在当今工业4.0、智能制造的大背景下，机械设计与制造的重要性日益凸显，随着科技的不断进步，机械行业正朝着智能化、绿色化、个性化的方向发展，因此对于机械设计与制造专业的学生来说，不仅需要扎实的专业基础，更需要具备创新思维、跨学科融合能力、对新技术的敏锐洞察能力。
在未来规划方面，机械设计与制造专业学生可以根据自己的兴趣和职业规划选择不同的发展路径，以下是几种可能的规划方向：
1.技术研发：加深对机械设计原理和制造工艺的理解，参与智能制造、机器人、增材制造等前沿技术研发。
2、产品设计与开发：运用CAD/CAM等工具，设计开发机械产品，满足市场需求，提高产品竞争力。
3、工艺优化与管理：优化生产流程，提高生产效率和产品质量，降低生产成本，实现可持续发展。
4、质量控制：通过先进的检测技术和质量管理体系，保证产品质量，提高顾客满意度。
5、国际化发展：掌握国际机械行业的标准与规范，参与国际项目与合作，拓展国际视野和职业发展空间。
6、继续深造：通过研究生学习和专业培训，可以提高自己的专业水平，为未来的职业生涯打下坚实的基础。
无论选择哪个方向，机械设计与制造专业的学生都应保持学习新技术的热情，不断更新知识体系，以适应不断变化的市场需求。同时，积极参加实践活动和项目体验，提高实践能力和团队合作精神，为未来就业做好充分准备。
东华大学团队成功开发高温氧化环境用电磁屏蔽材料
近期，该团队成功研制出一种新型异价取代中熵（ME）钙钛矿陶瓷材料（Sr0.25Ba0.25Ca0.25La0.25）TiO3（简称SBCL），解决了陶瓷材料电磁损耗能力与高温氧化气氛下稳定性之间的矛盾。在熵效应和异价取代的双重作用下，该材料表现出优异的电磁屏蔽性能，在1000℃空气中处理100小时后，其电磁屏蔽效能仍在30 dB/mm以上。
该工作采用固相反应法合成了SBCL异价ME钙钛矿陶瓷，并成功在材料中引入高浓度的Ti和O空位（图1）。研究人员通过电子探针微分析（EPMA）和电子自旋共振（EPR）谱等技术，准确量化了材料中的元素组成和缺陷类型。研究发现，由于A位构型熵的增加，Ti空位是SBC和SBCL陶瓷中的主要补偿机制。因此，在熵效应和异价取代的协同作用下，SBCL中存在高浓度的Ti空位和O空位。这与之前研究认为高氧分压下La掺杂SrTiO3陶瓷中Sr空位是唯一的电荷补偿机制有很大不同。
图 1. 随熵增加和异价取代的结构演变。a) STO、SBC 和 SBCL 陶瓷的晶格结构示意图；红色虚线圆代表 Ti-O 空位团。b) SBCL 陶瓷中元素分布的 HAADF 图像和原子能谱。ce) STO、SBC 和 SBCL 陶瓷沿 εxx 方向的应变分布；插图为对应于 xx 方向的 GPA 图像。
第一性原理计算发现SBCL钙钛矿中Ti-O空位团的形成能为负，从热力学上证明了高浓度空位团的稳定性（图2）。由于点缺陷的形成在热力学上是有利的，因此高缺陷的SBCL陶瓷在高温退火后结构仍然稳定。对比所研究的氧化物钙钛矿在1000 ℃退火前后的外观发现，STO、SLTO和SBC陶瓷在热处理后出现了明显的颜色变化，由黑色变为白色，这可以归因于吸氧后能带结构的变化。而SBCL陶瓷在高温退火后颜色变化不大，说明能带变化较小，这与阻抗谱测量结果和DFT计算的态密度（DOSs）计算结果一致。 此外，EPR结果显示，只有SBCL钙钛矿陶瓷在高温退火前后氧空位浓度没有明显下降，表明其在高温氧化环境中具有稳定性。
图 2. 各种钙钛矿陶瓷的空位稳定性。a) 随着 Ti 和 O 空位浓度的增加，计算 SBCL 钙钛矿的形成能。b) 1000°C 退火前后钙钛矿陶瓷的光学图像。c) 在 450°C 下测量的高温氧化物钙钛矿陶瓷的奈奎斯特图。d) SLTO、SBC 和 SBCL 陶瓷的态密度。e) 各种钙钛矿陶瓷的 EPR 光谱，黑色和红色曲线分别代表退火前后的结果。
高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像分析证实了Ti和O空位聚集形成的稳定空位团。同时，第一性原理计算发现空位团的形成显著影响电子分布的均匀性并增强偶极极化（图3）。与其他钙钛矿材料相比，由于高浓度空位团的存在，单价取代中熵钙钛矿陶瓷表现出更好的电磁屏蔽性能。这些空位团的存在使材料在GHz频段具有较大的复数介电常数和极化损耗。较大复数介电常数造成的阻抗失配使材料具有较高的反射特性，而偶极极化造成的较大极化损耗使其具有良好的吸收特性。特别值得一提的是，即使在高温氧化环境下，单价取代中熵钙钛矿陶瓷仍能保持稳定的电磁屏蔽性能（图4）。
图 3. 异价中熵钙钛矿陶瓷中的空位团。a) 沿 SBCL 钙钛矿 [001] 晶轴的 iDPC-STEM 图像和 b) 高分辨率 HAADF-STEM 图像。c) 从 a 和 b 获得的强度曲线，用于说明 Ti-O 空位团。d、e) 分别模拟 STO 和 SBCL 钙钛矿中的电荷分布。f) 计算具有不同缺陷的 STO 和 SBCL 钙钛矿的极化率结果。
图4. 各种钙钛矿的介电性能和EMI屏蔽性能。a) 高温退火前后钙钛矿陶瓷的ε'、ε''、tanδ和|Zin/Z0|的频率依赖性。e) 分别在室温（RT）和700°C下测量SBCL陶瓷在X波段的EMI屏蔽性能。f) 不同钙钛矿陶瓷在不同退火温度下在10 GHz下的RT SETotal和SER值。
高缺陷钙钛矿除了可以屏蔽电磁干扰外，还可以作为热障材料发挥双重防护作用。在300~800 K范围内，SBCL陶瓷的热导率（2.86 Wm-1K-1）与最常用的8YSZ热障涂层材料接近。通过比较可以看出，在已报道的陶瓷材料中，高缺陷ME钙钛矿在X波段的比屏蔽效能（SSE）最高，且热导率相对较低。因此，SBCL陶瓷可以作为电磁波和热的双功能屏蔽材料（图5）。
图5. 电磁和热双功能屏蔽性能。a）各种钙钛矿和YSZ陶瓷的热导率随温度的变化。b）丁烷喷灯火焰下的SBCL陶瓷的数码照片和红外图像。c）与其他材料的特定电磁屏蔽效能和热阻率比较。d）四价取代中熵钙钛矿的电磁和热屏蔽机理示意图。
该研究不仅为高温氧化环境下的高效电磁干扰屏蔽提供了新材料，而且揭示了熵效应对高浓度缺陷的稳定作用，为设计具有特定电磁性能的结构功能一体化陶瓷材料提供了重要的理论基础和实验依据。
相关研究成果发表在Advanced Materials杂志上，东华大学材料学院博士生刘永平为第一作者，东华大学范宇驰研究员、北京智能科学研究院庹平博士为共同通讯作者。该项研究工作得到了国家自然科学基金和上海市教委科研创新计划重大项目的支持。同时感谢北京智能科学研究院戴福志博士和福州大学电子显微镜中心余志阳研究员对此项工作的大力支持。
原文（扫描或长按二维码识别后直达原文页面）：
一种用于恶劣环境下电磁干扰屏蔽的高缺陷中熵钙钛矿陶瓷
刘永平、庹平、戴富志、余志阳、赖伟、丁奇、闫鹏、高杰、胡云峰、胡逸轩、范宇驰、蒋万
Adv. Mater.，2024，DOI：10.1002/adma.202400059
导师介绍
姜冠
范宇驰
