1.设备采购必要性

实验室Valiev Z. Ruslan研究团队聚焦于先进金属与亚稳态材料的前沿研究，致力于通过跨尺度的纳米结构精准设计与调控，探索材料性能极限并开发其在尖端领域的创新应用。团队以剧烈塑性变形为核心技术手段，专注于以下研究方向：

(1) 卓越强度与超塑性的纳米结构设计：研究面向卓越强度与超塑性协同提升的纳米

结构设计原理，揭示其变形机制与强化机理，旨在开发新一代高性能结构材料。

(2) 极端条件下纳米材料的晶界工程：开展面向极端条件的纳米材料研究，通过晶界

工程及界面结构优化，显著提升材料的服役稳定性和寿命。

(3) 纳米剧烈塑性变形材料中晶界的计算机模拟：运用分子动力学、相场模拟及第一

性原理计算等先进计算机模拟方法，深入研究纳米剧烈塑性变形材料中晶界等缺陷结构的演化动力学及其对性能的调控规律，实现材料设计的理论预测与优化。

纳米剧烈塑性形变材料（NanoSPD，Nanomaterials with severe plastic deformation）是一种通过特殊加工方法，使金属或合金的晶粒尺寸缩小到纳米尺度的材料。NanoSPD 材料展现出超高的强度，良好的塑性、延展性和韧性，较高的耐磨性和抗疲劳性等诸多优点。NanoSPD材料主要的制备方法如图1所示，含高压扭转（HPT，High-Pressure Torsion）、扭转挤压（TE，Twist Extrusion）、等通道角挤压（ECAP， Equal Channel Angular Pressing）、多向锻造（MDF，Multidirectional Forging）、循环挤压压缩（CEC，Cyclic Extrusion Compression）、累积叠轧焊（ARB，Accumulative Roll-Bonding）等。

其中，HPT、ECAP和ARB三种方法在保持样品尺寸不变的前提下，可以引入大的应变，因此受到广泛的关注。HPT的运转环境中含高压部分，适用于各种类型的金属和非金属材料。同时，HPT引入了其他方法不能提供的大的剪切应变工艺。所以，HPT是制备NanoSPD材料必不可少的设备。

相比较于其他制备纳米材料的方法，高压扭转系统用于制备纳米材料的优点在于：

1. 实现纳米结构的极限细化与调控：HPT可在块体材料中实现晶粒的极致细化（至纳米甚至亚纳米尺度），并引入高密度晶界、位错、空位等缺陷。这为研究“纳米结构-性能”内在关联，特别是晶界主导的物理机制（如扩散、相变、力学行为）提供了理想的模型材料。

2. 制备全致密无孔隙、大尺寸且均匀的块体材料：HPT在高压下运行，可制备出直径数厘米、厚度数毫米的圆盘样品。且经过足够扭转后，能有效闭合孔隙，使微观结构在径向上达到均匀，且接近理论密度的块体材料。

3. 制备超细纳米晶与异构材料：通过精确控制HPT工艺参数（压力、扭转圈数、温度），可以制备出均匀的等轴纳米晶，或具有特定梯度结构、层片结构的多级异构材料。这为研究尺寸效应、界面效应以及异构材料中独特的强韧化机制提供了材料设计的新范式。

4. 深化对极端条件下材料行为的理解：HPT过程本身即是对材料在极端应力-应变状态下响应行为的研究。采购该系统将使研究团队能够原位探索高压剪切耦合场下的变形机制、相变路径和再结晶动力学，推动极端条件材料科学的发展。

5. 可处理高温敏感材料：部分金属玻璃合金（如钛基、铝基合金）可能在传统方法中因为高温处理而发生相变或其他不良反应。HPT则可以在常温甚至低温条件下完成塑性变形，减少合金的热效应影响。因此，基于以上，HPT可以精确地锻造材料的内部世界，突破传统制备方法的局限，是制备纳米材料必不可少的设备。

2.设备功能原理：

高压扭转系统主要用于研究材料在高压和扭转条件下的行为。工作原理示意图如图1 ，可以概括为：

（1）施加高压：系统通过一个高压装置对样品施加高压。通常是静态高压，能够达到数GPa的量级。目的在于模拟材料在极端环境下的应力状态，以研究其物理和机械性能。

（2）施加扭转力：在高压条件下，系统对样品施加一个扭转力。扭转力是通过一个扭转装置施加的。扭转力使样品在高压下同时经历剪切应力，进而研究材料的扭转变形和断裂行为。

（3）同步控制：高压和扭转力的施加需要精确的同步控制。（4）样品制备：样品通常制备成特定的几何形状，以便于在高压扭转系统中进行实验。通常有如下三种样品约束形式：（a）无约束；（b）约束形式A；（3）约束形式B