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作者与机构
本文由Yisheng Zheng、Lilin Xie、Yanhui Chen和Xiaodong Han共同撰写。其中，Yisheng Zheng、Yanhui Chen和Xiaodong Han来自北京工业大学先进材料微结构与性能研究所，Lilin Xie则来自河南省科学院量子材料与物理研究所。本文于2025年1月22日发表在期刊《Materials》上，文章标题为《Effects of Hypergravity on Phase Evolution, Synthesis, Structures, and Properties of Materials: A Review》。
主题与背景
本文综述了超重力（Hypergravity）对材料相演化、合成、结构及性能的影响。超重力环境是指重力加速度超过地球表面正常重力加速度（9.81 m/s²）的力场，通常通过离心力实现。超重力条件下，材料内部的应力条件、相间相互作用及质量传递等行为会发生显著变化，从而影响材料的合成、结构演化及性能。本文旨在总结超重力技术的基本原理、应用及其在材料科学中的研究进展，为极端条件下高性能材料的开发提供理论参考。
主要观点与论据
1. 超重力的基本原理与技术
超重力环境通过高速旋转的离心机实现，其力场强度由离心加速度与正常重力加速度的比值（g系数）定义。超重力条件下，材料内部的应力梯度、相间作用力及质量传递显著增强。本文详细介绍了超重力设备，如旋转填充床（Rotating Packed Bed, RPB）和离心机，并阐述了它们在液体和固体材料研究中的应用。旋转填充床通过高速旋转产生强离心力场，显著增强气液或液液界面的更新速率，从而提高传质效率。离心机则用于研究固体材料在超重力条件下的扩散、结构演化及机械行为。
超重力对液相材料合成与分离的影响
超重力环境下，流体的流动特性发生显著变化，自然对流和强制对流增强，从而加速质量传递和相分离。本文通过实验和计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟，研究了旋转填充床中液体的流动形态，如液滴、液膜和液桥的形成及其与超重力强度的关系。此外，超重力技术还被应用于纳米材料的合成，如SrCO₃、Mg(OH)₂和ZnS等，其合成效率显著提高。在材料分离方面，超重力技术通过增强相间作用力和质量传递，实现了金属熔体中非金属夹杂物的高效去除，如304不锈钢中的SiO₂夹杂物在超重力条件下向样品顶部迁移。
超重力对合金冶金过程的影响
超重力条件下，合金熔体的对流和偏析行为显著增强，从而影响凝固过程中的晶粒细化、枝晶生长及组织演化。本文通过实验和相场模拟，研究了超重力对合金凝固过程中晶粒细化、枝晶断裂及等轴晶形成的影响。例如，在Al-8 wt% Cu合金的凝固过程中，超重力诱导的“晶雨”现象显著促进了晶核的增殖，从而细化了晶粒。此外，超重力还影响了合金中枝晶的生长方向和形态，如Al-20 wt% Cu合金中枝晶的断裂和碎片化。
超重力对固态合金扩散与结构演化的影响
超重力环境下，固态合金中的元素扩散行为发生显著变化，尤其是重原子的扩散速率显著提高。本文通过实验和理论分析，研究了超重力对Cu-Zn、Cu-Sn等合金中元素扩散及金属间化合物形成的影响。例如，在Cu-Sn扩散对中，超重力抑制了Cu₃Sn金属间化合物的形成，并减少了Kirkendall孔洞的数量。此外，超重力还影响了合金中缺陷（如位错、晶界）的演化行为，从而改变了材料的机械性能。
超重力对合金材料性能的影响
超重力环境下，合金材料的结构演化显著影响其机械性能。本文通过实验和有限元模拟，研究了超重力对合金材料断裂行为的影响。例如，在1060纯铝和7075铝合金中，超重力条件下裂纹的扩展速度和形态显著不同于常重力条件。超重力诱导的梯度应力场加速了材料的变形和失效过程，从而降低了材料的断裂强度。
意义与价值
本文系统总结了超重力技术在材料科学中的应用及其对材料合成、结构演化及性能的影响，为极端条件下高性能材料的开发提供了理论依据和实验参考。超重力技术通过增强相间作用力和质量传递，显著提高了材料合成与分离的效率，并在合金冶金、固态扩散及机械性能研究方面展现了独特的优势。此外，本文还指出了当前研究的局限性和未来研究方向，如超重力环境下多相变化的复杂相互作用、高精度三维模型的开发以及超重力对多组分合金系统的影响等。
亮点
1. 本文首次系统综述了超重力对材料相演化、合成、结构及性能的影响，填补了该领域的知识空白。
2. 通过实验和模拟相结合的方法，揭示了超重力环境下流体流动、相分离、晶粒细化及枝晶生长的物理机制。
3. 提出了超重力技术在纳米材料合成、金属熔体净化及合金性能优化中的应用前景，为材料科学领域的研究提供了新的思路和方法。
4. 指出了超重力环境下材料研究的挑战和未来方向，如超高重力设备的开发、原子尺度机制的研究等，为该领域的进一步发展提供了指导。
本文不仅总结了超重力技术在材料科学中的研究进展，还为极端条件下高性能材料的开发提供了重要的理论支持和实验依据，具有重要的科学意义和应用价值。