1.陈阳博士学位论文答辩公告
01
学位论文简介
研究内容
随着人类社会的持续发展，能耗和环境污染问题日益凸显，核能拥有能量密度高和污染小的特点。镍基高温合金和高熵合金因其优异耐辐照和高温性能，在核反应堆结构材料领域中有着极好的应用前景。本文以高熵合金和镍基高温合金两类先进合金为研究对象，采用理论建模、数值模拟和实验验证相结合的方法，跨尺度地研究了合金的变形机制和服役行为。取得了以下主要创新性研究成果：
(1)基于微米尺度的位错动力学模拟，探索了辐照诱发空洞的形状相关的强化行为，提出了一个理论公式预测了空洞形状依赖的临界分剪切应力，结合晶体塑性理论框架，预测了辐照面心立方金属在不同辐照剂量、时间和温度下的宏观力学行为。
(2)基于微米尺度的位错动力学模拟，揭示了析出相尺寸富集和空间分布依赖的强化机制，提出了一种使用最小生成树来描述析出相间距变化的新统计方法，准确评估了析出相空间分布对强度的贡献，获得了最优的尺寸偏差程度和空间分布构型。
(3)采用纳米尺度的分子动力学模拟，调查了双相纳米晶高熵合金的变形行为，发现了相界诱发的强化及相变诱发塑性的新机制，结合球差校正扫描透射电子显微镜测量的晶格应变场，开发了新的三维离散位错动力学模拟方法，揭示了高熵合金中与传统强化机制不同的“晶格畸变波动弥散度和振幅关联的非均匀应变强化机制”。
(4)将开发的晶格畸变依赖离散位错动力学的方法，应用于体心立方难熔高熵合金中，揭示了短程有序依赖的刃位错诱发位错森强化的强化机制。
02
主要学术成果
[1]Chen Y, Fang Q H*, Luo SH, Liu F, Liu B, Liu Y, Huang Z W*, Liaw P K, Li J*, Unraveling a novel precipitate enrichment dependent strengthening behaviour in nickel-based superalloy. International Journal of Plasticity, 2022, 155, 103333. (SCI)
[2]Chen Y, Liu Y B*, Fang Q H*, Li J*, Liu Y, Liaw P K, An unified model for dislocations interacting with complex-shape voids in irradiated metals. International Journal of Mechanical Sciences, 2020, 185, 105689. (SCI)
[3]Chen Y, Fang Q H, Liu Y B, Liu B, Liu Y, Li J*, Liaw P K, Void-shape dependent hardening model in irradiated face-centered-cubic metals. Journal of Nuclear Materials, 2020, 540, 152281. (SCI)
[4]Chen Y, Xie B B, Liu B, Cao Y K, Li J*, Fang Q H*, Liaw P K*, A focused review on engineering application of multi-principal element alloy. Frontiers in Materials, 2022, 8, 625. (SCI)
[5]陈阳, 彭静, 李甲, 刘彬, 方棋洪. 高熵合金辐照硬化与力学性能研究. 固体力学学报, 2020, 41, 600-613. (EI)
[6]Li J, Chen Y, He Q F, Xu X D, Wang H, Jiang C, Liu B, Fang Q H*, Liu Y, Yang Y*, Liaw P K, Liu C T, Novel heterogeneous lattice strain strengthening in severely distorted crystalline solids. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022, (Accept). (SCI)
[7]Fang Q H, Chen Y, Li J*, Jiang C*, Liu B, Liu Y, Liaw P K*, Probing the phase transformation and dislocation evolution in dual-phase high-entropy alloys. International Journal of Plasticity, 2019, 114, 161-173. (SCI)
[8]Fang Q H, Chen Y, Li J, Liu Y B*, Liu Y*, Microstructure and mechanical properties of FeCoCrNiNbX high-entropy alloy coatings. Physica B: Condensed Matter, 2018, 550, 112-116. (SCI)
2.李理博士学位论文答辩公告
01
学位论文简介
研究内容
高性能合金材料的开发决定了我国航空航天、能源、国防等领域的创新发展。本文以高性能合金为研究对象，针对镍基高温合金和高熵合金复杂的成分与微结构，建立了定量化的“成分-微结构-性能”关联模型，发展了基于强韧化机制/服役性能为导向的合金设计方法。本论文的主要研究成果和创新点如下：
（1）考虑了位错与析出相交互作用的空间不确定性以及析出相的多尺度统计分布效应，建立了概率依赖的位错与析出相交互作用统计物理模型。该模型成功的解决了现有模型中weak-pair coupling转变到strong-pair coupling的不合理的应力突变问题。预测了最优性能对应的析出相尺寸范围，获得了最优强度对应的冷却速率范围。
（2）以高熵合金元素的原子半径和剪切模量为功能基元，构建了描述高熵合金晶格畸变效应的力学模型。该模型从原子尺度揭示了不同主元之间的原子尺寸失配和模量失配对高熵合金屈服强度的影响。评估了不同元素类型对屈服强度的贡献，为筛选及发现高强度高熵合金提供了科学依据。
（3）结合分子动力学模拟及理论建模，研究了纳米晶高熵合金在不同应变率和温度下的变形机制和力学行为。分子动力学模拟定性揭示了合金不同应变率下的变形机制。晶体塑性本构模型定量预测了不同机制对强度及应变硬化的贡献。
（4）使用机器学习、物理建模和分子动力学模拟的一体化设计方法，确定了对于具有165nm大晶粒尺寸的异质晶粒CrCoFeNi高熵合金，从Hall-Petch到逆Hall-Petch关系的转折点出现在38.4nm的晶粒尺寸处，获得了高屈服强度异构纳米晶CrCoFeNi高熵合金。
02
主要学术成果
[1]Li L., Liu F., Tan L., Fang, Q*., Li, J*., Liaw, P. K. (2022) Uncertainty and statistics of dislocation-precipitate interactions on creep resistance. Cell Reports Physical Science, 3, 100704.（SCI，第一作者）
[2] Li, L., Fang, Q*., Li, J*., Liu, B., Liu, Y., Liaw, P. K. (2020). Lattice-distortion dependent yield strength in high entropy alloys. Materials Science and Engineering: A, 784, 139323. （SCI，第一作者）
[3] Li, L., Fang, Q*., Li, J*., Wu, H. (2019). Origin of strengthening-softening trade-off in gradient nanostructured body-centred cubic alloys. Journal of Alloys and Compounds, 775, 270-280. （SCI，第一作者）
[4] Li, L., Xie, B., Fang, Q*., Li, J*. (2021). Machine Learning Approach to Design High Entropy Alloys with Heterogeneous Grain Structures. Metallurgical and Materials Transactions A, 52(2), 439-448. （SCI，第一作者）
[5] Li, L., Chen, H., Fang, Q., Li, J*., Liu, F., Liu, Y., Liaw, P. K. (2020). Effects of temperature and strain rate on plastic deformation mechanisms of nanocrystalline high-entropy alloys. Intermetallics, 120, 106741. （SCI，第一作者）
[6]Fang, Q., Li, L., Li, J*., Wu, H., Huang, Z., Liu, B., Liaw, P. K. (2019). A statistical theory of probability-dependent precipitation strengthening in metals and alloys. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 122, 177-189. （SCI，导师第一作者）
[7] Peng, J#., Li, L#., Li, F., Liu, B., Zherebtsov, S., Fang, Q*., Li, J*., Liaw, P. K. (2021). The predicted rate-dependent deformation behaviour and multistage strain hardening in a model heterostructured body-centered cubic high entropy alloy. International Journal of Plasticity, 145, 103073. （SCI，共同第一作者）
[8] Li, J#., Xie, B#., Li, L#., Liu, B., Liu, Y., Shaysultanov, D., … & Liaw, P. K. (2022). Performance-oriented multistage design for multi-principal element alloys with low cost yet high efficiency. Materials Horizons.（SCI，共同第一作者）
[9] Fang, Q., Li, L., Wang, X., Li, J*., Jiang, L. (2018). Abnormal grain coarsening mechanism in conical nickel. Journal of Alloys and Compounds, 768, 613-617. （SCI，导师第一作者）
[10] Fang, Q., Li, L., Li, J*., Wu, H*. (2018). Strengthening mechanism of gradient nanostructured body-centred cubic iron film: From inverse Hall-Petch to classic Hall-Petch. Computational Materials Science, 152, 236-242. （SCI，导师第一作者）
[11] Xie, B#., Li, L#., Fang, Q., Li, J*., Liu, B., Huang, Z., Tan, L*. (2021). Evolution of residual stress and its impact on Ni-based superalloy. International Journal of Mechanical Sciences, 106494. （SCI，共同第一作者）
[12] Li, J., Li, L., Jiang, C., Fang, Q*., Liu, F., Liu, Y., Liaw, P. K. (2020). Probing deformation mechanisms of gradient nanostructured CrCoNi medium entropy alloy. Journal of Materials Science & Technology, 57, 85-91. （SCI，导师第一作者）
[13] Luo, G#., Li, L#., Fang, Q., Li, J*., Tian, Y., Liu, Y., Liaw, P. K. (2021). Microstructural evolution and mechanical properties of FeCoCrNiCu high entropy alloys: a microstructure-based constitutive model and a molecular dynamics simulation study. Applied Mathematics and Mechanics, 1-14. （SCI，共同第一作者）
[14] Li, F#., Li, L#., Fang, Q*., Li, J*., Liu, B., Liu, Y. (2020). The probability-correlative oxide particle strengthening in solid-solution alloys. Journal of Materials Science, 55(27), 13414-13423. （SCI，共同第一作者）
[15] Fang, Q., Huang, Z., Li, L., Huang, Z., Liu, B., Liu, Y., … & Liaw, P. K. (2022). Modeling the competition between solid solution and precipitate strengthening of alloys in a 3D space. International Journal of Plasticity, 149, 103152.（SCI）
3. 冉俊辉博士学位论文答辩公告
01
学位论文简介
研究内容
本论文针对混合阳离子基铅卤钙钛矿的薄膜制备、缺陷钝化、界面载流子传输与复合机制、以及器件湿/热稳定性等方面存在的科学问题开展了系统性研究，构建了高效稳定的p-i-n型平面PSC，揭示了混合阳离子基铅卤钙钛矿薄膜的界面调控对电池效率和稳定性提升的作用机制。本论文的主要成果如下：
1. 双阳离子基钙钛矿薄膜的双边界面优化有效提升了薄膜质量、电池效率以及湿度稳定性。提出了采用两亲共轭聚电解质PFN和非富勒烯受体分子ITIC分别对poly-TPD/PVSK和PVSK/C60两个界面进行同步优化的新策略。PFN改善了poly-TPD薄膜的亲水性从而提高了钙钛矿薄膜的致密度和连续性，同时ITIC不仅提高了薄膜表面的疏水性，还钝化了薄膜的晶界和表面缺陷，制备出了高质量的FAMA双阳离子基钙钛矿薄膜和高效稳定的PSC。通过双边界面调控使器件效率值从18.7%提升到20.5%，同时VOC从1.077 V提升至1.124 V，显著降低了器件的能量损失（仅为0.38 eV）；PFN和ITIC协同处理的器件在55 ± 5%RH空气环境下老化300 h后，仍能保持初始效率值的84.7%。
2. 三苯胺:聚苯乙烯（TPA:PS）混合层显著降低了双阳离子基钙钛矿太阳能电池的能量损失并提高了湿度稳定性。基于路易斯酸碱理论和隧道结原理，提出了采用TPA:PS混合层调控钙钛矿/C60界面的新方法。TPA:PS混合层提高了薄膜表面的疏水性和界面的接触性，阐明了TPA中孤对电子与Pb2+离子之间的路易斯酸碱相互作用提升钙钛矿/C60界面载流子传输以及抑制载流子复合的机制。TPA:PS混合层优化处理使器件效率从18.8%提升到21.8%，VOC从1.047 V提升至1.153 V，能量损失从0.49 eV降低到了0.35 eV；TPA:PS界面疏水层提升了器件的抗湿性能，在空气环境（RH= 40 ~ 60%）条件下存放10天后，PSC效率仍能保持初始PCE值的91%以上。
3. 三阳离子基钙钛矿薄膜的结构调控实现了器件效率和稳定性的同步提升。提出了采用咪唑基磺酸盐离子液体（BMImOTs）调控钙钛矿结晶过程，形成了晶粒尺寸更大和表面疏水性更高的钙钛矿薄膜，该添加剂位于钙钛矿薄膜的晶界，从而有效钝化晶界局域的Pb2+离子和Pb0缺陷，提高了界面载流子的传输效率。BMImOTs修饰后的器件效率从19.1%提高到了20.7%，VOC从1.095提升至1.128 V；经过BMImOTs修饰后，器件在85 °C和55 ± 5%RH条件下老化400 h后分别保持了初始效率值的87.6%和89.2%，明显降低了器件在湿/热环境下的效率损失。
4. 三阳离子基钙钛矿薄膜的结晶调控和缺陷钝化实现了电池效率和热稳定性的协同提升。提出了采用丁基醋酸铵（BAAc）多功能添加剂调制前驱体溶液、钝化缺陷以及调控三阳离子基钙钛矿结晶过程的新思路。揭示了BAAc与前驱体和薄膜之间形成C=O−Pb螯合键和N−H∙∙∙I氢键的相互作用机制，阐明了BAAc添加剂延缓CsFAMA钙钛矿结晶速度增大晶粒尺寸的规律，获得了择优取向更好和晶体结构更稳定的高质量三阳离子基钙钛矿薄膜，降低了界面载流子复合损耗。BAAc提高了CsFAMA钙钛矿薄膜在85 °C下的热稳定性；BAAc优化使器件效率从18.6%提高到了20.2%，同时VOC也从1.089 V提升到至1.120 V；BAAc的引入使器件在85 °C条件下老化700 h后，PCE仍能保持其初始值的79.5%，在35 ± 5%相对湿度的环境条件下老化650 h后，器件效率还能维持其初始PCE值的76.3%。
主要创新点
（1）采用两亲共轭聚电解质PFN和非富勒烯受体分子ITIC分别对poly-TPD/钙钛矿和钙钛矿/C60两个界面进行同步优化的新策略。PFN改善了poly-TPD薄膜的亲水性从而提高了双阳离子基钙钛矿薄膜的致密度和连续性，ITIC不仅提高了薄膜表面的疏水性，还钝化了薄膜的晶界和表面缺陷，通过双边界面调控制备出了高质量的钙钛矿薄膜及高效稳定的太阳能电池。
（2）基于路易斯酸碱理论和隧道结原理，利用TPA:PS混合层调控钙钛矿/C60界面的新方法。TPA:PS混合层提高了薄膜表面的疏水性和界面的接触性，TPA中孤对电子与Pb2+离子之间的路易斯酸碱相互作用提升了钙钛矿/C60界面载流子传输以及抑制了载流子复合，通过混合层界面处理构建出了高效且性能稳定的太阳能电池。
（3）采用BMImOTs调控钙钛矿的结晶过程，形成了晶粒尺寸更大和表面疏水性更高的钙钛矿薄膜，并有效钝化晶界局域的未配位Pb2+离子和Pb0缺陷，提高了界面载流子的传输效率，BMImOTs的引入实现了器件效率和湿/热稳定性的同步提升。
（4）多功能添加剂BAAc同时实现了调制前驱体溶液、钝化缺陷以及调控钙钛矿结晶过程。BAAc通过其与前驱体和薄膜之间形成C=O−Pb螯合键和N−H∙∙∙I氢键相互作用，获得了择优取向更好和晶体结构更稳定的高质量三阳离子基钙钛矿薄膜，同时降低了界面载流子复合损耗，提升了高效钙钛矿太阳能电池在高温和较高湿度环境下的器件寿命。
02
主要学术成果
发表的学术论文
[1]Junhui Ran, Ondrej Dyck, Xiaozheng Wang, Bin Yang*, David B. Geohegan, Kai Xiao*. Electron Beam Related Studies of Halide Perovskites: Challenges and Opportunities.[J]. Advanced Energy Materials,2020,10,1903191.
[2]Junhui Ran, Pan Yuan, HaiPeng Xie, Fang Wan, Yifu Chen, Yongbo Yuan, Mai He, Jia Li, Xiao Wang, Anlian Pan, Yongli Gao, Bin Yang*. Triphenylamine-Polystyrene Blends for Perovskite Solar Cells with Simultaneous Energy Loss Suppression and Stability Improvement.[J]. Solar RRL, 2020, 4, 2000490.
[3]Junhui Ran, Hao Wang, Wen Deng, Haipeng Xie, Yongli Gao, Yongbo Yuan, Yingguo Yang, Zhijun Ning, Bin Yang*.Ionic Liquid-Tuned Crystallization for Stable and Efficient Perovskite Solar Cells.[J]. Solar RRL, 2022, 2200176.
[4]Ting Zhang, Junhui Ran, Chao Ma, Bin Yang*. A Universal Approach to Enhance Glucose Biosensor Performance by Building Blocks of Au Nanoparticles.[J]. Advanced Materials Interfaces, 2020, 7, 2000227.
[5]Xiaozheng Wang, Jia Li, Yifu Chen, Junhui Ran, Yongbo Yuan, Bin Yang*. Spray-Coating Thick Films of All-Inorganic Halide Perovskites for Filterless Narrowband Photodetectors.[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2022,14, 24583.
来源 |湖南大学研究生院
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