《Materials Reports: Energy》：Boosting supercapacitive performance of CoS
2 nanostructures through phosphorous doping strategy
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MnCu合金超声空化处理研究表明，处理时间影响表面形貌、显微结构和力学性能。15分钟处理后表面粗糙度和质量损失增加，位错堆积和马氏体相变（fcc→fct）导致硬度提升39.1%，腐蚀电流密度降低两个数量级。持续处理强化空化腐蚀，但相变诱导孪生效应减弱，硬度下降。协同机制包括位错强化、相变孪生及能量耗散共同作用，提升表面性能但耐蚀性随时间延长先增后降。
赵俊贤|刘海霞|吕鹏|邹浩宇|季建飞
江苏大学材料科学与工程学院，镇江212013，中国
摘要
本研究旨在表征和阐明MnCu合金对超声空化处理的响应。研究了处理时间对试样表面形态、微观结构和力学性能的影响。结果表明，随着空化效应的累积，处理后的试样表层会出现位错聚集和孪晶生长，从而导致从面心立方（fcc）马氏体向面心四方（fct）马氏体的相变。表面粗糙度和质量损失均随处理时间的增加而增加。经过15分钟的空化处理后，腐蚀电流密度降低了两个数量级。随着空化处理的进一步进行，空化侵蚀加剧，孪晶形成和马氏体转变的效果减弱，导致表面硬度和耐腐蚀性下降。超声空化处理通过位错强化、相变诱导的孪晶形成和能量耗散的协同机制影响MnCu合金的表面性能。
引言
MnCu合金因其独特的阻尼性能和力学性能，在航空航天、海洋工程和高端设备制造等工程领域受到了关注[[1], [2], [3], [4]]。其高阻尼能力源于内部孪晶界或相界的运动，通过面心立方（fcc）到面心四方（fct）的马氏体转变有效耗散振动能量[5,6]。因此，MnCu合金是理想的振动阻尼和降噪材料[7,8]。然而，随着工业环境复杂性的增加，传统MnCu合金的性能局限性变得明显，这需要技术创新以进一步扩展其工程应用[[9], [10], [11], [12]]。特别是，在高湿度、高盐度或涉及腐蚀性介质的环境中，MnCu合金的耐腐蚀性和耐磨性较低，容易发生点蚀和磨损，从而增加材料失效的风险[13,14]。此外，传统的表面改性技术（如电镀或喷涂）存在结合强度低和环境兼容性差的问题，难以显著提高MnCu合金的整体性能[15,16]。
超声空化处理由于其独特的非热效应和高可控性，在表面改性方面展现出巨大潜力[17,18]。此外，这种技术环保，因为它依靠物理过程，不会产生有害副产品。空化气泡破裂产生的瞬态高压（>100 MPa）能够对浸没在液体介质中的试样进行微尺度表面改性[19,20]。此外，该技术还有效细化了基于Cu、Al和Mg的合金的晶粒结构，同时提高了这些材料的表面硬度和耐腐蚀性[21,22]。然而，目前对MnCu合金的超声空化处理研究较少，其表面、微观结构和力学性能对空化处理的响应尚未得到充分解释。
本研究旨在探讨超声空化处理对MnCu合金微观结构和力学性能的影响。实验中使用了蒸馏水作为液体介质，建立了MnCu合金的超声空化处理装置，并改变了超声空化处理时间以研究其性能的变化。对微观结构和力学性能进行了全面比较，讨论了MnCu合金在超声空化处理下的强化和磨损机制。预期所得结论将有助于理解MnCu合金对超声空化处理的响应，并为提高其性能提供参考。
材料与实验装置
本研究中使用的MnCu合金由江苏天启新材料应用研究院有限公司制备。采用线切割技术制备了尺寸为Φ15 mm × 5.0 mm的圆柱形MnCu合金试样，先用800–3000#碳化硅砂纸抛光，再用1.0 μm金刚石喷雾抛光。随后，将试样在无水乙醇中超声清洗15分钟。腐蚀试验使用特定的腐蚀剂进行。
表面微观结构
如图2所示，原始MnCu合金试样表现出典型的树枝状表面形态，这是通过扫描电子显微镜（SEM）观察到的。通过对不同表面区域的点扫描，发现成分存在显著差异。树枝状结构的形成主要是由于Mn和Cu的熔点不同所致。在凝固过程中，首先析出的Mn优先形成富Mn的区域。
表面硬度
MnCu合金的微观结构与其表面性能密切相关。特别是，试样的表面硬度随微观结构的变化而变化。图9(a)展示了测试试样表面硬度的变化情况。初始表面硬度约为147.3 HV。经过15分钟的超声空化处理后，表面硬度增加到204.9 HV，相对于原始试样提高了39.1%。
表面改性机制
在超声空化处理下，MnCu合金试样的微观结构发生了显著变化。如图11所示，可以清晰地识别出五个特征阶段。在第一阶段，空化气泡破裂释放的机械能导致晶粒内部的滑移，引起微塑性变形、晶格旋转以及晶体取向的变化。此时，位错结构分布较为稀疏且均匀。
结论
- (1)
超声空化处理诱导了MnCu合金的马氏体转变。在超声空化处理的后期阶段，会产生孪晶，这些孪晶吸收空化气泡破裂产生的能量并发生松弛，导致马氏体孪晶数量减少。经过25分钟的处理后，衍射峰强度下降。
- (2)
随着空化处理的进行，晶格畸变逐渐减弱，这与孪晶的形成密切相关。
作者贡献声明
赵俊贤：撰写初稿、数据可视化、实验研究。刘海霞：撰写、审稿与编辑、实验监督、方法学设计、实验设计、资金申请、概念构思。吕鹏：数据验证、实验研究、数据分析。邹浩宇：实验研究、数据分析、数据管理。季建飞：资源协调、实验研究、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（项目编号52175410和52311540154）的财政支持。同时，作者也感谢江苏省先进金属结构材料与装备技术创新中心提供的微观结构观察仪器以及对实验方法验证的指导。
