）的重要手段。從維度上分類，負壓縮可分為線（一維）、面（二維）和體（三維）。面負壓縮是負壓縮性的極限，具有最高的結構-性能調(diào)控維度。幅度和壓力區(qū)間決定了壓力調(diào)控的精度和壓力范圍，是面負壓縮性的兩大關鍵指標。在Lifshitz機制主導的面負壓縮材料中，負壓縮性源自由剛性結構基元構成的二維褶皺結構中褶皺的展開，具有很寬的壓力范圍，在這一材料體系中不斷地提升面負壓縮幅度是研究焦點。

近日，中國科學院理化所研究員林哲帥、姜興興等，提出在二維范德華層狀晶體中通過壓力誘導電荷轉(zhuǎn)移達到增強晶格結構變化，進而提升面負壓縮幅度的策略，發(fā)現(xiàn)了迄今面負壓縮效應最強的材料PdSe2晶體。該研究建立了壓力下電子-晶格結構演變之間的關聯(lián)，提出了全新的從電子結構角度調(diào)控設計面負壓縮材料的新方法。

研究表明，在二維范德華晶體中，由于相鄰層之間只存在范德華相互作用，壓力下層間隙的劇烈收縮會使層間發(fā)生強烈的相互作用。當二維層以貴金屬Pd2+、Au+、Ag+、Cu2+等為中心離子的線狀或平面狀多面體為基本結構單元構成時，層間的陰陽離子之間會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，使層內(nèi)鍵長鍵角發(fā)生劇烈變化，從而大幅度增強面負壓縮性。在此“電荷轉(zhuǎn)移”策略的基礎上，該團隊在二維范德華晶體數(shù)據(jù)庫中進行了大規(guī)模的結構探索，結合同步輻射高壓衍射試驗，發(fā)現(xiàn)了迄今為止具有高壓負面壓縮幅度最大（-13.14 GPa）、壓力范圍最寬（3.94～11.37 GPa）的PdSe2晶體。高壓拉曼測試結合第一性原理計算表明，在PdSe2晶體中，除了常規(guī)Lifshitz理論框架中的壓力誘導褶皺展開外，壓力下層內(nèi)Pd—Se鍵反常的伸長對增強負面壓縮具有關鍵作用，而層內(nèi)-層間電荷轉(zhuǎn)移導致的層內(nèi)Pd—Se鍵電荷的減少是壓力下化學鍵伸長這一反常結構變化的內(nèi)在驅(qū)動力。

相關成果以Unexpectedgiantnegative areacompressibilityin palladiumdiselenide為題，發(fā)表于NationalScience Review。

下圖為與迄今所有面負壓縮材料的比較。

（本刊記者 良辰）