研究方向

弹性体高分子复合材料由于具有很宽的模量调控范围,优异的强韧性平衡能力,易于改善的生物相容性,丰富可选的成型方法,可以赋予其减振降噪、吸能抗冲、耐磨耐刮、柔性传导、组织替代等方面的独特功能,从而实现其在航空航天、交通运输、生物医学和环境保护等领域不可替代的应用。

1.弹性体材料设计与结构性能关系

利用分子设计合成、配方设计筛选和工艺参数优化实现弹性体材料精准性能,赋予复合材料所需功能,明确各尺度微观结构与其性能的关系,是弹性体材料获得高端应用的关键。在充分理解材料应用工况和使役环境的基础上,形成可以精确描述材料应用的关键参数体系。通过分子设计,实现弹性体材料的精准性能或基体材料的基本功能;通过合成方法创新,提升材料性能及其稳定性;通过多组份配方设计筛选,构建高性能多功能的弹性体复合材料;通过建立从分子结构、链结构、凝聚态结构和复合结构等多尺度结构与材料力学性能的准确关联,为面向不同功能应用的弹性体复合材料的研发提供有效指导。

1.1 精准力学性能聚氨酯的精密分子设计

从多元醇设计出发,精确控制多元醇的分子序列结构、羟值、分子量指数等关键参数;结合非对称性合成工艺,打破传统硬段分子结构的排列形式,建立材料力学性能调控的分子结构模型体系;发展复配催化机理和体系,优化反应历程,防止活性基团自聚/失活,以保证获得具有精密链结构的聚氨酯分子,进而实现聚氨酯材料的精准力学性能。

1.2 高反应活性聚氨酯的可控制备

针对高反应活性体系的聚氨酯材料制备,从降低反应基团活性、开发新的合成路线出发,通过设计合成活性基团屏蔽剂、发展新型合成工艺等,实现高反应活性体系聚氨酯弹性体的可控制备,所获材料性能优异、稳定且无尺寸依赖性。

1.3 橡胶配方设计及动态力学行为

从橡胶基体材料出发,通过纳米粒子增强、纤维复合、组分优化等多种手段进行材料设计开发,重点关注组分构成、混炼和硫化工艺等对动态应力场条件下材料的温升变化、力学失效以及界面破坏的影响,借助神经网络多目标优化算法,建立组分构成及制备工艺与材料物理性能参数之间的定量关系,实现橡胶配方设计由经验指导下的试错设计到数据科学指导下的数字设计的跨越,满足航空航天、海洋船舶、特种车辆等尖端领域对橡胶材料高强度、高承载、抗冲击、低生热和高耐磨等苛刻性能要求。

1.4 聚氨酯凝聚态结构控制及其性能关联  

聚氨酯硬段和软段的热力学不相容性是实现其凝聚态结构控制的基本驱动力。通过调控软硬段化学/链段结构、组成比例、反应过程、成型工艺和后处理方法等影响参数,可以实现材料微观相分离结构的精确控制。利用谱学、热分析等表征技术,运用表面形貌、内部微观形态和原位形态观测等研究方法,通过X-射线衍射/散射技术及模型分析途径,实现与材料静态/动态力学等性能的关联,形成分子设计合成-微观结构表征-材料性能测定的闭环优化策略,建立材料微观结构与性能的关系,获得材料性能提升与质量保证的有效方法。

2. 复杂弹性体结构件的数字孪生设计

      复杂弹性体结构件通常具有显著的多尺度特征,其性能随加载条件往往呈现非线性变化,并受到工况中诸多因素的共同影响,因而其设计复杂、难度大。传统研究方法很大程度上依赖于试错法进行实验结果反馈,周期长,成本高,精度差。此外,苛刻或极端工况条件以及复杂因素的耦合条件也难以通过实验实现。因此,将数字孪生设计技术充分运用于产品研发不同阶段,建立贯穿结构优化、工艺实现、性能验证的数字闭环关系成为获取高质量高可靠产品并满足其在复杂环境实现成功应用的关键。该方法在具有线性和圆周运动轨迹的隔振器和航空轮胎设计中都极具优势。

2.1 超材料隔振器设计与实现

运用高精度建模和计算技术,实现弹性体材料力学结构的超材料特性表达,开发出兼具高承载和宽隔振频率的超材料隔振器,针对工况要求完成超材料隔振器的瞬态/稳态力学性能优化,综合各环节的数字孪生技术实现结构设计、器件制备和性能评估的闭环迭代。

2.2 数字轮胎设计与实现

对轮胎多尺度结构特征进行数字建模,以部件材料的结构-性能数据库为输入,构建复杂工况下轮胎性能仿真的系列本构方程,实现轮胎数字设计与性能仿真的统一处理平台,运用不同环节的数字孪生技术完成轮胎结构设计、工艺设计、工况使役性能预判分析的迭代优化,以精准的计算优化替代传统开发过程中的试错实验,缩短轮胎的研发周期,节约研发成本。

3. 耐磨弹性体及摩擦磨损行为

机电设备中运动零部件的破坏绝大部分(大于80%)来自于磨损,其摩擦过程还消耗了大量能源,因而降低摩擦磨损意义重大。高分子材料具有质量轻、耐腐蚀、韧性好和自润滑/易润滑等优点,是一类不可替代的多功能耐磨材料。弹性体材料作为高分子材料的重要组成部分,具有模量可调节范围宽和更加突出的高韧高弹等性能优势。有鉴于此,弹性体材料在水基润滑条件下更易与摩擦副形成界面配合;在承受高速冲蚀磨损、高强撕裂破坏磨损和异物反复镶嵌磨损时,其特有的高韧高弹性能促使其成为不可替代的耐磨材料;其良好的生物相容性和模量易于调节成人体组织等特点,在人工关节等兼具摩擦磨损和减振需求的应用方面优势明显。

3.1 水润滑摩擦材料及摩擦磨损机理

面向水润滑轴承及摩擦密封材料的低磨损、自润滑、高可靠需求,研究摩擦副间润滑水膜建立条件、承载能力及破坏机理,探索摩擦副材料间的匹配原理。研究摩擦密封材料材质、结构及表面形貌对摩擦端面热量累积分布的影响机制,探索不同材料发生粘附磨损、磨粒磨损的机理差异,厘清摩擦密封材料发生端面损伤、磨屑积累及密封破坏的机理。建立基体树脂改性、自润滑组分缓释胶囊、增韧抗磨功能填料、高强高韧骨架纤维网络等材料结构设计方法对水润滑摩擦材料承载能力、适用极限工况及使用寿命的构效影响规律,实现具有自主知识产权的高耐磨、高可靠水润滑轴承及密封材料结构设计技术及关键制造技术。

3.2 抗高速冲蚀磨损涂层的构建及机理

研究高分子防护涂层在高速粒子冲蚀条件下的非线性粘弹行为的滞后反应机制,建立粒子冲蚀角度、速率和频率等关键参数与涂层磨损行为间的关联;通过分子结构设计和材料物理复配,构建涂层的多级应力耗散中心和力学性能梯度分布结构,实现涂层的抗冲蚀磨损性能,满足极端使役工况需求。

3.3 抗撕裂磨损橡胶材料与寿命提升

根据航空轮胎起飞和着陆等工况特点,建立摩擦接触力学物理模型,根据能量守恒及时温等效原理,将载荷、速度、温度等多场作用下的复杂摩擦模型进行解耦处理,转化成可以用经典摩擦学模型描述的单一变量问题,明晰高速、高载条件下橡胶表面烧蚀与刮擦破坏机制,建立材料摩擦磨损行为与橡胶化学组分以及物性参数的对应关系,指导胎面橡胶材料的设计优化。

3.4 抗异物反复镶嵌磨损材料与密封失效

研究高压下异物反复镶嵌及磨损材料的机理,建立异物动/静态镶嵌和材料性能的关系;通过设计和调控弹性体材料的分子结构、优化材料合成和制备工艺,提高弹性体抗异物镶嵌磨损的性能,同时研发高回弹、耐蠕变、低成本的密封材料,确保材料在苛刻工况下的长期使用寿命,进而节约作业产能成本。

3.5 高承压耐磨大型密封件材料和结构协同设计

针对高承压耐磨大型密封件的苛刻工况需求,采用大位阻和物理化学力学耗散中心协同的分子设计理念,结合智能释放自润滑粒子的设计策略,实现材料的高耐磨、耐蠕变性等性能;通过力学结构仿真分析,构建多级密封结构和材料性能的协同效应,实现关键材料、密封结构、成型工艺和安全性评价体系等关键核心技术的突破,保证大型密封工件工程应用中的安全可靠性。

4. 生物医用弹性体

人体大部分是由弹性柔软的组织构成,因此弹性体高分子材料可作为生物医用材料被广泛应用于医学领域,实现人体组织器官的修补或替代。与其他高分子材料相比,弹性体具有硬度范围宽、强度高、弹性好、韧性强等优点,同时还可以通过分子结构设计赋予弹性体材料特定的生物活性和机械性能,因此可应用于人工软骨、小口径人工血管、人工韧带、人工晶状体等替代和修复。然而,作为直接接触生物或埋入生物体内的医用材料,弹性体还需要具有优异的生物相容性(如与血液接触时,不引起凝血和溶血现象;与活体组织接触时,不引起炎症和过敏反应、不致癌、无排异反应等)、功能性和身体适应性。鉴于此,设计及合成高综合性能的弹性体材料是现代医用材料的研究热点。

4.1 生物医用聚氨酯  

通过对聚氨酯分子链和表面改性剂进的设计合成,结合具有生物特征的功能单元,赋予聚氨酯弹性体特定的生物力学强度、体内稳定性和生物功能,以及耐蠕变性、高回弹性和低摩擦性,促使聚氨酯弹性体在保持本体性质的基础上实现表面性质的改善与优化,制备出满足生物体植入需求的高性能医用聚氨酯,为其实现临床应用奠定研究基础。

4.2 面向生物应用的高强水凝胶

水凝胶是高含水量的三维交联高分子网络,交联网络结构是决定凝胶宏观力学性能的关键因素。根据体内生理环境和承载的个性化需求,通过聚合物分子链结构设计,精准调控交联剂结构和性能,研究交联构筑基元对水凝胶交联网络微结构、强度、及宏观性能的影响,揭示其中的影响规律及其作用机制,制备出均匀规整微网络结构、满足生物应用要求的高强韧高形变水凝胶材料。

5. 柔性光电与传感器件

和传统硬质、刚性的电子产品相比,柔性可穿戴电子设备能够适应肢体的自由运动,提升用户的佩戴体验,由此可拓展产品的设计形态,是消费类电子产品的发展方向。而这也对具有柔性和可形变能力的光电与传感器件提出了迫切的需求。通过弹性体材料与共轭高分子、导电纳米材料进行功能复合,利用分子设计与合成、形貌与结构调控、工艺与制备方法优化等手段,实现具有光电转化、触觉传感等功能的柔性与可形变电子器件,为开发新一代柔性可穿戴消费类电子产品奠定研究基础。

5.1 柔性触觉传感器结构设计与力电性能

发展弹性体表面微结构的制备与调控方法,探究弹性体材料结构、纳米导电材料性能及其复合界面对触觉传感器力电性能的影响关系;构筑新型传感器宏观与微观结构,拓展传感器的测量功能和信号读取方式,实现三维力传感器与可观测传感器。

5.2 柔性太阳能电池

通过分子结构设计、光敏层形貌调控、界面层优化实现高效率的有机太阳电池器件,发展柔性可弯折透明电极、大面积功能层沉积手段和高填充率的光伏模组制备方法,最终实现高效率大面积柔性太阳电池模组。

6. 电磁防护弹性体复合材料

高性能电磁防护复合材料在航空航天、海洋船舶、电子电器等高科技及核能安全利用领域具有迫切需求。通过基于数据科学的配方设计,攻克多功能组份与弹性体基材复合时界面失配难题,形成极端非对称组份添加情况下的有效界面复合,实现弹性体复合材料的电磁防护性能与其力学性能的平衡统一。在此基础上,针对装备的具体工况和使役环境,实现对常规电磁波波段的高吸收和高能射线的良好屏蔽,并同时满足其他技术指标要求,实现规模化和批量化工程应用。

6.1 电磁波吸收材料

电磁波吸收材料以电磁参数广义匹配和全貌分析设计方法为原则,开发新型高磁损耗吸收剂,通过自主开发的多功能多算法软件建立参数数据库,对电磁波吸收材料的RCS性能进行优化计算,结合具有优异性能的高分子基体材料进行一体化设计,制备出耐磨防腐自修复智能复合涂层型、低面密度高拉伸强度贴敷型、跨越S-Ku波段高衰减橡胶贴片型等弹性体复合电磁波吸收材料。

6.2 高能射线屏蔽材料

针对现有核辐射屏蔽材料体大质重的问题,在阐明核素在屏蔽材料中的传输机制及损耗机理,屏蔽剂聚合过程中的配位催化机理,材料的氢化率与屏蔽效率间的数理关系等科学问题基础上,通过富氢基体材料与功能屏蔽剂的合成,屏蔽剂在基体中的分散控制,有机基体与无机屏蔽剂的复合等关键技术,研发单位体积(重量)屏蔽效果优、屏蔽功能多的弹性体核辐射防护材料。