力學(xué)支撐先進復(fù)材設(shè)計與制造 助力航空航天輕量化結(jié)構(gòu)發(fā)展
——走進同濟大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院先進復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造團隊

團隊概況

團隊現(xiàn)有固定教學(xué)科研人員10余人，其中包含國家杰青獲得者1 人，上海浦江人才計劃2 人，上海晨光學(xué)者1 人，同濟青年百人計劃4 人，以及多位青年教師和博士后。

團隊由杰青李巖教授領(lǐng)銜，致力于國家在高端裝備與材料、智能制造、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展應(yīng)用中“卡脖子”關(guān)鍵難題的技術(shù)突破。目前團隊牽頭主持了20 余項國家級、省部級等重點科研項目的攻關(guān)任務(wù)，包括科技部國家重點研發(fā)計劃、國家杰出青年科學(xué)基金項目、國家自然科學(xué)基金重點項目、國家自然科學(xué)基金中英牛頓高級學(xué)者項目、工信部中歐航空科技專項、科技部973 項目等重大課題。發(fā)表SCI 論文100 余篇，SCI 他引逾2000 次；出版復(fù)合材料專著2 部，其 中1 部獲得國家出版基金資助，受邀參與編寫4 部復(fù)合材料英文專著；授權(quán)發(fā)明專利10 余項；獲上海市教學(xué)成果一等獎1 項，上海市自然科學(xué)二等獎1 項以及中國復(fù)合材料學(xué)會青年科學(xué)家獎等；團隊獲同濟大學(xué)首屆卓越研究生導(dǎo)學(xué)團隊標(biāo)兵稱號；研究成果已在飛機、軌道交通、新能源汽車等國家重大工程項目中得到領(lǐng)先示范應(yīng)用。

團隊優(yōu)勢和研究方向

（1）綠色復(fù)合材料設(shè)計與制造。

植物纖維復(fù)合材料多層次界面力學(xué)理論。綠色復(fù)合材料是采用來源于大自然且具有高比強度和比模量的植物纖維制造成型的復(fù)合材料，具有優(yōu)異的環(huán)保性能。針對植物纖維獨特的微觀結(jié)構(gòu)特點，探索了植物纖維增強復(fù)合材料多層級失效模式，揭示了多層級界面斷裂機理；構(gòu)建了雙界面剪滯理論模型，以獲取其增強 復(fù)合材料的多層次界面脫黏破壞準(zhǔn)則；通過建立含多層級界面開裂區(qū)域模型，確定了微觀界面參數(shù)與宏觀力學(xué)行為間的相關(guān)性。據(jù)此提出了植 物纖維增強復(fù)合材料力學(xué)高性能化的新概念和新方法，構(gòu)建了多層次、多尺度的復(fù)合材料界面損傷破壞模式，實現(xiàn)了綠色復(fù)合材料的力學(xué)性能調(diào)控。

多功能植物纖維復(fù)合材料基礎(chǔ) 創(chuàng)新和應(yīng)用研究。建立了材料細、微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與聲學(xué)性能的關(guān)系，提出了植物纖維增強復(fù)合材料聲學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則；開發(fā)了新型碳納米管和石墨烯納米阻燃劑，阻燃性能可達到航空級別要求，克服了以往植物纖維增強復(fù)合材料阻燃與力學(xué)性能之間的矛盾；開發(fā)了具有優(yōu)異的力學(xué)性能和阻燃性能的全降解環(huán)境友好型復(fù)合材料，實現(xiàn)了植物纖維增強復(fù)合材料力學(xué)/聲學(xué)/阻燃結(jié)構(gòu)的多功能化。成果成功示范應(yīng)用于飛機艙內(nèi)結(jié)構(gòu)件、軌道交通列車車廂內(nèi)部結(jié)構(gòu)件、新能源汽車外覆蓋件和市政工程結(jié)構(gòu)件等。

（2）復(fù)合材料智能技術(shù)。

復(fù)合材料智能結(jié)構(gòu)設(shè)計。面對航空航天領(lǐng)域?qū)Ω哔|(zhì)量復(fù)合材料構(gòu)件結(jié)構(gòu)功能一體化的迫切需求，結(jié)合人工智能技術(shù)，實現(xiàn)了復(fù)合材料智能結(jié)構(gòu)設(shè)計。建立了多場耦合高保真仿真模型，闡釋了智能復(fù)合材料服役過程中力-熱-電-化學(xué)等多場耦合機理，實現(xiàn)了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件精準(zhǔn)快速設(shè)計，獲得了具有狀態(tài)自感知高力學(xué)性能的智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。通過深度學(xué)習(xí)算法構(gòu)建了耦合場間的復(fù)雜非線性關(guān)系，加速結(jié)構(gòu)狀態(tài)自感知與自決策過程，獲得了集成壓力、溫度、濕度、高應(yīng)變率的高靈敏、低遲滯、高穩(wěn)定性復(fù)合材料智能結(jié)構(gòu)。

復(fù)合材料異形結(jié)構(gòu)制造/檢測技術(shù)。傳統(tǒng)制造方法和人工掃查診斷的傳統(tǒng)檢測方法難以滿足復(fù)雜外形構(gòu)件的制造、檢測及制造狀態(tài)在線監(jiān)測的需求。結(jié)合精密機器人和多體協(xié)同技術(shù)，建立了多自由度復(fù)合材料增材制造方法及異形復(fù)合材料智能檢測系統(tǒng)。通過構(gòu)建機器人運動學(xué)模型及信號傳輸系統(tǒng)，實時獲得制造運動軌跡和檢測激勵信號。采用專用深度學(xué)習(xí)方法針對復(fù)合材料檢測中的多源激勵數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，建立了高置信度復(fù)合材料性能評價模型，實現(xiàn)了復(fù)合材料構(gòu)件當(dāng)前力學(xué)性能的準(zhǔn)確預(yù)報及損傷狀態(tài)的精準(zhǔn)評價。

（3）復(fù)合材料增材制造。

復(fù)合材料仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和增材制造。研制兼具強度和韌性優(yōu)勢的新型輕量化仿生結(jié)構(gòu)是提高航空航天等領(lǐng)域高端裝備服役壽命和安全性的趨勢。采用增材制造成型梯度蜂窩仿生復(fù)合材料、層狀螺旋仿生復(fù)合材料、管狀仿生復(fù)合材料等創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式，建立了復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能間的關(guān)系，針對各仿生結(jié)構(gòu)形式及增材制造成型的特點，提出了多目標(biāo)優(yōu)化算法，優(yōu)化結(jié)構(gòu)幾何尺寸和工藝參數(shù)，獲得了具有輕質(zhì)和高力學(xué)性能的復(fù)合材料仿生結(jié)構(gòu)。

3D 打印連續(xù)纖維復(fù)合材料成型質(zhì)量控制。傳統(tǒng)3D 打印獲得的連續(xù)纖維復(fù)合材料缺陷多，影響其力學(xué)性能。通過開發(fā)基于纖維實時浸漬技術(shù)的連續(xù)纖維復(fù)合材料3D 打印設(shè)備，探索了連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印成型過程缺陷形成機理，評估了3D 打印工藝參數(shù)對缺陷及力學(xué)性能的影響，建立了3D 打印連續(xù)纖維復(fù)合材料自粘預(yù)測模型和力學(xué)性能調(diào)控方法。提出了基于超聲振動的3D打印復(fù)合材料缺陷控制方法，通過噴嘴形狀的精確設(shè)計、纖維改性和工藝參數(shù)優(yōu)化等方法，改善了熔腔內(nèi)纖維和熔融基體的浸潤效果，顯著提升了連續(xù)纖維復(fù)合材料的成型質(zhì)量。

（4）復(fù)合材料雷擊防護。

雷擊復(fù)合材料損傷預(yù)測評估模 型的建立。雷擊碳纖維復(fù)合材料涉 及熱-電轉(zhuǎn)換效應(yīng)、絕緣層介電擊穿、高溫等離子體膨脹等復(fù)雜交互作用機制。建立了碳纖維復(fù)合材料雷擊熱燒蝕和高溫等離子體膨脹沖擊損傷預(yù)測模型，揭示了復(fù)合材料在雷擊過程中的損傷演化規(guī)律，獲得了雷擊防護系統(tǒng)雷擊損傷的定量評估方法。探索了航空典型結(jié)構(gòu)在雷擊下的損傷模式和損傷演化機理，建立了碳纖維復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料金屬螺栓連接件的雷擊損傷預(yù)測模型，豐富了航空復(fù)合材料雷擊損傷預(yù)測的理論。

連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印設(shè)備

復(fù)合材料智能制造系統(tǒng)

雷擊復(fù)合材料防護涂層開發(fā)和評估方法的建立。雷擊防護涂層要兼顧重量、力學(xué)性能和電磁防護性能，開發(fā)了雷擊防護和電磁屏蔽一體化新型輕質(zhì)夾心復(fù)合涂層，防雷擊和電磁屏蔽效果優(yōu)良。制備了具有超高比強度的鈦/鋁多層復(fù)合結(jié)構(gòu)防護涂層，闡明了微觀尺度下鈦/鋁多層復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的變形機理及強化機制。提出了能量法和應(yīng)力法表征超薄涂層材料斷裂韌性和等效應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系的納米壓痕表征方法，發(fā)展了防護涂層的表征評估理論。

交流與合作

團隊與國內(nèi)多所著名高校、科研院所及航空航天重點企業(yè)等長期保持著緊密合作；同時，與美國加州大學(xué)圣地亞哥分校、德國斯圖加特大學(xué)、澳大利亞悉尼大學(xué)、新加坡國立大學(xué)等世界一流高校與科研機構(gòu)建立了長期穩(wěn)定的合作交流關(guān)系。

未來規(guī)劃和研發(fā)重點

團隊聚焦復(fù)合材料力學(xué)學(xué)科發(fā)展前沿和復(fù)合材料在高端裝備應(yīng)用的迫切需求，擬在綠色復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料增材制造、智能復(fù)合材料與健康監(jiān)測、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析與驗證、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)適航等方向進一步提升基礎(chǔ)研究水平和技術(shù)創(chuàng)新能力，拓寬復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域。加強團隊梯隊建設(shè)，注重團隊人才培養(yǎng)和高層次人才引進，強化國際國內(nèi)合作力度，提升團隊在本領(lǐng)域的國際國內(nèi)影響力，形成研究特色，服務(wù)國家重大戰(zhàn)略需求。