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科研概况
发布日期:2013-12-12   浏览次数:

一、 功能与低维材料

本方向研究微纳米粉体、准一维及薄膜功能材料的制备新技术,材料组成、结构及性能,材料特性与器件性能的关系。在纳/微多尺度粉体制备过程工程、准一维复杂金属氧化物基电磁功能材料及各向异性器件、近零热膨胀复合结构设计及构建等取得了许多具有原创性的学术成果。主要研究内容包括:

1.微纳米粉体材料制备技术及应用

以钨(钼)酸锆、钨酸铝等为主要研究对象,开发了负热膨胀材料粉体的制备新方法,并将这些负热膨胀材料与正的热膨胀系数材料进行复合,实现复合材料热膨胀系数可控;发明了纳米金属(Ni、Cu、Au、Ag等)水热合成及其形貌控制方法,核壳结构陶瓷-纳米金属复合微球非均相沉淀制备方法,成功合成了纳米金属(Fe、Ni、Co及其二元和三元合金)包覆氧化铝(氧化锆、玻璃微珠、碳微球等)一系列具有核壳结构的微纳多尺度粉体材料;基于微球结构设计,首次提出了球形纳米结构氢氧化镍在多相沉淀反应过程中的形成机制,其研究成果已获工业应用。在微纳米粉体形貌控制、水溶液非均相沉淀过程工程、核壳结构及近零热膨胀复合结构设计等方向获得了一系列创新成果。

2.准一维功能材料及器件

基于分子结构设计,在国际上首次采用有机凝胶先驱体转化法成功合成了纳米晶金属(Fe、Ni、Co及其二元和三元合金)微细纤维,尖晶石型铁氧体微细纤维(MFe2O4(M=Ni、Mn、Co、Zn、Mn-Zn、Ni-Zn、Ni-Cu-Zn、Ni-MN-Zn)), 磁铅石型铁氧体微细纤维(MFe12O19(M=Ba、Sr、Ba-Sr)),这些纳米结构的微细纤维可用于先进磁记录、电磁波吸收材料、电磁屏蔽材料、多孔介质、多相催化材料等;开发了溶胶-粉末共混法挤制压电纤维的成型技术,并将所制备的压电纤维用于1-3型复合材料及其智能结构传感器技术,开发了高灵敏、高可靠性的正交异性传感驱动技术。在准一维铁磁性金属及合金、尖晶石型铁氧体、磁铅石型铁氧体微细纤维,压电陶瓷纤维的制备新技术、1-3型复合结构及器件设计等处于国际先进水平。

3.先进无机及功能薄膜材料结构设计及应用

以ZrW2O8系列负热膨胀化合物为主要研究对象,成功地在多种衬底材料上合成了负热膨胀膜,提出了负热膨胀膜的形成机理,其成果已获得应用;利用微波等离子体磁控溅射法,制备了伸缩量大、响应速度快的NiMnGa超磁致伸缩薄膜,可以实现电磁信息的快速转换,为新型微传感器和制动器奠定了基础;利用射频磁控溅射技术率先在Ti6Al4V表面上沉积综合性能优异的HA/YSZ梯度复合生物薄膜,开发了新型硬组织替换材料—HA/YSZ/Ti6Al4V的磁控溅射制备新方法。在近零热膨胀复合膜形成及应用、NiMnGa超磁致伸缩薄膜及HA/YSZ梯度复合生物膜材料等研究方向形成了学术特色。

本研究方向近五年来,先后承担和完成国家自然科学基金重点项目、国家高技术(863)项目、国家自然科学基金面上项目16项,国防科工委、总装备部预研项目及省部级项目28项,同时完成和承担多项企业委托项目,科研经费累计超过1500万元。发表论文超过250篇,其中被SCI、EI、ISTP收录的超过150篇,申请国家发明专利17项(其中授权6项),技术成果创造的效益累计达2亿元以上。

二、 光子材料物理与微纳加工

本方向利用超快超强激光产生的超高时间和空间分辨、极大能量密度、高度非线性光吸收等极端物理条件下,开展材料亚结构组织转变、功能微纳结构设计、超快瞬态过程探测等领域的探索研究。在光子控制的人工三维光子晶体制造、宏/微/纳多尺度仿生超润湿功能表面、超高应变率亚结构转变、10纳米线高速纳米加工等领域的新型光子材料、器件和装备试制取得系列创新学术成果,主要工作包括:

1.光子材料物理与表征

提出超高时间分辨(30飞秒时间分辨,10纳米空间分辨)飞秒激光局域增强新技术,将超快激光耦合近场光学、扫描原子力等超分辨设备,实现真三维纳米加工与器件合成;通过探针针尖激光天线效应,得到7nm以下的纳米非接触光子加工;对材料纳米加工发生的超快过程进行检测,同时该加工平台对生物分子也具有纳米加工能力。飞秒激光双光子微加工精度达到70纳米,制备出5μm直径实体微型齿轮,三维木堆型、金刚石四面体结构光子晶体,获得理想光子禁带;向光子晶体中引入不同的缺陷如波导和微腔,制得十字波导和新型微激光器结构光子器件。建立飞秒激光泵浦探测系统,对半导体材料光生载流子超快弛豫动力学、电磁薄膜的材料超快相变动力学过程定量测试。与哈佛大学合作,最先报道硅晶片表面的超润湿功能转换光子制造技术。

2.光电子功能材料与器件制备

开展聚合物波导制造及其光学特性研究,研究低成本非线性光波导聚合物材料与器件制备工艺、光学特性和开关效应。获得多种优良光学性能的聚合物材料,制备出低成本和聚合物光电子器件;在光栅波分复用器制备方面,研究硅基聚合物阵列波导光栅制备、光纤匹配耦合特性、色散损耗等材料特性研究,获得优化的色散补偿器件、完善膜厚制备、光刻和反应离子刻蚀等制备工艺,制备出面积4×2cm2和16通道的硅基聚合物阵列波导光栅,膜厚达5微米。开展激光超声表征薄膜涂层的声学、热学和力学参数的物理特性检测研究,在激光层裂法定量测试界面本征结合强度方法和技术获原创学术成果。

3.材料亚结构转变与材料设计计算

开展纳秒、飞秒级超快超强激光瞬态加载,材料在107/S以上高应变率条件的组织、结构、性能的响应,特别是材料亚结构转变与形成的新现象和新机理研究。与美国普渡大学合作,提出并报道形变局域化区域超细晶的形成机理、亚稳态材料相变转变量和应变率的关系、孪生切应力大小和应变率的关系,补充与完善了高应变率下纳米超细晶形成机理与现有的动态再结晶理论,提出激光高应变率驱动表面纳米化与表面强化及形变技术,实现大面积区域和亚微米局域的材料选择性强化技术。在研究材料成分、微观组织对性能的作用规律基础上,丰富和研究开发新材料,发展材料科学的基础理论,探索多层次综合的材料计算设计系统方面作出了原创性的贡献。

近5年来,承担或完成国家、省部级课题25项,其中国家自然基金8项(含重点项目1项),国家863项目1项、教育部和省人才基金项目4项、美国NSF国际合作2项,总经费1500余万。发表论文180余篇,SCI收录63篇,授权国家发明专利9项,获部省科技进步一等奖2项,二等奖1项,三等奖2项,获全国百篇优秀博士论文1篇,省优博2篇。入选国家、部省级优秀人才计划4人,形成材料、物理、机械、光学、生物和力学等跨学科研究特色,2005年获批江苏省光子制造重点实验室。

三、 先进复合材料制备与加工技术

本方向主要研究新型复合材料、制备新技术、界面理论与设计优化。在物理场(交变电磁场和高能超声场)下原位合成金属基复合材料、激光熔敷技术制备镍基碳化钨(WC)、氧化铝等复合涂层、透水性生态混凝土的制备和耐久性设计、以及高分子基摩擦功能复合材料等方面取得了创新性的学术成果和工程应用。主要研究内容包括:

1.物理场下原位合成金属基复合材料制备与应用

研究了交变电磁场和超声场下熔体反应法合成铝、镁、锌基原位复合材料的反应热力学和动力学、微观组织与性能之间的关系以及相关机制。率先提出并开发了磁化学和超声化学合成铝、镁、锌基原位亚微米/纳米复合材料新体系和新方法,建立了Al(Mg、Zn)-Zr-O、Al(Mg、Zn)-Zr-B体系的磁化学和超声化学反应动力学模型,研究了系列铝、镁、锌基原位合成复合材料的微观组织与性能,并在此基础上较系统地研究了复合材料的成形与加工方法和强化机制、断裂机制、磨损机理和切削机理等。此外,开展了原位铝、镁基复合材料的工业规模制备技术和在汽车关键零部件上的应用和产业化,开发了原位合成铝基复合材料的工业规模制备新技术—“电磁场下熔体反应法+半连铸快速成型集成新技术”,成功实现了在汽车轮毂、发动机缸盖、缸体等关键零部件上应用,填补了原位复合材料在汽车关键零部件上应用的国内空白,已产生了综合经济效益4.6亿元。

2.无机非金属基与高分子基复合材料成型技术

开展了SHS铝热-重力分离法制备陶瓷衬层复合钢管的研究,研究铝热剂对陶瓷内衬致密度、结合强度、组织和性能的影响。开发了热喷涂、火焰喷焊及激光熔敷技术制备镍基碳化钨(WC)、氧化铝等复合涂层,提出了超细硬质颗粒弥散强化增强理论和纳米磨粒磨损模型,对磨损理论进行了补充。开展了透水性生态混凝土的制备和耐久性设计研究;通过设计新型复合组分成功开发了具有护堤、植生功能的透水性生态混凝土,获得了动弹性模量和质量随冻融循环的变化规律,建立了冻融疲劳累积损伤模型。高分子基摩擦功能复合材料成型方面;研究了干粉共混模压工艺,以F46和F4为基体,填充一定量的石墨和二硫化钼,制备了F50C新型耐磨材料,成功应用于高速磁力泵,直接服务于国防军工工程。

3.复合材料界面理论与设计优化

研究了金属基、陶瓷基复合材料和高分子基复合材料的界面问题。其内容涉及界面层微结构、界面润湿性、界面相容性、界面结合强度、界面反应热力学、动力学以及控制界面反应方法等。开发了复合熔剂法改善颗粒/金属间的界面润湿性和结合状态的新技术,提出了利用仿生(贝壳)原理进行金属-聚合物叠层复合材料界面设计和优化的新方法,开发了热压固化法制备叠层复合材料新技术和成功制备了新型防碰撞安全材料—铝合金/树脂/纤维叠层仿生复合材料和泡沫铝/树脂/纤维叠层复合材料,开展了氧化铝与镍粒子界面研究,通过非反应性成键形成–Ni–Ni–Al–O–Al强的界面键合,改善了材料界面结合状态,强化了氧化铝主晶界,断裂模式发生改变,达到了氧化铝陶瓷的韧化目的。

本方向立足于先进复合材料的制备、加工和性能研究,注重理论研究与工程应用紧密结合,近5年来承担或完成国家、省部级课题18项。发表论文200余篇,被SCI、EI、ISTP收录130余篇,申请国家发明专利16项,授权国家发明专利7项,承担企业开发项目12项,科研经费达1100万元,获部省级科技进步奖一等奖1项,二等奖3项;出版专著5部;入选部省优秀人才3人。培养研究生46名。

四、 高性能金属材料成形技术

本研究方向着重开展先进连接技术、激光冲击成形及数字化模具设计技术、形状记忆合金和高性能合金成型加工技术等的研究与开发工作。在金属基复合材料电弧焊、板料激光冲击成形理论及拼焊板成形、铜锌铝形状记忆合金加工及应用技术等方面形成了特色。主要研究内容包括:

1.先进连接技术

开展智能化焊接技术和高性能金属材料连接技术的研究与开发工作。重点研究了TIG及等离子弧的电弧形态及能量分布,电弧焊熔池动态过程及熔池温度场、流场的分布,以及焊接过程的建模,并采用模糊控制和神经网络控制技术,开展了智能化焊接控制系统的研究。同时重点研究了金属基复合材料、功能材料、低活马氏体钢的连接技术。寻求表征高性能先进材料焊接动态行为的本质规律和特征,探讨焊缝组织结构和性能的变化规律,并开发了具有特殊性能的焊接材料。针对颗粒增强铝基复合材料,提出了电弧焊“原位”焊接的新理论和新技术,申请了“颗粒增强铝基复合材料等离子弧原位焊接技术”国家发明专利。针对中、厚板铝合金,研究了铝合金穿孔型等离子弧立焊新技术、新工艺;针对高导热性材料紫铜,在不预热情况下,利用氩氮混合气体保护TIG焊,实现了高导热紫铜材料的焊接。

2.数字化模具设计与塑性成形技术

围绕材料塑性加工工艺及模具开展理论与应用研究,重点研究数字化模具设计、激光冲击波技术及应用,将人工智能、特征技术、面向对象技术、模糊推理技术、数值模拟技术和优化方法引入到锻压模具和塑胶模具的设计制造过程中,提高了模具设计质量和效率。在激光冲击板材成形理论方面,提出了基于激光冲击波力效应的板料塑性成形新技术,首创用于激光冲击处理的柔性贴膜能量转换体,实现了对激光冲击波的增压和脉宽的延展,解决了激光冲击强化和成形工程应用中的关键技术;在塑性加工工艺方面,研究了激光拼焊板的冲压成形和数值模拟,提出控制焊缝移动和薄板冲压变压边的专利技术;研究了基于激光加热的微成形工艺与模具,发明了微成形装置的专利技术;研究了钛合金管材超塑性等温锻造技术,开发了不锈钢管接头塑性成形专利技术。

3.高性能合金成型加工技术

主要开展形状记忆合金和高性能铸铁合金成型加工技术的理论与应用研究,重点研究了复合稀土细化合金晶粒、塑性变形对铜锌铝形状记忆合金性能的影响;同时研究了复合稀土和热处理工艺对合金记忆效应的影响,以及使铜锌铝形状记忆合金基本不发生马氏体稳定化的加工技术和机理。研究了合金元素对形状记忆合金记忆效应以及塑性变形的影响和机理,非真空感应电炉熔炼合金的加工成型技术和相关理论。同时,还研究了奥贝球铁齿轮在汽车发动机上的应用,探讨了等温温度、合金元素、加工硬化对奥贝球铁齿轮的影响;研究了奥贝球铁齿轮使柴油机整机噪声降低,而使摩擦磨损性能提高的机理。开展了高强度灰铸铁在薄壁发动机缸体上的应用研究,研究了碳当量、孕育剂、孕育方法、合金元素和加工成型技术对高强度灰铸铁组织及性能的影响。

近五年来,本研究方向先后完成国家自然科学基金、国家“863”、江苏省高技术研究等省、部级以上项目30余项,获省、部级科技进步一等奖1项,二等奖5项,三等奖4项。为企业承担开发项目40余项,科研经费达865万元,创造综合经济效益4亿多元。出版专著3部,教材14部,发表论文200余篇,100余篇被SCI、EI收录。申报发明专利25 项,其中4项已被授权。目前在研项目25项。

五、 摩擦材料与表面技术

本方向主要研究纳米层状固体润滑材料的制备、结构和性能的关系,开发出系列过渡族金属硫、硒化物纳米材料;并利用该材料制备多种金属基、陶瓷基,聚合物基固体润滑复合材料。同时基于电子摩擦的理论开发出用于-100℃以下的系列氧化物超导复合材料。在表面改性方面,开发出多种超硬耐磨薄膜和多层复合减摩耐磨薄膜;同时利用激光造型表面技术,控制摩擦副表面形貌以获得优异的减摩和耐磨效果。以上研究取得了一系列具有自主知识产权的独创性成果。主要研究内容包括:

1. 固体润滑材料的合成、结构和性能

研究纳米固体润滑材料的制备、组成、结构与特性之间的关系。合成了系列过渡族金属的硫、硒化合物MX2(M=Mo,W,Nb,Ta,Ti,Zr;X=S,Se)。本研究基于第一性原理从材料设计开始,探讨了MX2的结构和性能的关系,用固相转移法、化学气相沉积法、模板法、烧结法等多种方法制备出MX2纳米颗粒、纳米线和薄膜。开发出一些具有独特性能的MX2:如MoSe2具有和常用的MoS2类似的摩擦学特性,而其在真空下的排气率比MoS2低一个数量级,而且NbSe2的电阻率为10-4cmΩ,而MoS2的电阻率为102cmΩ,可应用于超高真空和电触点的润滑。同时MX2纳米管还具有吸氢性能,NbS2还具有超导特性等。对于金属基固体润滑复合材料来说,在烧结过程中金属和固体润滑剂充分反应后,复合材料才有足够的强度;把MX2粉末制成纳米尺度,降低烧结温度,兼顾了材料的强度和摩擦学性能。

2. 高温超导氧化物的低温摩擦特性

九十年代美国的Krim率先提出摩擦的能量耗散起源于电子和声子,摩擦行为给与原子尺度的解释,其试验是测试液氦流过石英晶体微天平上时引起其振动频率变化,解受迫振动微分方程和哈密尔顿算子计算出粘滞阻力(摩擦力)的变化,讨论的是无磨损的界面摩擦。从应用角度看:航天飞机的推进剂为液氢,助燃剂为液氧,有很多在超低温度工作的齿轮,轴承,阀门等摩擦副;超导装置,储存液化气体的化工设备等都有低温摩擦的问题。本研究从实用的角度出发,用高温超导氧化物YBa2Cu3O7,和Bi2Sr2Ca2CuO在超低温摩擦实验机上验证Krim的电子摩擦理论。并设计了YBa2Cu3O7/Ag,Bi2Sr2Ca2CuO/Ag超导氧化物复合材料,其在-200~500℃范围内摩擦系数保持在0.1以下。和一般的低温摩擦用的MoS2,PTFE固体润滑薄膜相比,其为整体材料,有更长的耐磨寿命。

3. 表面改性和激光表面微观造型改性

该研究利用磁控溅射技术,在摩擦副表面制备Ti-Al(c,n)金属间化合物,DLC等超硬耐磨薄膜,制备DLC+WS2等具有减摩和耐磨功能的复合薄膜;用等离子喷涂技术制备耐磨耐蚀的Fe-Cr-Cu-Al等多元准晶薄膜。利用具有一定能量密度的激光束,在摩擦副表面上形成与润滑性能优化要求匹配的,具有一定间距、宽度、深度、高度、形状规则的几何形貌,以使摩擦副表面形成动压润滑或弹流润滑。还利用激光的热效应改变材料组织,提高材料的力学性能,从而达到摩擦副表面润滑减摩和强化耐磨的目的。在工程实际应用研究方面又面向三个行业:汽车发动机、切削刀具、机械密封、塑性成形金属模具。

近五年来,承担和完成国家自然科学基金重点项目、863、973项目、国家自然科学基金面上项目12项,各类省部级项目,国防科工委、总装备部预研项目超过20项,还承担多项企业委托项目,科研经费累计超过800万元。发表论文超过180篇,其中被SCI、EI、ISTP收录的超过100篇,申请国家发明专利超过10项,授权3项。

六. 冶金工程及应用

1、高性能钢铁材料的开发、冶炼与质量控制

本方向立足于不锈钢、模具钢等优特钢新品种的开发、性能的改进、产品质量的控制和提高,为高性能钢铁材料的研发和推广应用提供理论和技术指导,已经与江苏省多家大型钢铁企业建立合作研究协议。近5年来,先后完成了8项部省级以上课题,为企业承担开发项目12项,科研经费达55万元,获部省级科技进步奖1项,出版专著4部,发表论文60多篇。目前在研项目4项。

2、高洁净钢冶炼与连铸技术及基础研究

本方向以高洁净钢冶炼的冶金热力学和动力学为基础,研究超低氧、硫、氮纯净钢的理论及工艺,开发高洁净钢炉外精炼过程工艺模型,为高洁净钢生产提供理论依据和指导,已经与江苏、上海等多家大型钢铁企业建立合作研究协议。近5年来,为企业承担开发项目8项,科研经费达50多万元,发表论文50多篇。目前在研项目3项。

3、高性能有色合金的冶金加工技术及应用

本研究方向围绕高性能冶金材料的设计和应用,积极推动传统冶金材料的优化开发,在理论研究和工程应用上取得了积极成果。近5年来,承担国家部省级研究课题12项,技术转让和技术服务项目16项,科研总经费达420万元,获省部级科技进步奖2项,发表学术论文62篇。目前在研项目10项。

4、有色金属冶金工艺理论及其过程控制

本研究方向围绕有色金属冶金新工艺新技术及其模拟仿真,研究金属材料的凝固过程及控制、金属成形新技术及其模拟仿真,探讨冶金工艺技术的改进和创新,在理论研究和工程应用上均取得了积极成果。近5年来,承担国家部省级研究课题12项,技术转让和技术服务项目13项,科研总经费达510万元,获省部级科技进步奖2项,发表学术论文67篇。目前在研项目11项。

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