01 全文速览

金铂（Au-Pt）合金由于其超低的磁化率在航天器检验质量中引起了广泛的关注。然而，Au含量对合金性能的影响尚不明朗。本团队首次提出采用密度泛函理论第一性原理计算和实验方法实现了超低磁化率的Au-Pt合金的成分设计。系统研究了合金的弹性、热学性能和电子结构，进一步优化了成分范围，确定了Au75Pt25为最适合检验质量材料的合金。同时对该合金冷轧-固溶处理后的相组成进行了表征，表明其为单相FCC结构，实验与计算之间存在很好的验证性。本工作为Au-Pt合金的成分优化提供了新的见解，并为合金的开发奠定了基础。

02 研究背景

高密度和超低磁化率使Au-Pt合金成为引力波探测检验质量材料的绝佳选择，由于它最大限度地减少了空间中外部磁场的干扰。然而，Au (-1.5×10^-7 cm³/g)和Pt (9.7×10^-7cm³/g)的磁化率相差较大，这对控制Au-Pt合金的磁化率提出了重大挑战，且过量的Au会使合金软化，加工困难。此外，航天器在太空运行过程中会受到太阳辐射的影响，合金也会受到温度变化的影响。基于以上，本团队致力于寻求完美的Au-Pt合金成分，以实现超低磁化率、机械加工性和热稳定性之间的微妙平衡。

基于魏德曼加和定律，初步选定了具备超低磁化率的Au-Pt合金成分范围。开创性的采用密度泛函理论(DFT)系统地研究了Au-Pt合金的弹性和热学性能，以细化最佳成分范围。态密度( DOS )和晶体轨道哈密顿布居(COHP)图进一步阐明了原子轨道和反键态对合金强度的贡献。随后，熔炼并制备了最佳成分点的合金。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和高角暗场-扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)技术对其微观结构进行了观察和表征。同时，对合金的维氏硬度也进行了测试和验证。本研究丰富了Au-Pt贵金属合金的性能数据库，为合金的成分优化提供了新的思路。

03 本文亮点

基于超低磁化率实现了Au-Pt合金的成分设计与优化

Au75Pt25是理论体积磁化率和杨氏模量各向异性值最低的最佳合金

Pt的d轨道电子和反键态的贡献影响合金的整体强度

04 图文解析

图1 结构优化后的Au-Pt合金模型 (a) Au45Pt55, (b) Au50Pt50, (c) Au55Pt45, (d) Au60Pt40, (e) Au65Pt35, (f) Au70Pt30, (g) Au75Pt25, (h) Au80Pt20, (i) Au85Pt15

图2 Au-Pt合金的弹性性质 (a) 弹性常数，(b) 模量，包括体积模量(B)、剪切模量(G)和杨氏模量(E)，(c) Pugh比值(B/G)和泊松比(v)，(d) GPa和HV单位的硬度值

图3 杨氏模量的二维曲面轮廓(a) (xy)平面 (b) (xz)平面 (a) (yz)平面 (d) 各向异性值 (A^U)

图4 Au-Pt合金的热学性质 (a) 热容(C_v)，(b) 0~1000 K内的热膨胀系数(α)

图5 Au-Pt合金的总态密度与分波态密度图 (a)Au45Pt55, (b)Au50Pt50, (c)Au55Pt45, (d)Au60Pt40, (e)Au65Pt35, (f)Au70Pt30, (g)Au75Pt25, (h)Au80Pt20, (i)Au85Pt15

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

图7 Au75Pt25合金的SEM、TEM和HAADF-STEM表征 (a) SEM下的二次电子相，(b) TEM下的明场相，(c) SAED花样，(d) Au和Pt元素的HAADF-STEM图像和EDS-STEM表征

05 总结与展望

为探明Au含量对合金磁化率、力-热学性能的影响规律，本团队创新性的基于第一性原理和实验方法实现了超低磁化率Au-Pt合金的成分设计。发现当Au含量为45~85 wt .%时，可以实现超低体积磁化率(χ_Au-Pt= 10^-5~10^-6)。弹性和热学性能计算结果表明，当Au含量高于75 wt .%会导致合金软化，不利于机械加工和抛光。当Au含量低于65 wt .%时，A^U值急剧增加，加工性能会变差。因此，65~75wt .% Au是Au-Pt合金中的最佳成分范围。结合DOS和COHP的计算结果，Pt的d电子轨道贡献降低和Au-Pt键之间反键态的增加是导致合金强度降低的原因，这与模量和德拜温度的计算结果是一致的。Au75Pt25由于其最低的磁化率和A^U值被进一步实验验证。XRD和SAED观察表明，该固溶态合金的显微组织为单相FCC结构。由HAADF-STEM可知，合金中Au和Pt元素分布均匀，实验硬度与DFT结果吻合的很好。本工作为高性能Au-Pt合金的设计开发提供了全新的思路和理论支撑。

06 作者介绍

卢艳丽，西北工业大学材料学院，教授，博士生导师，美国宾夕法尼亚州立大学国家公派访问学者，致力于先进金属材料微观组织与性能的相场方法、第一性原理、有限元等多尺度模拟与实验研究。中国材料研究学会终身会员，全国轻合金材料专家委员会常务委员。主持4项国家自然科学基金、陕西省自然科学基金等课题20余项，作为骨干，参与国家重点研发计划课题及国家重大科技专项项目。在国内外权威学术期刊发表SCI论文110余篇，授权国家发明专利6项。担任Journal of Alloys and Compounds等多个SCI期刊审稿人。获陕西省科学技术奖、中国航空学会科学技术奖、陕西省航空学会青年科技奖、陕西省教科文卫体系统“五一”巾帼标兵等。

教师主页：https://teacher.nwpu.edu.cn/luyanli.html

   吴尉，西北工业大学材料学院2022级博士，中共党员。主要从事超低磁化率金铂合金的组织与性能研究，作为骨干，参与国家重点研发计划“惯性传感器检验质量的结构与材料设计”子课题（超低扰动检验质量的设计、研制与测试技术），及多项课题，以第一作者发表SCI论文2篇。曾受邀在2024中国材料大会、2024欧洲先进材料大会上作口头报告。获首届全国研究生金相实验分析大赛二等奖，多次荣获西北工业大学一等奖学金，获校级优秀研究生、校级优秀共青团员、校级五四青年表彰等诸多荣誉。

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