2010cb934700-仿生輕質(zhì)高強納米復合結(jié)構(gòu)材料的可控制備與性能研究

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1、項目名稱：仿生輕質(zhì)高強納米復合結(jié)構(gòu)材料的可控制備與性能研究首席科學家：中國科學技術大學起止年限：2010年1月-2014年8月依托部門：中國科學院一、研究內(nèi)容（1）揭示自然界多尺度微觀結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)性能的關系結(jié)合已有的研究基礎，從分子、納米和微米尺度體系，利用可實現(xiàn)原位觀測的場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡、三維立體成像X射線顯微鏡等現(xiàn)代表征手段深入研究自然界中具有特異性能材料（如貝殼、蜘蛛絲、生物體骨骼等）的物理化學結(jié)構(gòu)特征，特別是對其功能起關鍵作用的表、界面結(jié)構(gòu)與特性的內(nèi)在聯(lián)系進行研究，進而揭示自然材料的多尺度微觀結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)性能之間的本質(zhì)關系，有助于發(fā)現(xiàn)和提出新概念、新原理、建立新理論，為輕質(zhì)高強納

2、米復合結(jié)構(gòu)材料的共性制備提供指導和理論依據(jù)。（2）賦予納米結(jié)構(gòu)空間各向異性各向異性的納米結(jié)構(gòu)單元間的相互作用力是控制它們空間組裝的前提，也是程序化組裝的基礎。為此，我們將系統(tǒng)地研究通過納米結(jié)構(gòu)單元的尺寸、形貌和表面化學功能的調(diào)控，利用功能分子對特定各向異性納米結(jié)構(gòu)單元的裸露晶體晶面的選擇性吸附作用等進行選區(qū)修飾，以及不對稱粒子等手段引入空間各項異性等手段和方法，可控地賦予納米結(jié)構(gòu)在不同空間區(qū)域的各向異性。發(fā)展制備和表征單分散各向異性納米結(jié)構(gòu)單元的技術。（3）納米結(jié)構(gòu)單元組裝的空間調(diào)控利用作用于納米結(jié)構(gòu)單元的空間各向異性，研究如何可控地將不同的納米結(jié)構(gòu)單元組裝為初級結(jié)構(gòu)；調(diào)控組裝體中的組分序列

3、和空間構(gòu)型；設計和構(gòu)建異質(zhì)界面，在納米結(jié)構(gòu)單元之間引入對外界環(huán)境刺激敏感的生物或合成大分子；運用取向連接、修飾在納米結(jié)構(gòu)單元上的分子間的弱相互作用和識別、層層組裝等原理，控制納米結(jié)構(gòu)組裝體作為一個整體的性能。（4）測試與表征技術的改進與提升針對材料中多尺度形貌結(jié)構(gòu)和化學成分表征的需要，搭建倒置光學／共聚焦拉曼／掃描探針顯微鏡測試系統(tǒng)，觀察樣品從毫米、微米、納米，直至原子尺度的形貌結(jié)構(gòu)，檢測分子和材料的特征振動。利用北京航空航天大學的力學測試平臺對材料的模量、強度、應力-拉伸曲線等常規(guī)項目進行測試。在搭建的倒置光學／共聚焦拉曼／掃描探針顯微鏡系統(tǒng)中加裝一個微拉伸裝置，在不同應力或應變條件下原位

4、、實時觀察復合材料體系的微納結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)，以便研究自然和人工復合材料對外界載荷的反應，解決復合材料設計與構(gòu)筑中的一些基本科學問題。利用掃描探針技術中的納米拉伸方法研究界面的相互作用，并通過理論計算和模擬驗證實驗結(jié)果。（5）納米結(jié)構(gòu)材料的宏量制備與應用受自然啟發(fā)，特別是以自然界材料的多級組裝和納米科學為牽引，可以顯著降低由組裝過程中的隨機性造成的組裝體的空間尺寸和形貌的不均一，有利于納米復合結(jié)構(gòu)材料的宏量制備。同時，以應用需要為導向來設計材料，根據(jù)飛行器不同部位（機翼、機身、發(fā)動機等）對納米組裝材料性能的要求（材質(zhì)輕、強度高、耐高低溫、耐老化或耐腐蝕等），設計相應的組裝路線。通過受自然界多級

5、次、多尺度的組裝原理啟發(fā)→設計材料→組裝得到新型功能結(jié)構(gòu)材料（包括材料的可控制備）→應用實踐檢驗材料→修改完善設計這樣一個螺旋上升的過程，提升我們設計和制造具有先進性能的結(jié)構(gòu)材料和具有光、電、熱和磁等多種性能的功能材料的能力，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能的統(tǒng)一，局部與整體的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一，同時探索該材料在航空航天、民用等領域的應用。上述研究內(nèi)容覆蓋了新型納米復合結(jié)構(gòu)材料可控制備過程中四個層次：自然界生物體微觀結(jié)構(gòu)與性能的揭示，目標分子與納米結(jié)構(gòu)單元的設計合成，初級納米結(jié)構(gòu)的空間受控組裝和多級納米結(jié)構(gòu)的動態(tài)可控組裝，以及納米結(jié)構(gòu)的集成和應用，可望為仿生輕質(zhì)高強納米復合結(jié)構(gòu)材料體系的設計、可控制備和應用奠定堅實基

6、礎。二、預期目標總體目標：獲得一批國際水平的創(chuàng)新性研究成果，使我國在仿生輕質(zhì)高強納米復合結(jié)構(gòu)材料研究和應用總體水平進入國際先進行列，爭取做出若干原創(chuàng)性的工作，在國際上占有一席之地。預計經(jīng)過5年的研究，發(fā)展若干種具有重要應用價值的高性能納米復合材料的組裝結(jié)構(gòu)的可控制備方法和組裝技術，認識高性能納米結(jié)構(gòu)可控制備及組裝的基本原理和規(guī)律性，為發(fā)展基于新型納米復合材料及組裝結(jié)構(gòu)的應用研究提供物質(zhì)基礎，為航空航天與國防用納米復合結(jié)構(gòu)材料和技術領域的可持續(xù)發(fā)展及其成果轉(zhuǎn)化提供新知識、新技術和新材料。五年中預期達到的具體目標：在知識創(chuàng)新方面：發(fā)現(xiàn)新概念、新原理、建立新理論。主要在揭示生物體結(jié)構(gòu)與其特殊性能之

7、間的內(nèi)在本質(zhì)、仿生輕質(zhì)高強納米復合結(jié)構(gòu)材料的可控制備、測試表征技術的改進與提升等方面取得重要進展，做出在國際上有重要影響的工作。5年發(fā)表200-220篇SCI收錄的論文，其中二區(qū)以上的論文多于50％，其中影響因子在5以上的不少于30篇，3以上的80篇，出版1－2本以上專著，申請專利20-25項。為建立仿生輕質(zhì)高強納米復合結(jié)構(gòu)材料體系框架奠定基礎。通過本項目的執(zhí)行，培養(yǎng)和造就一批高層次的、交叉復合型研究人才，形