哈工大百年校庆专刊

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1. 高压烧结致密非晶SiBCN块体陶瓷的组织结构演化与力学性能

李达鑫, 杨治华, 贾德昌, 蔡德龙, 段小明, 何培刚, 王胜金, 周玉, 田永君

自然杂志 2020, 42 (3): 157-169. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2020.03.001

摘要（2637）

PDF（pc）（4261KB）（696）

非晶SiBCN陶瓷是一类独特的结构材料，具有低比重、高比强度、优异的高温损伤容限等特殊结构和性能，因此在高温防热结构部件上极具应用潜力。通过合理的结构与化学成分协同设计，可探索陶瓷形貌/微观结构演化及断裂行为的基本特征，从而进一步提高其力学性能，以满足实际应用需求。因此，文章以石墨、六方氮化硼、立方硅和硼等元素粉末为原料，提出了采用机械合金化结合高压烧结技术(1 000 ^oC/3~5 GPa/30 min)制备致密非晶Si₂ByC₂N(y=1.5~4)块体陶瓷的方法。通过XRD、SEM、TEM、TG等表征手段，研究了烧结压力诱导该系非晶陶瓷的组织结构演化、相变及热稳定性，并对其力学性能，特别是断裂行为进行了详细讨论。结果表明，提高烧结压力促使陶瓷基体由完全非晶态向晶态转变，部分块体陶瓷由大量非晶相、少量c-Si和/或t-BN(C)纳米晶相组成，显示出依赖于硼含量的物相组成。高压烧结有效地促进了陶瓷的烧结致密化，导致材料内自由体积的湮灭和“河流状”断裂形貌的产生。随着烧结压力的提高，陶瓷材料的体积密度、纳米硬度和杨氏模量单调增加。在相同烧结条件下，硼含量的增加削弱了非晶Si₂ByC₂N(y=1.5~4)块体陶瓷的力学性能和热稳定性。1 000 °C/5 GPa/30 min烧结制备的致密非晶Si₂B_1.5C₂N块体陶瓷的体积密度、纳米硬度和杨氏模量分别为2.69 g/cm³、33.6±2.2GPa和414.2±16.5 GPa。

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2. 特种能场微成形技术研究进展

徐杰, 王春举, 汪鑫伟, 单德彬, 郭斌

自然杂志 2020, 42 (3): 170-178. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2020.03.002

摘要（2431）

PDF（pc）（2569KB）（890）

随着微成形加工尺度范围的不断延伸，单纯依靠模具施加载荷(力场)的微成形技术难以突破成形尺度极限，因此迫切需要发展塑性微成形新原理、新方法和新工艺。针对微成形尺度效应这一基本科学问题，将电场、电磁场和超声波等特种能场应用到微成形技术中，利用特种能场与材料相互作用产生的物理效应，突破微成形尺度极限并扩大可加工材料的范围，从而实现跨尺度、多材料和可控微成形。特种能场微成形技术将极大地促进微成形技术的发展和应用，成为微/纳制造技术领域一个重要研究方向。

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3. 镁基储氢合金吸放氢机理及组织与性能调控

丁鑫, 陈瑞润, 陈晓宇, 曹文超, 丁宏升, 苏彦庆, 郭景杰

自然杂志 2020, 42 (3): 179-186. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2020.03.003

摘要（3266）

PDF（pc）（2391KB）（1041）

随着能源危机和环境问题的日益加剧，迫切需要寻求一种高效的可再生能源，而氢能被认为是最具前景的能量载体之一。氢燃料电池是氢能利用的最主要形式，其中车载储氢需要更轻便、紧凑和经济的体系来取代高压气体储氢装置。作为最具潜力的固体储氢体系之一，镁基储氢材料具有诸多优点，但阻碍其实际应用的瓶颈问题同样难以克服。文章通过介绍镁基储氢材料的吸放氢机理，阐述了热力学和动力学性能对其实际应用的制约及成因，归纳了当前的研究方法和进展，包括主要的组织调控和材料改性方法，并对镁基储氢的发展前景进行了展望。

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4. 面向靶向医疗的微纳米机器人

孙猛猛, 谢晖

自然杂志 2020, 42 (3): 187-200. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2020.03.004

摘要（3356）

PDF（pc）（3789KB）（1854）

微纳米机器人指的是尺度在微纳米级别(几纳米至几百微米)的微型机器人，其能够将磁能、光能、声能或其他形式的能量转化为机械运动，具备能完成更高效、更精确局部诊断和靶向治疗的潜在功能，在生物医学领域有广阔的应用前景。文章详细介绍了微纳米机器人的制备方法，阐述了相关驱动手段，总结了其在靶向医疗应用方面的研究进展，并讨论了其在活体应用时面临的挑战以及未来的发展方向。

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5. 循环肿瘤细胞捕获微纳技术

刘洋, 刘绍琴

自然杂志 2020, 42 (3): 201-209. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2020.03.005

摘要（2089）

PDF（pc）（3152KB）（491）

循环肿瘤细胞被认为是肿瘤转移的一个重要因素，其精确检测对监控患者病情、治疗效果以及预测预后具有重要的临床指导意义。然而，由于在外周血中的循环肿瘤细胞个数极少，对它的检测要求使用高特异性、高灵敏度的快速检测技术。近些年纳米技术的发展为循环肿瘤细胞的检测提供了新的机遇。文章综述了近年来循环肿瘤细胞分离与检测技术的研究进展，重点介绍了纳米材料、微流控技术在循环肿瘤细胞捕获中发挥的重要性。

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6. 基于AFM纳米机械刻划加工纳米结构及应用

王继强, 耿延泉, 闫永达

自然杂志 2020, 42 (3): 210-220. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2020.03.006

摘要（702）

PDF（pc）（2870KB）（1147）

原子力显微镜(AFM)是具有纳米级精度的检测设备，同时可应用于纳米结构的加工。AFM纳米加工已经成为微纳结构加工的有效方法之一，可广泛地应用于机械、物理、化学和生物医学等领域。文章首先简要介绍传统微纳加工方法，并对基于AFM的纳米机械加工方法进行详细介绍并分析了其相对优势；然后介绍了AFM加工得到的纳米沟槽和纳米点阵等结构在纳流控及拉曼检测等领域的应用，并对其未来的发展方向进行展望。综述展示了AFM纳米机械加工的应用潜力，为相关领域的研究提供了一种简单、可行的纳米加工方法。

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7. 后摩尔时代晶体管：新兴材料与尺寸极限

秦敬凯, 甄良, 徐成彦

自然杂志 2020, 42 (3): 221-230. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2020.03.007

摘要（793）

PDF（pc）（4105KB）（877）

在后摩尔时代，大规模半导体集成电路对功耗和集成密度的要求使得晶体管器件的开发需要在“材料、制程、结构”三个维度同步推进。文章详细梳理了近年来涌现的新兴低维半导体材料及异质结构，包括碳纳米管、过渡族金属硫属化合物、黑磷、碲烯和一维/二维范德华异质结等，并对其电学物理特性进行了深入的讨论，同时总结了这些材料在14 nm工艺节点以下超短沟道晶体管和新结构晶体管器件方面的最新进展，最后从材料角度对半导体逻辑器件的进一步发展指出方向。

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8. 纤维增强陶瓷基复合材料与金属钎焊研究进展

司晓庆, 李淳, 亓钧雷, 曹健, 冯吉才

自然杂志 2020, 42 (3): 231-238. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2020.03.008

摘要（572）

PDF（pc）（4213KB）（292）

纤维增强陶瓷基复合材料在高温使役性能方面表现出超越传统陶瓷材料的优异性能，与金属的连接构件在航空航天、核能、化工等高温系统中应用潜力巨大。纤维增强陶瓷基复合材料与金属的连接技术被广泛研究，钎焊是实现二者连接的最佳选择。文章重点论述钎焊纤维增强陶瓷基复合材料与金属所面临的挑战和科学问题，列举C_f/C、C_f/SiC和SiO_2f/SiO₂三种研究最为广泛的纤维增强陶瓷基复合材料与金属的钎焊实例，讨论钎料润湿行为、界面反应调控和接头应力调节的最新研究成果。可靠连接技术的发展，将会推动纤维增强陶瓷基复合材料的研究和应用。

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9. 基于欧拉-拉格朗日方法的携病毒飞沫扩散过程的数值模拟

汪新智, 任安星, 武永吉, 王彪, 石雷, 何玉荣

自然杂志 2020, 42 (3): 239-248. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2020.03.009

摘要（582）

PDF（pc）（6325KB）（224）

新型冠状病毒肺炎短时间内在全球范围迅速传播，已经成为受国际关注的大流行病。携病毒飞沫的传播和扩散过程是新型冠状病毒传播的重要途径。文章通过多相流仿真手段，基于欧拉-拉格朗日方法，对房间、电梯、高铁车厢和飞机座舱等相对封闭环境中携病毒飞沫扩散过程进行了数据模拟研究。结果表明，相对封闭空间中采用对侧面进风和出风的通风形式，尤其是上下通风的方式，可有效减少飞沫在封闭空间中的扰动和停留时间，抑制携病毒飞沫的扩散，增强飞沫的排出。

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10. 沥青混凝土细观结构特性基因组研究综述

徐慧宁, 石浩, 谭忆秋

自然杂志 2020, 42 (3): 249-261. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2020.03.010

摘要（605）

PDF（pc）（2713KB）（485）

沥青混凝土材料的细观结构基因组研究是沥青路面服役性能描述及耐久性提升的关键。首先，调研现阶段主流的沥青混凝土细观结构特征的探测方法，对比分析CCD数字图像技术、X-ray CT无损检测技术以及3D激光扫描技术在沥青混凝土材料细观结构特征提取中的适用性和局限性；其次，从骨料和空隙两个方面对现阶段沥青混凝土细观结构特性的研究进行详细介绍，汇总分析材料细观结构特征的表征方法；最后，指明沥青混凝土的细观基因特性，并阐述现阶段材料细观基因组研究的不足以及研究前景。

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11. 仿生层状碳纳米材料增强金属基复合材料的制备方法

陈仕鹏, 王晓军

自然杂志 2020, 42 (3): 262-268. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2020.03.011

摘要（526）

PDF（pc）（1934KB）（436）

以碳纳米管(carbon nanotube, CNT)和石墨烯(graphene)为代表的新一代碳纳米材料，由于其优异的力学性能和独特的结构而成为金属基复合材料的理想增强体。材料复合化可以提高金属材料的强度，但是会导致“强韧性倒置”的矛盾，从而限制高性能复合材料的开发及其在工业上的应用。启迪于自然界贝壳珍珠层的“砖-泥”结构，进行仿生层状构型设计，是解决这一问题、制备轻质高强超韧复合材料的有效手段。文章就国内外仿生层状碳纳米材料增强金属基复合材料的制备工艺进行综述并提出一些思考。

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12. 轻质耐高温NiAl基合金制备与复杂构件成形技术进展浅析

王宝, 王东君, 刘钢

自然杂志 2020, 42 (3): 269-276. DOI: 10.3969/j.issn.0253-9608.2020.03.012

摘要（600）

PDF（pc）（1023KB）（512）

NiAl基合金具有优越的低密度、高模量和良好的抗氧化性等特点，特别适合作为高温关键构件使用，在航空航天等领域应用前景广阔。然而，作为一种金属间化合物，固有的延性极限成为NiAl基合金复杂形状构件成形的技术瓶颈，因此亟需开发NiAl基合金复杂构件成形新技术。文章综述了目前NiAl基合金及其构件制备成形常用的熔铸法、高温自蔓延合成法、粉末冶金法及近年来发展的反应制备法，讨论了反应制备成形新方法在薄壁复杂构件制造方面的潜力，以及NiAl基合金复杂构件成形制造技术的发展趋势。

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