NEE TALK | 中国科大张忠教授谈“结构功能一体化纳米复合材料设计与应用”

8月30日,南科大系统设计与智能制造学院(以下简称:设计智造学院或SDIM) “NEE TALK 系列专题讲座”在SDIM Design Studio开讲。中国科学技术大学工程科学学院教授、博士生导师张忠以“结构功能一体化纳米复合材料设计与应用”为题,从研究案例出发,围绕纳米复合材料的定位与概况、纳米复合超黑材料的研究案例以及纳米复合材料未来的发展方向与展望等内容进行深度讲解。包括SDIM硕博研究生以及教授在内的30余人听取了讲座。讲座由SDIM讲席教授、澳大利亚工程院院士叶林主持。

张忠教授分享

材料的力学设计
张忠教授首先对“材料的力学设计”概念进行了介绍,并分享了其研究团队——微纳米复合材料研究所目前主要的科研方向。1953年,钱学森先生提出的“物理力学”概念与材料力学密切相关,目标是通过微观尺度预测和设计材料的宏观力学行为。张教授表示,界面力学性能设计是结构功能一体化复合材料满足服役性能和工程应用的基础。实际上,自然界的生物体表面通常以微纳复合结构构成,赋予了超疏水、耐磨减阻、防腐蚀、光陷阱、结构色等多种功能特性。同时,人工构筑的微纳结构表面也可有效实现多功能化,但纳米效应的长效保持及服役性能是制约应用的主要挑战。
纳米复合超黑材料
张忠教授以目前所做的研究项目——超黑材料为例,对结构功能一体化纳米复合材料的设计理念进行了深入解读。他表示,超黑材料是一个非常小众的材料体系,它可有效抑制杂散光,提高暗弱目标探测能力和精度,其应用对深空探测的发展具有非常大的帮助。极限超黑材料的发展,增强了对可见光的吸收率,在红外吸收方面,可以缩短曝光时间、提高效率和灵敏度;对于光学探测系统,可达到简化消光结构,减少或取消消光、缩短尺寸的效果。目前,极限超黑材料在紫外/可见光/近红外宽频极限吸收、平米级大样件、均一性极限吸收以及全面满足极端服役性能、获得实用等方面都存在着极大的挑战。受生物的启发,自然界面的微纳结构,具有很好的光的性能。例如,蛾眼表面微纳锥形突起增强光线吸收,提高夜视能力,鸟羽毛表面致密阵列结构减少光线发射,用于伪装隐蔽。在此基础上,可以通过材料吸光和结构消光构筑成超黑材料表面,据此确定接近极限吸光碳纳米复合超黑材料的设计原则。
同时,张教授综述了碳纳米复合材料的研发历程和挑战,特别是碳纳米管的发现、可控制备和优异特性,提出了界面性质的定量化表征方法、构筑多级次结构、实现结构功能一体化等推动高性能碳纳米复合材料发展和应用的核心科学问题。并介绍了纳米材料界面力学高通量实验与统计分析新方法,实现了石墨烯界面剪切强度的精确测量。张忠教授提出,应变传递因子设计准则,构筑多级次结构界面,应变传递效率接近理论极限,同时阐明了材料和微结构协同吸波机理,工程化制备的吸波材料面比吸收效能等超越国际同类产品,极端环境服役的超黑材料应用于我国空间卫星。
从界面力学到应用
讲座最后,张忠教授总结了纳米复合材料未来的发展目标与展望。他表示,结构功能一体化是纳米复合材料的主要优势;材料的界面力学设计是实现纳米效应跨尺度性能传递的关键,也是满足极端条件服役性能的保障。基于此,当前在纳米复合材料界面力学领域发展了独具特色的实验方法。开展空天极端环境下纳米复合材料应用研究,实现了纳米复合超黑结构表面的突破性应用力争碳纳米材料在碳纤维复合材料闪电防护、防覆冰等重要应用形成核心技术。

讲座结束后,同学们就纳米复合材料相关内容与张忠教授沟通互动