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清华航院李晓雁副教授课题组在力学结构超材料

  清华大学航天航空学院李晓雁课题组、与中国科学院金属所、美国布朗大学以及大连理工大学合作,在《纳米快报》()发表了题为《克服强度-可恢复性制约的三维高熵合金聚合物复合纳米点阵超材料》(Three-Dimensional High-Entropy AlloyPolymer Composite Nanolattices That Overcome the StrengthRecoverability Trade-off)的研究论文。该论文设计并制备了一种由高熵合金和聚合物组成的复合纳米点阵超材料。该点阵材料兼具高强度和良好的可恢复性,克服了早先所有微纳米点阵材料的强度与可恢复性之间相互制约的问题。

  三维微纳米点阵材料具有优异的力学性能,如低密度、高刚度等。但是,现有的微纳米点阵材料的强度与可恢复性之间存在着相互约束,即高强度的点阵材料通常表现为脆性,而可恢复性能好的点阵材料的强度较低。这一强度与可恢复性的制约在很大程度上限制了微纳米点阵材料在能量存储和机械致动等领域的应用潜力。

  李晓雁课题组提出了一种基于复合材料的设计方案,解决上述难题。该设计方案首先采用了先进的纳米尺度增材制造技术(三维双光子光刻激光直写)直接打印高弹性聚合物材料组成的纳米点阵结构(最小特征尺寸约为260nm),然后通过磁控溅射手段将具有高强度的高熵合金材料均匀镀层在聚合物骨架的表面(厚度仅为14.2-126.1nm),从而实现了“1+1>

  2”的优异力学性能。该纳米点阵不仅保有聚合物材料的高弹性和良好的可恢复性,而且由于高熵合金纳米镀膜的存在,使得该纳米点阵兼具高强度的优点,从而使得该复合纳米点阵材料克服了早先微纳米点阵材料具有的强度与可恢复性之间相互制约的问题。

  (i,j)复合纳米点阵材料的比强度、单位体积能量吸收与其他微纳米多孔材料的比较

  在论文中,研究团队首先展示了该复合纳米点阵材料的制备和微结构及其力学性能表征。通过原位扫描电镜压缩实验证实了复合纳米点阵材料同时具有高的强度和良好的可恢复性。该纳米点阵结构的比强度高达0.027MPa/kg·m3,最大压缩应变超过50%仍然可以实现几乎完全恢复,且单位体积能量吸收高达4.0MJ/m3,这一数值比自然界具有相同密度的多孔材料高1-3个数量级。研究结果同时表明,随着高熵合金镀层厚度的增加,压缩过程中主要变形机制发生从局部屈曲到脆性断裂的转变。当厚度介于14.2-50.0nm之间时,复合纳米点阵材料的比模量和比强度达到极大。

  近年来,李晓雁副教授研究团队主要从事新型微纳米结构材料力学行为和力学性能的研究,在相关领域取得了多项重要的成果。相关工作发表在《自然材料》(Nature Materials)、《自然通讯》(Nature Communications)、《科学进展》(Science Advances)、《先进材料》(Advanced Materials)等期刊上。

  清华大学航院李晓雁副教授、中科院金属所姚佳昊副研究员、李毅研究员和美国布朗大学高华健教授为本文的共同通讯作者。清华大学航院2013级博士生张璇为本文第一作者。该研究得到了国家自然科学基金项目、中组部青年千人计划项目的资金支持。

  1月29日,清华大学航天航空学院张一慧课题组在《自然-材料》期刊以长文形式发表了题为《基于多稳态屈曲力学的可重构三维细微观结构和微电子器件》的研究论文,系统报道了一种利用弹性组装平台的变形路径对三维细微观结构几何拓扑进行可逆调控的非线性屈曲力学新方法,进而设计并实现了自适应射频电路、可隐身微型天线等非常规可重构器件。

  12月20日,清华大学航天航空学院柔性电子技术研究中心冯雪课题组在《科学进展》期刊上发表了题为《用于无创血糖监测的电化学双通道类皮肤生物传感系统》的研究成果,在人体皮肤表面实现医学意义上的无创血糖测量,并具有医疗级精度。该成果利用类皮肤柔性传感技术建立了新的无创血糖测量医学方法,为解决无创血糖动态连续监测提供了一条新途径,为全球数以亿计的糖尿病患者的治疗与慢性疾病的管理带来了福音。

  11月6日,清华大学航院副教授张一慧和博士生马强荣获2017年美国机械工程师协会最高论文奖梅尔维尔奖章(Melville Medal),美国机械工程师协会主席查拉·怀斯为张一慧颁发奖章。另外,国际工程科学协会日前也将2018年“青年学者奖”授予张一慧,表彰他在力学引导确定性三维组装、分形柔性电子力学以及软质网状材料的仿生设计方面所做出的原创性工作。

  10月25日,清华大学航天航空学院工程力学系、微纳米力学中心徐志平研究组在《美国化学学会·纳米》(ACS Nano)期刊上在线发表题为“非连续插层水的扩散解释了氧化石墨烯薄膜内的快速质量输运”的论文。该项研究报导了纳米受限空间内水团簇的异常扩散机制,指出其室温下在石墨烯层间的快速集体扩散可实现高效的质量输运。这一发现解释了早前实验中发现氧化石墨烯薄膜中水蒸汽超快的渗透行为。

  8月1日,清华大学航天航空学院冯西桥课题组在《美国科学院院报》(PNAS)发表题为《多细胞单层中振荡形貌动力学的激活与同步化》(Activation and synchronization of the oscillatory morphodynamics in multicellular monolayer)的研究论文,揭示群体细胞协同振荡的力学–生物学耦合作用机制,该成果对于胚胎发育力学的研究有重要价值。

  12月3日上午,清华大学航天航空学院举行“热学新理论及其应用”学术研讨会。校长邱勇院士,国家自然科学基金委主任杨卫院士,中国工程热物理学会理事长、中国科学院工程热物理研究所金红光院士,以及来自工程热物理、能源、建筑、电机工程等领域的十余位院士和30余位学者参加会议。

  11月1日,第十一届中国国际航空展在珠海举办。清华大学航院无人机系统团队产学研项目:珠海隆华XV-2农业植保型无人直升机和XV-3警用型无人直升机在珠海航展上正式亮相。



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