01 全文速覽

金鉑（Au-Pt）合金由于其超低的磁化率在航天器檢驗質量中引起了廣泛的關注。然而，Au含量對合金性能的影響尚不明朗。本團隊首次提出采用密度泛函理論第一性原理計算和實驗方法實現了超低磁化率的Au-Pt合金的成分設計。系統研究了合金的彈性、熱學性能和電子結構，進一步優化了成分范圍，確定了Au75Pt25為最適合檢驗質量材料的合金。同時對該合金冷軋-固溶處理后的相組成進行了表征，表明其為單相FCC結構，實驗與計算之間存在很好的驗證性。本工作為Au-Pt合金的成分優化提供了新的見解，并為合金的開發奠定了基礎。

02 研究背景

高密度和超低磁化率使Au-Pt合金成為引力波探測檢驗質量材料的絕佳選擇，由于它最大限度地減少了空間中外部磁場的干擾。然而，Au (-1.5×10^-7 cm³/g)和Pt (9.7×10^-7cm³/g)的磁化率相差較大，這對控制Au-Pt合金的磁化率提出了重大挑戰，且過量的Au會使合金軟化，加工困難。此外，航天器在太空運行過程中會受到太陽輻射的影響，合金也會受到溫度變化的影響?；谝陨?，本團隊致力于尋求完美的Au-Pt合金成分，以實現超低磁化率、機械加工性和熱穩定性之間的微妙平衡。

基于魏德曼加和定律，初步選定了具備超低磁化率的Au-Pt合金成分范圍。開創性的采用密度泛函理論(DFT)系統地研究了Au-Pt合金的彈性和熱學性能，以細化最佳成分范圍。態密度( DOS )和晶體軌道哈密頓布居(COHP)圖進一步闡明了原子軌道和反鍵態對合金強度的貢獻。隨后，熔煉并制備了最佳成分點的合金。利用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)和高角暗場-掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)技術對其微觀結構進行了觀察和表征。同時，對合金的維氏硬度也進行了測試和驗證。本研究豐富了Au-Pt貴金屬合金的性能數據庫，為合金的成分優化提供了新的思路。

03 本文亮點

基于超低磁化率實現了Au-Pt合金的成分設計與優化

Au75Pt25是理論體積磁化率和楊氏模量各向異性值最低的最佳合金

Pt的d軌道電子和反鍵態的貢獻影響合金的整體強度

04 圖文解析

圖1 結構優化后的Au-Pt合金模型 (a) Au45Pt55, (b) Au50Pt50, (c) Au55Pt45, (d) Au60Pt40, (e) Au65Pt35, (f) Au70Pt30, (g) Au75Pt25, (h) Au80Pt20, (i) Au85Pt15

圖2 Au-Pt合金的彈性性質 (a) 彈性常數，(b) 模量，包括體積模量(B)、剪切模量(G)和楊氏模量(E)，(c) Pugh比值(B/G)和泊松比(v)，(d) GPa和HV單位的硬度值

圖3 楊氏模量的二維曲面輪廓(a) (xy)平面 (b) (xz)平面 (a) (yz)平面 (d) 各向異性值 (A^U)

圖4 Au-Pt合金的熱學性質 (a) 熱容(C_v)，(b) 0~1000 K內的熱膨脹系數(α)

圖5 Au-Pt合金的總態密度與分波態密度圖 (a)Au45Pt55, (b)Au50Pt50, (c)Au55Pt45, (d)Au60Pt40, (e)Au65Pt35, (f)Au70Pt30, (g)Au75Pt25, (h)Au80Pt20, (i)Au85Pt15

圖6 Au-Pt合金的-pCOHP曲線和-IpCOHP值 (a) Au45Pt55, (b) Au50Pt50, (c) Au55Pt45, (d) Au60Pt40, (e) Au65Pt35, (f) Au70Pt30, (g) Au75Pt25, (h) Au80Pt20, (i) Au85Pt15

圖7 Au75Pt25合金的SEM、TEM和HAADF-STEM表征 (a) SEM下的二次電子相，(b) TEM下的明場相，(c) SAED花樣，(d) Au和Pt元素的HAADF-STEM圖像和EDS-STEM表征

05 總結與展望

為探明Au含量對合金磁化率、力-熱學性能的影響規律，本團隊創新性的基于第一性原理和實驗方法實現了超低磁化率Au-Pt合金的成分設計。發現當Au含量為45~85 wt .%時，可以實現超低體積磁化率(χ_Au-Pt= 10^-5~10^-6)。彈性和熱學性能計算結果表明，當Au含量高于75 wt .%會導致合金軟化，不利于機械加工和拋光。當Au含量低于65 wt .%時，A^U值急劇增加，加工性能會變差。因此，65~75wt .% Au是Au-Pt合金中的最佳成分范圍。結合DOS和COHP的計算結果，Pt的d電子軌道貢獻降低和Au-Pt鍵之間反鍵態的增加是導致合金強度降低的原因，這與模量和德拜溫度的計算結果是一致的。Au75Pt25由于其最低的磁化率和A^U值被進一步實驗驗證。XRD和SAED觀察表明，該固溶態合金的顯微組織為單相FCC結構。由HAADF-STEM可知，合金中Au和Pt元素分布均勻，實驗硬度與DFT結果吻合的很好。本工作為高性能Au-Pt合金的設計開發提供了全新的思路和理論支撐。

06 作者介紹

盧艷麗，西北工業大學材料學院，教授，博士生導師，美國賓夕法尼亞州立大學國家公派訪問學者，致力于先進金屬材料微觀組織與性能的相場方法、第一性原理、有限元等多尺度模擬與實驗研究。中國材料研究學會終身會員，全國輕合金材料專家委員會常務委員。主持4項國家自然科學基金、陜西省自然科學基金等課題20余項，作為骨干，參與國家重點研發計劃課題及國家重大科技專項項目。在國內外權威學術期刊發表SCI論文110余篇，授權國家發明專利6項。擔任Journal of Alloys and Compounds等多個SCI期刊審稿人。獲陜西省科學技術獎、中國航空學會科學技術獎、陜西省航空學會青年科技獎、陜西省教科文衛體系統“五一”巾幗標兵等。

教師主頁：https://teacher.nwpu.edu.cn/luyanli.html

   吳尉，西北工業大學材料學院2022級博士，中共黨員。主要從事超低磁化率金鉑合金的組織與性能研究，作為骨干，參與國家重點研發計劃“慣性傳感器檢驗質量的結構與材料設計”子課題（超低擾動檢驗質量的設計、研制與測試技術），及多項課題，以第一作者發表SCI論文2篇。曾受邀在2024中國材料大會、2024歐洲先進材料大會上作口頭報告。獲首屆全國研究生金相實驗分析大賽二等獎，多次榮獲西北工業大學一等獎學金，獲校級優秀研究生、校級優秀共青團員、校級五四青年表彰等諸多榮譽。

07 引用本文

Wei Wu, Yanli Lu, Chenwei Zhai, Lian Ouyang, Wenqing Yang, Rui Hu, Yi Liu, Quan Fu, Composition design of gold-platinum alloy with ultra-low magnetic susceptibility: First-principles and experimental validation, J. Mater. Sci. Technol. 211 (2025) 62-71