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

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1、項(xiàng)目名稱：仿生輕質(zhì)高強(qiáng)納米復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的可控制備與性能研究首席科學(xué)家：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)起止年限：2010年1月-2014年8月依托部門(mén)：中國(guó)科學(xué)院一、研究?jī)?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(guān)系結(jié)合已有的研究基礎(chǔ)，從分子、納米和微米尺度體系，利用可實(shí)現(xiàn)原位觀測(cè)的場(chǎng)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(xué)結(jié)構(gòu)特征，特別是對(duì)其功能起關(guān)鍵作用的表、界面結(jié)構(gòu)與特性的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行研究，進(jìn)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(guān)系，有助于發(fā)現(xiàn)和提出新概念、新原

2、理、建立新理論，為輕質(zhì)高強(qiáng)納米復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的共性制備提供指導(dǎo)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(chǔ)。為此，我們將系統(tǒng)地研究通過(guò)納米結(jié)構(gòu)單元的尺寸、形貌和表面化學(xué)功能的調(diào)控，利用功能分子對(duì)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(jìn)行選區(qū)修飾，以及不對(duì)稱粒子等手段引入空間各項(xiàng)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(shù)。（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

3、不同的納米結(jié)構(gòu)單元組裝為初級(jí)結(jié)構(gòu)；調(diào)控組裝體中的組分序列和空間構(gòu)型；設(shè)計(jì)和構(gòu)建異質(zhì)界面，在納米結(jié)構(gòu)單元之間引入對(duì)外界環(huán)境刺激敏感的生物或合成大分子；運(yùn)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(shí)別、層層組裝等原理，控制納米結(jié)構(gòu)組裝體作為一個(gè)整體的性能。（4）測(cè)試與表征技術(shù)的改進(jìn)與提升針對(duì)材料中多尺度形貌結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分表征的需要，搭建倒置光學(xué)／共聚焦拉曼／掃描探針顯微鏡測(cè)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(cè)分子和材料的特征振動(dòng)。利用北京航空航天大學(xué)的力學(xué)測(cè)試平臺(tái)對(duì)材料的模量、強(qiáng)度、應(yīng)力-拉伸曲線等常規(guī)項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試。在搭建的倒置

4、光學(xué)／共聚焦拉曼／掃描探針顯微鏡系統(tǒng)中加裝一個(gè)微拉伸裝置，在不同應(yīng)力或應(yīng)變條件下原位、實(shí)時(shí)觀察復(fù)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(fù)合材料對(duì)外界載荷的反應(yīng)，解決復(fù)合材料設(shè)計(jì)與構(gòu)筑中的一些基本科學(xué)問(wèn)題。利用掃描探針技術(shù)中的納米拉伸方法研究界面的相互作用，并通過(guò)理論計(jì)算和模擬驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（5）納米結(jié)構(gòu)材料的宏量制備與應(yīng)用受自然啟發(fā)，特別是以自然界材料的多級(jí)組裝和納米科學(xué)為牽引，可以顯著降低由組裝過(guò)程中的隨機(jī)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(fù)合結(jié)構(gòu)材料的宏量制備。同時(shí)，以應(yīng)用需要為導(dǎo)向來(lái)設(shè)計(jì)材料，根據(jù)飛行器不同部位（機(jī)翼、機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)

5、等）對(duì)納米組裝材料性能的要求（材質(zhì)輕、強(qiáng)度高、耐高低溫、耐老化或耐腐蝕等），設(shè)計(jì)相應(yīng)的組裝路線。通過(guò)受自然界多級(jí)次、多尺度的組裝原理啟發(fā)→設(shè)計(jì)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(yīng)用實(shí)踐檢驗(yàn)材料→修改完善設(shè)計(jì)這樣一個(gè)螺旋上升的過(guò)程，提升我們?cè)O(shè)計(jì)和制造具有先進(jìn)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(shí)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(shí)探索該材料在航空航天、民用等領(lǐng)域的應(yīng)用。上述研究?jī)?nèi)容覆蓋了新型納米復(fù)合結(jié)構(gòu)材料可控制備過(guò)程中四個(gè)層次：自然界生物體微觀結(jié)構(gòu)與性能的揭示，目標(biāo)分子與納米結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)合成，初級(jí)納米結(jié)構(gòu)

6、的空間受控組裝和多級(jí)納米結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)可控組裝，以及納米結(jié)構(gòu)的集成和應(yīng)用，可望為仿生輕質(zhì)高強(qiáng)納米復(fù)合結(jié)構(gòu)材料體系的設(shè)計(jì)、可控制備和應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。二、預(yù)期目標(biāo)總體目標(biāo)：獲得一批國(guó)際水平的創(chuàng)新性研究成果，使我國(guó)在仿生輕質(zhì)高強(qiáng)納米復(fù)合結(jié)構(gòu)材料研究和應(yīng)用總體水平進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列，爭(zhēng)取做出若干原創(chuàng)性的工作，在國(guó)際上占有一席之地。預(yù)計(jì)經(jīng)過(guò)5年的研究，發(fā)展若干種具有重要應(yīng)用價(jià)值的高性能納米復(fù)合材料的組裝結(jié)構(gòu)的可控制備方法和組裝技術(shù)，認(rèn)識(shí)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(fù)合材料及組裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究提供物質(zhì)基礎(chǔ)，為航空航天與國(guó)防用納米復(fù)合結(jié)構(gòu)材料和

7、技術(shù)領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展及其成果轉(zhuǎn)化提供新知識(shí)、新技術(shù)和新材料。五年中預(yù)期達(dá)到的具體目標(biāo)：在知識(shí)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)與其特殊性能之間的內(nèi)在本質(zhì)、仿生輕質(zhì)高強(qiáng)納米復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的可控制備、測(cè)試表征技術(shù)的改進(jìn)與提升等方面取得重要進(jìn)展，做出在國(guó)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(qǐng)專利20-25項(xiàng)。為建立仿生輕質(zhì)高強(qiáng)納米復(fù)合結(jié)構(gòu)材料體系框架奠定基礎(chǔ)。通過(guò)本項(xiàng)目的執(zhí)行，培養(yǎng)和造就一批高層次的、交叉復(fù)合型研

8、究人才，形