重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究進(jìn)展

編者按:上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是國內(nèi)唯一的金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域的國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。肩負(fù)著打破國際封鎖、滿足我國重要領(lǐng)域建設(shè)及高科技發(fā)展的迫切需求，為復(fù)合材料發(fā)展提供關(guān)鍵性基礎(chǔ)理論依據(jù)和技術(shù)支撐的重任?，F(xiàn)已發(fā)展成為我國乃至國際重要的先進(jìn)復(fù)合材料的科學(xué)研究、學(xué)術(shù)交流、技術(shù)創(chuàng)新和高級人才培養(yǎng)中心，是我國重要領(lǐng)域用輕質(zhì)高強(qiáng)多功能金屬基復(fù)合材料主要研發(fā)和生產(chǎn)基地。5年來碩果累累，2013年評估實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入沖優(yōu)隊(duì)伍。

仿生構(gòu)筑具有類貝殼“磚”砌式疊層結(jié)構(gòu)的金屬基復(fù)合材料制備

實(shí)驗(yàn)室主要開展了片狀金屬粉末的制備方法、納米增強(qiáng)體與鋁的復(fù)合方法、疊層復(fù)合構(gòu)型的制備工藝等研究，取得了以下進(jìn)展:(1)探索了CNT/Al復(fù)合粉末的致密化工藝，通過研究冷壓成型工藝、燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間、擠壓溫度等參數(shù)對力學(xué)性能的影響，初步形成了CNT/Al的致密化工藝。所制備的CNT/Al復(fù)合材料具有良好的界面結(jié)合，其性能和國際同類材料相比，更好地發(fā)揮了CNTs的增強(qiáng)效率和延展性。研究成果分別發(fā)表于Carbon(2012，50:1 993－1 998)和 Scripta Materialia(2012，66:331－334)。(2)以表面改性片狀粉末冶金方法制備了石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(GNS/Al)，發(fā)現(xiàn)GNSs具有很好的增強(qiáng)效果。制備的0.3%GNS/Al樣品的抗拉強(qiáng)度達(dá)249 MPa，比相同工藝的純鋁樣品的拉伸強(qiáng)度(154 MPa)提高了62%。這是國際上首次獲得石墨烯鋁的復(fù)合材料。文章發(fā)表后立即入選2012年1～3月份最熱門文章。(3)通過在超細(xì)晶鋁基體中原位引入納米氧化鋁顆粒，促進(jìn)位錯的儲存與運(yùn)動，提高其應(yīng)變硬化能力，使所制備的碳化硼/鋁復(fù)合材料的塑韌性顯著改善，超過目前國際上同類復(fù)合材料，為顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化提供了簡便、高效的技術(shù)途徑。研究成果發(fā)表在Scripta Materialia上(DOI:10.1016/j.scriptamat.2012.11.024)。(4)通過調(diào)控金剛石和鋁的顆粒尺寸、燒結(jié)溫度和時間，優(yōu)化了金剛石在鋁中的界面結(jié)合，制備出界面結(jié)合良好的高導(dǎo)熱金剛石/鋁復(fù)合材料，其導(dǎo)熱系數(shù)接近模型預(yù)測的理論值，性能超過目前國際上同類復(fù)合材料。研究結(jié)果分別發(fā)表在Diamond and Related Materials，Composites:Part B 和 Material and Design上。

鎂－稀土系合金及其復(fù)合材料共性準(zhǔn)則

以“稀土合金化”為特色，探明了鎂－稀土系合金及其復(fù)合材料精細(xì)結(jié)構(gòu)(析出相、LPSO、準(zhǔn)晶等)的晶體學(xué)特征、相變模型與強(qiáng)韌化機(jī)制，建立和完善了高強(qiáng)鎂合金基體的設(shè)計共性準(zhǔn)則，解決了鎂及鎂基復(fù)合材料在設(shè)計、制備和加工中的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題。開發(fā)出了一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)、國際領(lǐng)先的高性能鎂-稀土合金(JDM1-JDM4)及以此為基體的鎂基復(fù)合材料，并實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定化和系列化。發(fā)明了精密砂型低壓鑄造等多種鎂－稀土合金加工技術(shù)，解決了我國多個兩用工業(yè)關(guān)重件的輕量化難題。目前正向鎂基能源材料和生物醫(yī)用材料等功能材料領(lǐng)域拓展研究。實(shí)驗(yàn)室已成為我國重要領(lǐng)域用輕質(zhì)高強(qiáng)多功能鎂及鎂基復(fù)合材料的主要研發(fā)和生產(chǎn)基地。在由丁文江教授擔(dān)任首席科學(xué)家的“973”重大工程項(xiàng)目、“863”項(xiàng)目“鎂合金發(fā)動機(jī)關(guān)鍵材料及系統(tǒng)集成”、國家科技支撐計劃項(xiàng)目“鎂合金高致密度壓鑄技術(shù)開發(fā)”等支撐下，開展了先進(jìn)輕質(zhì)鎂及鎂基復(fù)合材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，并在高性能鎂合金設(shè)計及表征、鎂的功能化與復(fù)合化、鎂基復(fù)合材料工程化與集成應(yīng)用3個方面開展了深入系統(tǒng)的研究，取得了系列創(chuàng)新性研究成果。

高熱穩(wěn)定性的“LPSO+析出相”為核心單元的多因素復(fù)合強(qiáng)化模型

原位自生金屬基復(fù)合材料

由張荻教授領(lǐng)銜的鈦基復(fù)合材料研究團(tuán)隊(duì)，自2008年起開展了“航天用700℃耐熱原位自生鈦基復(fù)合材料研究”等鈦基復(fù)合材料的制備科學(xué)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。在理論研究成果的指導(dǎo)下，建立了鈦基復(fù)合材料的熔煉和熱加工(包括等溫鍛造)制備平臺，形成了簡捷、低成本、高效、高質(zhì)量的鈦基復(fù)合材料原位自生制備技術(shù)，并成功將原位自生鈦基復(fù)合材料通過等溫鍛造和鑄造成形交付航天六院、中科院技物所和航天八院，并結(jié)合國家航天領(lǐng)域的需求，研制出高強(qiáng)、高模的鈦基復(fù)合材料實(shí)用構(gòu)件，在我國航天領(lǐng)域得到了應(yīng)用和驗(yàn)證，滿足了我國國防和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)對高性能鈦基復(fù)合材料的小批量、多品種、高性能的需求。研究團(tuán)隊(duì)2012年度在 Acta Materialia，Metallurgical and Materials Transactions A，MSEA，MSEC等SCI期刊上發(fā)表論文21篇。

鈦基復(fù)合材料形變加工規(guī)律

超支化聚合物的可控制備及自組裝

由顏德岳院士領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，主要圍繞超支化聚合物自組裝及其在生物醫(yī)藥中的應(yīng)用展開研究工作。在Chem Soc Rev等多種國際知名SCI刊物發(fā)表論文38篇。主要研究成果有:(1)超分子超支化聚合物的合成及自組裝行為研究。提出用超分子化學(xué)的方法來構(gòu)筑具有各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的超分子超支化聚合物，并詳細(xì)研究了相應(yīng)聚合物的自組裝行為。比如采用非共價鍵的方法來構(gòu)筑線性－超支化嵌段聚合物，分別制備了含環(huán)糊精端基的親水性超支化聚合物CD-g-HPG，及含金剛烷端基的長鏈烷基AD-C18，并通過環(huán)糊精和金剛烷基團(tuán)之間的主客體復(fù)合，由CD-g-HPG和AD-C18復(fù)合形成了線性-超支化超分子嵌段聚合物，并發(fā)現(xiàn)該超分子聚合物可以在水中自組裝形成囊泡，而且這些囊泡具有非常的形變能力。(2)以聚合物囊泡作為模型體系模仿細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能。在前期研究中已采用超支化聚合物囊泡作為模型薄膜，實(shí)時模擬了細(xì)胞的各種結(jié)構(gòu)，包括形貌和動態(tài)變形過程，如囊泡融合、分裂、出芽、聚集等。但細(xì)胞模擬的核心主要還是功能的模擬，因此要推動細(xì)胞模擬化學(xué)的發(fā)展，必須從結(jié)構(gòu)模擬推進(jìn)到功能模擬。通過嵌段共聚物的自組裝得到了具有類似水母結(jié)構(gòu)和功能的聚合物囊泡。在該囊泡水溶液中加入鹽酸后，囊泡膨脹，熒光淬滅;加入氫氧化鈉后，囊泡收縮，并發(fā)出強(qiáng)烈的綠色熒光。驅(qū)動囊泡呼吸和發(fā)光的機(jī)制是囊泡中嵌段共聚物的構(gòu)象轉(zhuǎn)變。該研究通過化學(xué)能(溶液pH的漲落)來實(shí)現(xiàn)囊泡形變，從化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能;同時囊泡在呼吸過程中，發(fā)生熒光性能的連續(xù)變化，從機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，?shí)現(xiàn)了連續(xù)的能量轉(zhuǎn)變。從而將細(xì)胞模擬化學(xué)研究從結(jié)構(gòu)模擬拓展到功能模擬。(3)超支化聚合物及其組裝體的生物醫(yī)藥應(yīng)用。合成了一系列刺激響應(yīng)性超支化聚合物，比如pH、光、氧化還原、酶、溫度等，并系統(tǒng)研究了其在智能藥物載體、基因載體、生物成像等方面的應(yīng)用。此外還研究了超支化聚合物的支化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對其性能的影響規(guī)律。

基于非共價鍵合成了超分子超支化聚合物

啟迪于自然的遺態(tài)材料及其復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究

遺態(tài)材料方向由張荻教授領(lǐng)銜，研究團(tuán)隊(duì)圍繞生物分級結(jié)構(gòu)與性能之間的構(gòu)－效關(guān)系開展工作，發(fā)展了利用自然材料為模板，制備具有生物精細(xì)分級結(jié)構(gòu)的功能材料方法，功能涵蓋光、電、磁、熱、催化等多個領(lǐng)域的性能和應(yīng)用可行性，取得重要進(jìn)展，發(fā)表了一系列高水平學(xué)術(shù)論文，越來越受到國際同行的關(guān)注，并進(jìn)一步探索了應(yīng)用的可行性。圍繞生物模板分級多孔材料在光功能領(lǐng)域展開了深入研究，將具有蝶翅結(jié)構(gòu)的金材料用作表面等離子體增強(qiáng)基板進(jìn)行超靈敏化學(xué)物質(zhì)檢測，具有高靈敏度、價格低廉、信號穩(wěn)定等優(yōu)勢。以多種超黑蝶翅為模板，合成了具有蝶翅精細(xì)分級多孔結(jié)構(gòu)的二氧化鈦系列材料，具有優(yōu)良的光催化性質(zhì)，可用于催化降解環(huán)境中有機(jī)污染物以及光催化分解水制氫和產(chǎn)氧。研究團(tuán)隊(duì)2012年度在德國應(yīng)用化學(xué)、Advanced Functional Material等SCI期刊上發(fā)表論文45篇，內(nèi)封面文章1次，Hot paper 3次，243屆ACS年會等國際重要會議Keynote報告3次，Invited Lecture 5次;ACS Press Release 1次，ACS Interview 1次，先后被 Science Daily，Physorg，Nanowerk， Scientific American， The New York Time等國際科技媒體報道、轉(zhuǎn)載和評價100余次。

黑色蝴蝶翅膀鱗片4類構(gòu)造

學(xué)術(shù)成果

截止2012年，實(shí)驗(yàn)室共出版教材和專著8本，其中英文專著2本。另發(fā)表學(xué)術(shù)論文1 354篇，其中SCI收錄論文1 100篇。國際頂級期刊Nature Materials 2篇、Chemical Society Reviews 3篇、Advanced Materials 8篇、Angewandte Chemie-International Edition 10篇、Advanced Functional Materials 10篇、Biomaterials 5篇、Chemistry of Materials 10篇、Chemical Communications 22篇、Journal of Materials Chemistry 46篇和Acta Materialia 9篇等。其中影響因子大于10.0的論文36篇、大于6.0的論文90篇、大于3.0的論文400篇。論文SCI他引次數(shù)達(dá)4 410次，研究成果得到了國際學(xué)術(shù)界的高度評價。其中張荻教授的遺態(tài)材料研究成果被Nature及其系列期刊作為亮點(diǎn)報道并引用。顏德岳院士研究團(tuán)隊(duì)在支化聚合物的聚合反應(yīng)動力學(xué)理論、合成方法學(xué)、超分子自組裝、結(jié)構(gòu)控制和性能調(diào)控等研究成果，被Nature評價為從事支化聚合物研究者的案頭必備書。

世界首部遺態(tài)材料專著