Pt-In?Se?单层对锂离子电池（LIBs）中热失控气体（H?、CO、CO?、CH?、C?H?）的吸附与传感性能：基于密度泛函理论（DFT）的研究

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Adsorption and sensing properties of Pt-In 2Se 3 monolayer toward thermal runaway gases (H 2, CO, CO 2, CH 4, C 2H 4) in LIBs: A DFT study

本研究通过激光粉末床融合制备NiTi形状记忆合金，对比低功率/低速（Sample I）和高功率/高速（Sample II）两种加工参数。发现Sample I延展性更好，SIMT平台更平坦，相变速率更高；Sample II具有更强的?001?纤维织构和更低的缺陷密度。揭示加工参数通过影响微观结构和织构，调控SIMT动力学和力学性能，为优化LPBF参数提供指导。

　　NiTi形状记忆合金因其独特的形状记忆效应和超弹性性能，在生物医学和工业领域得到了广泛应用。这些性能主要源于其可逆的非扩散相变过程，即在奥氏体（B2）和马氏体（B19'）之间的转变。然而，传统制造方法在生产复杂几何结构的NiTi组件时面临诸多挑战，包括表面质量差、尺寸不一致以及工具磨损等问题。随着应用需求的多样化，研究者们开始关注先进的制造技术，特别是增材制造（Additive Manufacturing, AM）方法，以克服这些限制。

增材制造技术，如激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF），因其高度的设计自由度和对复杂结构的制造能力，成为研究热点。LPBF通过逐层熔化金属粉末来构建三维结构，能够生成与传统加工方法不同的微观结构和机械性能。然而，尽管已有大量研究探讨了不同打印参数对NiTi合金性能的影响，关于相同体积能量密度（Volumetric Energy Density, VED）下不同能量输入模式对微观结构和机械行为的影响，仍存在知识空白。这种空白限制了对NiTi合金在LPBF过程中的功能性能进行有效调控。

本研究旨在系统地分析不同LPBF加工参数对NiTi形状记忆合金微观结构演化、晶体取向发展以及应力诱导马氏体相变（Stress-Induced Martensitic Transformation, SIMT）行为的影响。实验采用了两种不同的加工模式：一种是低激光功率与低扫描速度组合（Sample I），另一种是高激光功率与高扫描速度组合（Sample Ⅱ）。这两种模式的共同点在于它们均设计为达到相同的体积能量密度。通过对这两种模式下生成的样品进行原位同步辐射高能X射线衍射（High-Energy X-ray Diffraction, HE-XRD）和电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction, EBSD）分析，研究者能够深入理解材料在不同加工条件下的微观结构演变和SIMT特性。

在Sample I中，观察到较为随机的晶粒取向和较大的晶粒尺寸，同时其孔隙率也相对较高。这表明，在较低的能量输入条件下，材料的熔化过程不够充分，导致晶粒生长不均匀，以及较多的未熔化粉末残留，从而形成更多的孔隙。而在Sample Ⅱ中，由于较高的激光功率和较快的扫描速度，材料在熔化过程中受到更强烈的热输入，促使晶粒沿构建方向形成显著的?001?纤维织构，且缺陷密度明显降低。这种织构的形成与材料在加工过程中经历的热循环和冷却速率密切相关，而较低的缺陷密度则有助于提高材料的机械性能和功能特性。

进一步的原位HE-XRD拉伸实验显示，在拉伸方向（Loading Direction, LD）与水平方向（即构建方向）平行的情况下，Sample I表现出更高的延展性、更平坦的SIMT平台以及更快的马氏体相变速率。这表明，尽管Sample I的孔隙率较高，其在拉伸过程中仍能展现出良好的变形能力，这可能与其随机的晶粒取向和较高的晶界面积有关。相反，Sample Ⅱ由于形成了较为有序的?001?纤维织构，其SIMT行为则呈现出不同的特征，例如更明显的相变滞后和较低的延展性。

在变形过程中，两种样品中的定向马氏体晶粒都表现出显著的晶粒间相互作用，这从观察到的[111]//LD方向的负晶格应变中得以体现。这种相互作用可能是由于晶粒间的应力传递和应变协调，从而影响了整体的变形机制和SIMT动力学。此外，研究还发现，不同的加工参数组合不仅影响了材料的微观结构，还对其功能特性产生了深远的影响。例如，高功率和高扫描速度的组合虽然能够促进晶粒细化和织构形成，但也可能导致Ni元素的蒸发损失，进而影响材料的化学成分和相变行为。

值得注意的是，尽管两种加工模式在体积能量密度上保持一致，但它们在实际应用中展现出不同的性能表现。Sample I虽然具有较高的孔隙率，但其延展性和SIMT速率均优于Sample Ⅱ。这一发现对于优化LPBF参数以满足不同应用场景的需求具有重要意义。例如，在需要较高延展性的应用中，如生物医学植入物，Sample I可能是一个更优的选择；而在需要良好机械强度和稳定性的工业应用中，Sample Ⅱ则可能更合适。

此外，研究还揭示了不同加工参数对材料相变温度的影响。高扫描速度的加工条件通常会导致非平衡凝固，从而降低马氏体相变温度（M_s, M_f），并促进奥氏体相的保留。这种现象可能与材料在高温下的快速冷却过程有关，从而影响了其相变动力学。而低扫描速度的加工条件则有助于形成较大的晶粒，这可能与材料在熔化过程中更长的停留时间有关，从而促进了晶粒的生长。

在实际应用中，这些发现对于优化LPBF工艺参数至关重要。通过调整激光功率和扫描速度，可以有效地控制NiTi合金的微观结构和功能特性。例如，若希望获得具有较高延展性和较快SIMT速率的材料，可以选择较低的激光功率和扫描速度组合；而若需要更稳定的机械性能和更低的缺陷密度，则应采用较高的激光功率和扫描速度。然而，这种选择并非没有代价，高功率和高扫描速度可能会导致Ni元素的蒸发损失，从而影响材料的化学成分和性能。

综上所述，本研究通过系统地分析不同LPBF加工参数对NiTi形状记忆合金微观结构和功能特性的影响，揭示了加工条件与材料性能之间的复杂关系。这些发现不仅为理解NiTi合金在LPBF过程中的行为提供了新的视角，也为优化制造工艺以满足特定应用需求提供了重要的理论依据和实践指导。未来的研究可以进一步探讨不同加工参数组合对材料性能的综合影响，以及如何通过工艺优化来实现材料性能的精确调控。