聚焦科研|浅谈结构/功能陶瓷表征设备研发及测试分析平台建设

发布时间:

2024-05-21

所属分类:

新闻资讯


科研团队负责人介绍

李应卫

      武汉大学副教授,长期从事实验力学和智能材料变形与失效行为研究,主持自然科学基金面上、青年各一项,以及多项军工、企业横向课题,与振华集团、伯恩集团、航天院所等企业有良好的合作关系。北大优博;北大学术创新奖;国际铁电最佳 Poster 论文(2013);美陶表征比赛第一(2018);武大珞珈青年 (2015);青年拔尖人才(2017);在 PNAS ,Acta Materialia ,Applied Physics Letters等发表45篇SCI论文。

新材料蕴含大能量

      陶瓷材料以其低电导率、低导热系数、低密度,优异的高温力学性能、耐磨性能、耐腐蚀性能,以及独特的光、电、磁耦合等特性,在军工、航空航天、石油化工、医疗、电子产品等多个高科技领域扮演着不可或缺的角色。这些特性对于推动我国材料科学的发展、加快技术创新步伐、提升产品质量等方面具有深远的意义。

      随着我国产业升级的步伐不断加快,以及相关产品应用场景的不断拓展,工业界对陶瓷材料的功能特性和可靠性提出了更为严格的要求。这些要求不仅体现在更高的性能精度上,更要求陶瓷材料能够适应更广泛的应用范围,并需要采用更为综合和先进的检测方法来进行评估。因此,对于陶瓷材料的研究和开发,需要更加注重其功能性、可靠性和应用性的综合提升,以满足日益增长的工业需求和市场期待。

新需求呼唤技术创新与突破

      在陶瓷器件、结构研发到落地应用的整个链条中,相关材料的性能表征和可靠性设计是必不可少的两个环节,性能表征为可靠性设计提供了必要的数据支持,而可靠性设计则确保了性能表征的结果能够在产品的实际应用中得到有效利用。两者相辅相成,共同提高了陶瓷产品的质量和市场竞争力。
      目前,我国科研人员在完成陶瓷材料研发制备后,主要利用通用进口设备对材料微结构、基本功能等进行表征,缺乏部分关键性能的测试表征手段,严重影响了相关材料的产业应用;其次,陶瓷材料是通过离子键或共价键结合,在外载荷作用下,难以与金属材料或有机物一样,产生较大的变形,因此,断裂韧性低,缺陷容限能力差,材料表面或内部较小缺陷即可引起相关结构、器件断裂破坏,因此,与基于金属、有机材料制作的结构不同,陶瓷结构可靠性设计更加困难。

      陶瓷领域相对传统,且陶瓷力学性能测试困难,国内没有稳定可靠的测试设备,另一方面,由于缺少大项目的牵引,我国从事该领域研究的力学工作者较少,一定程度上影响了我国相关技术与理论的发展。为此,凝聚我国科研力量,积极拓展陶瓷材料的应用和研究,推动陶瓷材料研究向更高水平发展,具有十分重要的意义。

勇挑重担,突破“卡脖子”关键技术

      北京大学南昌创新研究院(以下简称“北大南昌院”)结构/功能陶瓷表征设备研发及测试分析平台建设项目组(以下简称“项目组”)围绕限制我国陶瓷产业发展中存在的部分难点、痛点问题,即多场耦合测试设备缺乏、力学性能表征设备不完备的现状开展技术与理论研究,在技术、理论突破的基础上,对接相关产业,系统测试材料的功能特性、力学特性和多场耦合特性,并基于测试数据和理论分析,发展相关标准,为陶瓷行业产业升级做出贡献。

      项目组聚焦于航空航天、中船重工、兵器工业、石油化工、核能电力等高端陶瓷应用领域的通用测试测量技术研究和工程化装备开发,以及通用数据库建设。基于力热声光电多场耦合的通用材料性能表征设备被广泛应用于航天一院、航天三院等飞行器的研制试验中,为了获得功能陶瓷等先进材料在复杂环境下的可靠性,必须实现多场耦合条件下的的材料性能表征,同时形成通用型的材料性能数据库与仿真模型数据库,从而大大减少甲方单位的持续研发成本和研发周期。该测试分析平台集成传感器技术、精确控制技术、测试测量方法、数值仿真技术,并以数据库的方式进行数据的统计、归纳和整合,最终实现通用化、模块化、强功能扩展、历史数据随时可调阅的全环境测试测量及数据输出系统。

      科学仪器创新研制是科技创新的重要基础和保障,是进行原始创新的关键要素之一,支持科研仪器原始创新,以及实现进口产品的国产化替代的布局已在国家层面展开。项目组紧紧围绕国家战略部署,开展多场耦合下材料表征设备等方面的研发,切实推动我国陶瓷材料行业的发展,充分展现了我国科研人才的创新活力和进行原创性引领性科技攻关的信心。未来,北大南昌院将继续践行使命担当,积极拓展我国科研仪器研制和应用之路,突破核心关键技术问题,为我国科技创新贡献更大力量。