Yb3+/Er3+共掺杂的BaF2/CeO2复合材料的上转换发光特性及其在提升基于石墨烯的超级电容器电容中的作用

《Journal of Alloys and Compounds》：Upconversion emission of Yb3+/Er3+ co-doped BaF 2/CeO 2 composites and their role in enhancing the capacitance of graphene-based supercapacitors

本研究系统探究了微量镝添加对Gd_xCoCrFeNiV0.4高熵合金微观结构演变及力学性能的影响（x=0,0.01,0.03,0.05）。结果表明，Gd0.01合金经冷轧和850℃退火后，强度（屈服强度378MPa，抗拉强度809MPa）与延展性（断后延伸率45%）协同提升，归因于固溶强化、晶粒细化及位错、堆垛层错、退火孪晶与纳米孪晶的协同作用，同时微量Gd析出相对韧性有积极贡献。

　　这项研究聚焦于高熵合金（HEAs）中微量Gd元素添加对材料微观结构演变和力学性能的影响。通过系统分析Gd_xCoCrFeNiV_0.4（x=0, 0.01, 0.03, 0.05）合金在不同Gd浓度下的表现，研究揭示了Gd添加对合金微观结构和机械性能的调控机制。高熵合金因其独特的多主元特性，在材料科学和工程领域受到了广泛关注。这类合金通常展现出优异的综合性能，包括高硬度、良好的抗腐蚀能力以及出色的强度-延展性协同效应。然而，其在常温下的屈服强度相对较低，这限制了其在某些高强度应用场景中的使用。因此，研究者们正在积极探索通过成分设计和热机械加工（TMP）来调控微观结构，从而实现强度和延展性的同步提升。

微量合金化被认为是优化高熵合金性能的重要策略之一。通过引入少量的合金元素，可以有效改变材料的局部化学环境，诱导晶界偏析，促进纳米级析出，以及形成短程有序（SRO）结构。这些微观结构的变化对合金的力学性能具有显著影响。例如，铝（Al）的添加可以促使B2有序相的形成，从而提高合金的硬度。而钛（Ti）的引入则有助于通过形成（Ti,Co）富集的Laves相和（Cr,Fe）富集的σ相来增强固溶强化和第二相强化。这些研究为通过微量合金化手段改善高熵合金性能提供了重要的理论基础和实验依据。

在众多合金元素中，钒（V）因其独特的物理化学性质而在高熵合金体系中扮演着特殊角色。V具有较大的原子半径，当其溶解于基体中时，会诱导显著的晶格畸变，从而提高材料对位错运动的阻力，进一步增强固溶强化效果。适当添加V不仅有助于提升高熵合金的硬度和抗拉强度，还能维持其单一的面心立方（FCC）结构，为后续性能优化提供理想的基体。然而，单元素微量合金化对性能的提升存在一定的局限性，这促使研究者们寻求新的合金化策略，以突破现有性能瓶颈。

近年来，稀土元素（RE）的微量合金化被认为是增强高熵合金性能的一种有前景的方法。稀土元素的引入为实现优异的强度-延展性协同效应以及精细调控微观结构特征提供了新的途径。例如，在CoCrFeMnNi高熵合金中添加钕（Nd）可以促进高硬度六方密堆积（HCP）结构的形成，从而显著提升硬度并改善强度-延展性平衡。而钇（Y）的添加则有助于抑制晶粒长大，增强相稳定性，使FCC结构在高温退火后仍得以保留。这些发现表明，稀土元素，特别是Gd，在调控高熵合金微观结构和性能方面具有重要作用。

在高熵合金中，Gd的添加被证实能够有效调控界面结构并细化晶粒。Gd的引入不仅有助于提升合金的机械性能，还对软磁行为和微波吸收能力产生积极影响。Du等人研究了（CoCrFeNi）_100-xGd_x合金（x=0, 0.5, 1, 2, 3）的微观结构，发现Gd的加入改变了合金的组织结构，形成了独特的“壳状结构”，从而促进了晶粒细化。其中，（CoCrFeNi）₉₇Gd₃合金的屈服强度达到650 MPa，约为未添加Gd的CoCrFeNi高熵合金（235 MPa）的三倍。此外，Gd的添加还增强了固溶强化和析出强化机制，进一步提升了合金的综合性能。

冷轧作为一种资源节约型塑性变形方法，对具有良好延展性的FCC基合金的力学性能具有重要影响。冷轧可以通过改变晶粒尺寸、晶界特征以及位错密度来显著提升材料的强度和延展性。例如，Yousefan等人研究了非等原子比的CoCrFeMoNi高熵合金在冷轧后的性能变化，发现钼（Mo）的添加促进了孪生现象，从而实现了FCC基体强度和延展性的协同提升。此外，冷轧后的合金还表现出更优异的耐腐蚀性能，特别是在60%和70%冷轧样品中，其耐腐蚀能力超过了传统316L不锈钢。这表明，冷轧不仅能够提升材料的力学性能，还能改善其在复杂环境下的使用性能。

退火是冷轧后的重要处理步骤，旨在缓解塑性变形过程中引入的应力，促进晶粒再结晶，并进一步优化微观结构。例如，Werner等人研究了冷轧后在600°C退火的CoCrFeNi合金，发现随着退火时间的延长，再结晶率（f_RX）显著提高，同时晶粒尺寸增大，从而提升了材料的延展性。在部分再结晶状态下，合金表现出良好的强度-延展性平衡，其压缩屈服强度从547.1 MPa提升至881.0 MPa，而延展性仍保持在20%以上。这说明，退火过程对材料的微观结构演变和力学性能具有重要影响，是调控高熵合金性能的关键环节之一。

基于上述研究背景，本文旨在探讨通过稀土元素Gd的微量合金化来设计具有优异强度和延展性的FCC基高熵合金。这种合金有望应用于对高延展性、适中强度和良好韧性有需求的结构部件，例如能量吸收元件、承受循环载荷的部件或耐磨损支撑结构。研究重点在于分析Gd在不同浓度（0.01、0.03、0.05）下的作用机制，并结合冷轧和退火处理，深入探讨其对合金微观结构和力学性能的影响。

为了系统研究Gd的添加对合金微观结构和性能的影响，本文采用了一系列先进的表征技术，包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）以及电子背散射衍射（EBSD）等。这些技术能够准确揭示合金的相组成、晶粒尺寸以及晶界特征，为理解Gd添加对材料性能的影响提供重要的实验依据。通过对比不同Gd浓度的合金在冷轧和退火后的微观结构变化，研究者能够进一步分析Gd在合金中的作用机制，并探索其在不同处理条件下的表现。

研究结果表明，随着Gd含量的增加，Gd₃和Gd₅合金中出现了硬而脆的六方结构（HS）相，而Gd₁合金则表现出Gd均匀固溶于基体的特性。这说明，Gd的添加在一定程度上改变了合金的相组成，并对其力学性能产生了显著影响。在冷轧和退火处理后，Gd₁合金的抗拉性能得到了显著提升，其屈服强度达到245 MPa，抗拉强度达到809 MPa，断裂延伸率则为45%。这些性能的提升主要归因于固溶强化、晶粒细化以及位错、堆垛层错、退火孪晶和纳米孪晶的协同作用。此外，少量的Gd富集析出相也在提升合金韧性方面发挥了积极作用。

从微观结构的角度来看，Gd的添加不仅影响了合金的相组成，还改变了其晶粒尺寸和分布特征。XRD分析显示，所有铸造合金均表现出单一的FCC相，表明Gd的添加并未导致新相的形成。然而，Gd₁合金的（200）峰强度显著增强，这可能与Gd在基体中的固溶行为有关。SEM图像进一步揭示了Gd₁合金在冷轧和退火后的微观结构变化，包括晶粒的延伸和再结晶过程的启动。EBSD分析则提供了关于晶粒取向和织构演变的详细信息，显示冷轧后晶粒取向趋于集中，形成明显的轧制织构。而退火处理则有助于缓解冷轧过程中产生的应力，并促进晶粒的再结晶，从而优化材料的力学性能。

研究还发现，Gd的添加对合金的晶界行为具有重要影响。Gd富集的析出相能够有效抑制晶粒长大，提高晶界强化效果。此外，这些析出相的均匀分布也有助于改善材料的延展性，使其在承受塑性变形时能够更有效地释放应力。同时，Gd的引入还可能促进短程有序结构的形成，进一步增强固溶强化效应。这些机制共同作用，使得Gd₁合金在冷轧和退火后表现出优异的综合性能。

值得注意的是，尽管Gd₁合金表现出良好的力学性能，但随着Gd含量的进一步增加，HS相的出现可能会对材料的延展性产生不利影响。例如，在Gd₃和Gd₅合金中，HS相的形成可能导致材料在塑性变形过程中出现脆性断裂，从而降低其延展性。因此，研究者需要在Gd添加量与材料性能之间找到最佳平衡点，以确保合金在强度和延展性方面均能满足实际应用需求。

此外，本文还探讨了冷轧和退火处理对Gd₁合金性能的协同作用。冷轧过程通过引入大量位错和晶界，显著提升了合金的强度。然而，冷轧后的合金通常表现出较低的延展性，这限制了其在某些应用场景中的使用。退火处理则通过促进晶粒再结晶和位错重排，有效缓解了冷轧带来的应力集中问题，并进一步优化了材料的微观结构。实验结果表明，经过850°C退火处理后，Gd₁合金的屈服强度和抗拉强度均得到了显著提升，同时断裂延伸率也保持在较高水平。这表明，冷轧和退火处理的合理搭配能够显著改善Gd₁合金的综合性能。

本文的研究不仅为Gd在高熵合金中的作用机制提供了新的认识，也为后续开发高性能HEAs奠定了理论和实验基础。通过系统的微观结构分析和力学性能测试，研究者能够更深入地理解Gd添加对合金性能的影响，并探索其在不同处理条件下的表现。这些发现对于优化高熵合金的制备工艺、提高其在工程应用中的性能表现具有重要意义。

总的来说，这项研究通过系统的实验和分析，揭示了微量Gd添加对CoCrFeNiV_0.4高熵合金微观结构和力学性能的调控机制。研究结果表明，Gd的添加能够有效提升合金的强度和韧性，特别是在冷轧和退火处理后表现出优异的综合性能。此外，研究还强调了冷轧和退火处理在优化高熵合金性能中的关键作用，并指出了在不同Gd浓度下材料性能的变化趋势。这些发现不仅为高熵合金的设计和制备提供了新的思路，也为未来在结构材料领域中应用这类合金奠定了坚实的基础。