Materials：中国两院院士学者文章合集丨MDPI 编辑荐读

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本期精选 2020~2022 年在 Materials 期刊发表的 5 篇来自中国工程院院士张立群教授和中国科学院院士葛昌纯教授的文章，主题涉及了聚合物复合材料中不同尺寸纳米粒子的渗透网络、碳纳米管和氧化石墨烯增强天然橡胶复合材料的力学性能、等离子烧结对陶瓷性能的影响、钢热压缩热变形行为研究以及钨-稀土元素合金结构和力学性能的理论预测等。希望能为相关领域学者提供一些参考，欢迎阅读。

作者介绍

张立群 教授

北京化工大学

博士生导师、中国工程院院士、Materials 期刊学术编委。研究领域：橡胶材料科学与工程、聚合物纳米复合材料、生物基高分子材料、聚合物加工工程。

葛昌纯 教授

北京科技大学

中国科学院院士、Materials 期刊学术编委。研究领域：粉末冶金、先进陶瓷、纳米材料、复合材料；研究方向：航空航天航海材料、核反应堆材料、空间太阳能发电及其它新能源材料、环境友好材料、轻量化材料、3D 打印材料与部件。

01

Percolated Network of Mixed Nanoparticles with Different Sizes in Polymer Nanocomposites: A Coarse-Grained Molecular Dynamics Simulation

聚合物纳米复合材料中不同尺寸混合纳米粒子的渗透网络：粗粒度分子动力学模拟

Liqun Zhang et al.

https://www.mdpi.com/1150394

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真实纳米粒子 (Nanoparticles, NPs) 的尺寸是多分散的，这一特性影响了聚合物纳米复合材料 (Polymer Nanocomposites, PNCs) 的电性能。本文采用分子动力学模拟探索具有不同尺寸混合 NP 的渗透网络。模拟结果表明，与小 NP 相比，大 NP 不利于构建渗透网络，渗透阈值会随着混合比的增加而变高。为了更好地理解这种现象，作者使用分散状态，以及簇的数量和大小来分析渗透网络，更好地解释了渗透阈值的变化过程。本文为不同尺寸的混合 NPs 如何在聚合物基质中形成渗透网络提供了解答。

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原文出自 Materials 期刊

Zhao, X.; Nie, Y.; Li, H.; Wu, H.; Gao, Y.; Zhang, L. Percolated Network of Mixed Nanoparticles with Different Sizes in Polymer Nanocomposites: A Coarse-Grained Molecular Dynamics Simulation. Materials 2021, 14, 3301.

02

Enhanced Fatigue and Durability Properties of Natural Rubber Composites Reinforced with Carbon Nanotubes and Graphene Oxide

利用碳纳米管和氧化石墨烯增强天然橡胶复合材料的疲劳和耐久性能

Liqun Zhang et al.

https://www.mdpi.com/926290

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纤维状碳纳米管 (Carbon Nanotube, CNT) 和层状氧化石墨烯 (Graphene Oxide, GO) 在改善橡胶复合材料的疲劳性能方面具有显著优势。本文综合研究了 CNT 和 GO 对天然橡胶 (Natural Rubber, NR) 微观结构和疲劳性能改性的协同作用。结果表明，CNT 和 GO 散布在一起，在 NR 基体中形成了强大的填料网络。与 CNT/NR 和 GO/NR 复合材料相比，CNT-GO/NR 复合材料的裂纹前体尺寸最小、裂纹扩展速率最低、分支和偏转更多、疲劳寿命最长。

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原文出自 Materials 期刊

Guo, H.; Ji, P.; Halász, I.Z.; Pirityi, D.Z.; Bárány, T.; Xu, Z.; Zheng, L.; Zhang, L.; Liu, L.; Wen, S. Enhanced Fatigue and Durability Properties of Natural Rubber Composites Reinforced with Carbon Nanotubes and Graphene Oxide. Materials 2020, 13, 5746.

03

Effect of Ultra-High Pressure Sintering and Spark Plasma Sintering and Subsequent Heat Treatment on the Properties of Si₃N₄ Ceramics

超高压烧结和放电等离子烧结及后续热处理对 Si₃N₄ 陶瓷性能的影响

Changchun Ge et al.

https://www.mdpi.com/1893716

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本研究以 β-Si₃N₄ 粗粉为原料，采用 1550 ℃ 超高压烧结和放电等离子烧结两种不同方法制备致密 Si₃N₄ 陶瓷，再经 1750 ℃ 热处理。比较研究了样品的致密化、微观结构、力学性能和导热性。结果表明，放电等离子烧结可以在较短的时间内制备出致密的 Si₃N₄ 陶瓷，相对密度为 99.2%，并促进 α-β 相变。粗大的 β-Si₃N₄ 晶粒在 5 GPa 的超高压烧结过程中被部分破碎，从而减少了晶核数量，有利于细长晶粒的生长。未添加细 α-Si₃N₄ 粉末的 UHP 样品获得了最高的断裂强度 (822 MPa) 和断裂韧性 (6.6 MPa·m^1/2)；添加部分细 α-Si₃N₄ 粉末促进了 SPS 样品的致密化和细长晶粒的生长；添加细 α-Si₃N₄ 粉烧结的 β-Si₃N₄ 陶瓷 SPS 获得最佳综合性能，包括最高密度 99.8%、硬度 1890 HV、断裂强度 817 MPa、断裂韧性 6.2 MPa·m^1/2 和导热系数 71 W·m⁻¹·K⁻¹。

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原文出自 Materials 期刊

Lv, X.; Li, X.; Huang, J.; Ge, C.; Yu, Q. Effect of Ultra-High Pressure Sintering and Spark Plasma Sintering and Subsequent Heat Treatment on the Properties of Si₃N₄ Ceramics. Materials 2022, 15, 7309.

04

A Study of Hot Deformation Behavior of T15MN High-Speed Steel during Thermal Compression

T15MN 高速钢在热压缩过程中的热变形行为研究

Bo Zhao, Zhipei Chen and Changchun Ge

https://www.mdpi.com/1597618

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本文通过实验和模拟研究了 T15MN 高速钢在热压缩过程中的热变形行为。热压缩试验在 Gleeble-1500 热机械模拟器上进行，温度为 1273 至 1423 K，应变率为 0.01 至 10 s^-1，变形程度为 60%。结果发现，所有流变应力曲线均具有单峰特征，这表明发生了动态再结晶 (Dynamic Recrystallization, DRX)，流变应力会随着应变速率的增加和变形温度的降低而增加。根据实验数据，作者得到了本构方程和热活化能 (Q_act = 498,520 J/mol)。同时，作者还通过 MATLAB 平台建立元胞自动机模型，模拟热变形过程中的动态再结晶现象。仿真结果实现了良好的微观结构演化可视化效果，结果表明提高变形温度和降低应变速率都可以促进再结晶晶粒 (R 晶粒) 的平均尺寸和体积分数的增加。此外，计算得到的流变应力值与实验值总体吻合较好，这表明所建立的 CA 模型具有一定的预测金属材料高温变形行为的能力。

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原文出自 Materials 期刊

Zhao, B.; Chen, Z.; Ge, C. A Study of Hot Deformation Behavior of T15MN High-Speed Steel during Thermal Compression. Materials 2022, 15, 3017.

05

Theoretical Predictions of the Structural and Mechanical Properties of Tungsten–Rare Earth Element Alloys

钨-稀土元素合金结构和力学性能的理论预测

Changchun Ge et al.

https://www.mdpi.com/1136270

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钨 (W) 被认为是偏滤器的潜在面向等离子体材料和聚变中的第一壁材料。为了进一步提高 W 的延展性，作者对 W-M (M = 稀土元素 Y、La、Ce 和 Lu) 合金的结构和机械性能通过第一性原理计算进行了系统研究。结果表明，所有 W_1−xM_x (x = 0.0625，0.125，0.1875，0.25) 合金都可以在原子水平上形成二元固溶体，并且合金保持 bcc 晶格结构直到 M 浓度增加到一定值。虽然合金的模量与纯 W 金属相比有所降低，但特征 B/G 比和泊松比显著增加，这意味着四种稀土元素都可以有效提高 W 金属的延展性。考虑到机械强度和延展性这两个因素，La 和 Ce 是比 Y 和 Lu 更好的合金元素。

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原文出自 Materials 期刊

Wu, M.; Wang, Z.; Zhang, N.; Ge, C.; Zhang, Y. Theoretical Predictions of the Structural and Mechanical Properties of Tungsten–Rare Earth Element Alloys. Materials 2021, 14, 3046.

   Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

期刊发表涵盖材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等研究领域在内的学术文章。

2021 Impact Factor	3.748
2021 CiteScore	4.7
Time to First Decision	15.3 Days
Time to Publication	38 Days

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