纳米复合材料

纳米复合材料-3D打印

研究方向：纳米复合材料的3D/4D打印技术及相关新型装备的研发

本课题组开展纳米复合材料方向的新材料、新工艺、新功能和新装备相关研究，具体研究方向包括：

1.4D打印专用材料研发、成型工艺优化、变形机制设计、及力学行为调控

2.3D/4D打印构件的性能/功能定制及应用示范

3.纳米复合材料新型打印装备研发

代表性成果列表（1共同第一作者; *通讯作者及共同通讯作者）：

1.Guo Liu, Yan Zhao, Ge Wu, Jian Lu*. Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures, Science Advances. 4, 8, eaat0641, 2018.  
https://doi.org/10.1126/sciadv.aat0641  查看文件  附件

2.Guo Liu, Xiaofeng Zhang, Xinya Lu, Yan Zhao, Zhifeng Zhou, Jingjun Xu, Jianan Yin, Tao Tang, Peiyu Wang, Shenghui Yi, Jiafeng Fan, Xueshi Zhuo, Yu Hin Chan, Wui Leung Wong, Haidong Bian, Jun Zuo, Yu Dai, Jian Wu, Jian Lu*. 4D additive–subtractive manufacturing of shape memory ceramics, Advanced Materials. 35, 39, 2302108, 2023. (Back Cover)  
https://doi.org/10.1002/adma.202302108  查看文件  附件

3.Guo Liu¹, Xinya Lu¹, Xiaofeng Zhang¹, Yan Zhao, Shenghui Yi, Jingjun Xu, Yuqi Zhan, Jianan Yin, Chengcheng Feng, Zhifeng Zhou, Peiyu Wang, Zhou Chen, Yunhu He, Siyao Chen, Pengchao Liu, Jun Zuo, Yu Dai, Jian Wu, Sida Liu, Jian Lu*. 3D/4D additive–subtractive manufacturing of heterogeneous ceramics, Journal of Materials Science and Technology.201, 210-221, 2024. (Cover)
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.02.069.  查看文件   附件

4.Guo Liu¹, Xiaofeng Zhang¹, Xuliang Chen¹, Yunhu He¹, Lizi Cheng, Mengke Huo, Jianan Yin, Fengqian Hao, Siyao Chen, Peiyu Wang, Shenghui Yi, Lei Wan, Zhengyi Mao, Zhou Chen, Xu Wang, Zhaowenbo Cao, Jian Lu*. Additive manufacturing of structural materials, Materials Science & Engineering R-Reports. 145, 100596, 2021. (ESI高被引论文)  
https://doi.org/10.1016/j.mser.2020.100596  查看文件  附件

5.Guo Liu¹, Yunhu He¹, Pengchao Liu¹, Zhou Chen, Xuliang Chen, Lei Wan, Ying Li, Jian Lu*. Development of bioimplants with 2D, 3D, and 4D additive manufacturing materials, Engineering. 6, 11, 1232-1243, 2020.  
https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.04.015  查看文件 

6.Jia-Feng Fan¹, Guo Liu¹, Xue-Shi Zhuo¹, Xiao-Feng Zhang*, Jun-Li Feng, Wo Jiang, Yan-Qing Jiang, Ju-Hang Yin, Bing He, Yong-Jun Hu, Rong-Jiu Li, Shuang-Quan Guo, Huan-Tao Chen, Chun-Ming Deng, Min Liu, Ke-Song Zhou*. In-situ reaction synthesis Al2O3 overlay modified 7YSZ TBC for NaCl hot corrosion, Ceramics International. 47, 16, 22404-22415, 2021.  
https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.04.250   查看文件

7.Xueqin Zhang, Ruyue Su, Xiong Gao, Jingyi Chen, Guo Liu*, Rujie He*, Ying Li. Circumventing the brittleness of 3D-printed Al2O3 cellular ceramic structures via compositing with polyurea, Rare Metals. 2024.

https://doi.org/10.1007/s12598-024-02850-2  查看文件

8.Xinya Lu¹, Guo Liu¹, Jian Lu*. Development of ceramic 3D/4D printing in China, Additive Manufacturing Frontiers. 200158, 2024.  
https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200158  查看文件

专利：

1.Jian Lu, Guo Liu. In-situ 4D printing of high-temperature materials，2024年1月2日，授权专利号US11858200B2。

2.Jian Lu, Guo Liu. Method for constructing a printed ceramic object and a ceramic object constructed by the same，2021年8月31日，授权专利号US11104030B2。

3.Jian Lu, Guo Liu. System and method for four-dimensional printing of ceramic origami structures，2019年8月13日，授权专利号US10377076B2。

4.Jian Lu, Guo Liu, Yan Zhao. System and method for four-dimensional printing of elastomer-derived ceramic structures by self-forming method，2021年7月20日，授权专利号US11065781B2。

5.Jian Lu, Guo Liu, Yan Zhao. Systems and method for four-dimensional printing of elastomer-derived ceramic structures by compressive buckling-induced method，2021年5月11日，授权专利号US11000991B2。

6.吕坚，刘果。高温材料的原位4D打印，2022年9月5日，授权专利号ZL 2022 1 1077511.4。

7.吕坚，刘果。构造打印的陶瓷物体的方法和通过其构造的陶瓷物体，2022年5月24日，授权专利号ZL 2019 1 0483910.2。

8.吕坚，刘果。构造四维打印的陶瓷物体的方法，2022年5月13日，授权专利号ZL 2018 1 0852295.3。

9.吕坚，刘果，赵岩。自变形法四维打印弹性体衍生陶瓷，2022年4月26日，授权专利号ZL 2019 1 0501955.8。

10.吕坚，刘果，赵岩。压缩屈曲引起的方法对弹性体衍生的陶瓷结构进行四维打印的系统和方法，2022年7月22日，授权专利号ZL 2019 1 0517900.6。

纳米复合材料-超黑材料

研究方向：碳纳米复合超黑材料的设计、制备、性能及应用研究

超黑材料是在一定光谱范围内拥有极高光吸收率（一般高于98%）的一种新的结构化表面材料，其吸收特性接近于黑体，在从高端光学设备到太阳能热转换设备的广泛领域中存在迫切的应用需求。但是目前超黑材料制备技术比较复杂，加工条件比较苛刻，需要精密、昂贵的加工设备，不太适合在大面积工件或者复杂曲面上涂覆，同时获得更宽光谱范围内的超黑性和机械稳健性仍然是一个巨大的挑战。因此发展一种制备条件温和、能够大面积制备、吸光性能优异、长效性能较好的超黑材料对实际应用具有重要的意义。

鉴于此，本课题组开展碳纳米复合超黑材料的设计、制备、性能及应用研究，具体研究方向包括：

1.通过静电植绒进行碳管、碳纤维、聚合物纤维等阵列的设计构筑，通过喷涂等进行复合材料针状结构、全喷涂超黑涂层等超黑表面的设计构筑

2.基于同步辐射大科学装置等进行结构-性能的表征测量

3.基于超黑表面高吸光率、超疏水、出色的光热转化等特性，探究其在包括空间试验卫星相机、自清洁表面、太阳能热采、柔性气流传感器等各种工作条件下的突出应用

4.基于纳米复合超黑材料工程实验室，探索工程化制备与应用

基于碳纳米材料本征吸光和微纳复合结构多重反射吸光协同效应机制，研究团队成功研制的纳米复合超黑材料，在紫外-可见-近红外实现99.6%的高吸光率和稳定的全向吸收特性，超过国际同类技术，建设了纳米复合超黑材料工程实验室并实现了大面积工程化制备，服役性能全面满足空间极端环境需求。已成功应用于2021年4月9日发射的试验六号03星和2021年11月5日发射的可持续发展科学卫星1号微光相机，大幅提升了卫星光学系统暗弱目标的探测能力，在深空探测领域具有重大应用前景。

代表性成果列表：

1. Li H, Shen C, Sun S, Li C, Zhang H, Zhang Z. Magnetically Assembled Ultrablack Surface with Omnidirectional and Broadband Light Absorption. ACS Appl Mater Interfaces. 2023;15:11369-78.
https://doi.org/10.1021/acsami.2c19796.  查看文件

2.Shen C, Li H, Sun S, Zhang H, Yan L, Zhang Z. Design and optical performance investigation of all-sprayable ultrablack coating. Nano Res. 2023;16(12):12901–9.
https://doi.org/10.1007/s12274-023-5590-5.  查看文件

3. Shen C, Sun S, Zhang H, Zhang Z. Bioinspired Ultrasensitive and Flexible Airflow Sensor based on Short Carbon Fiber Network. Advanced Materials Technologies. 2023;8(1):2200571.
https://doi.org/10.1002/admt.202200571.  查看文件

4. Zhang L, Huang Z, Cai W, Xue X, Min X, Zhang H, et al. Hairy superhydrophobic surfaces with excellent mechanical robustness, underwater stability and drag-reduction property. Prog Org Coat. 2023;174:107323.
https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2022.107323.  查看文件

5. Tu C, Cai W, Chen X, Ouyang X, Zhang H, Zhang Z. A 3D-Structured Sustainable Solar-Driven Steam Generator Using Super-Black Nylon Flocking Materials. Small. 2019;15(37):1902070.
https://doi.org/10.1002/smll.201902070.  查看文件

专利：

[1]李慧勇,沈忱,张晖,等. 一种基于磁场诱导自组装的超黑材料及其制备方法与应用[P]. 北京市：CN202210625613.9,2023-01-06.

[2]沈忱,张晖,张忠,等. 一种柔性气流传感器及其制备方法和应用[P]. 北京市：CN202110912092.0,2022-10-14.

[3]沈忱,高峰,张晖,等. 一种层间改性碳纤维复合材料及其制备方法和应用[P]. 北京市：CN202210233556.X,2022-04-22.

[4]蔡文甫,屠策,张晖,等. 一种纤维阵列超黑材料及其制备方法[P]. 北京市：CN201811130448.X,2022-09-06.

[5]屠策,蔡文甫,张晖,等. 一种黑体纤维植绒材料及其制备方法和用途[P]. 北京市：CN201811130172.5,2022-09-06.

研究方向：极端环境纳米复合防护材料

针对我国空天领域对雷击、高能冲击防护与防覆冰功能的迫切需求，亟需研发适用于极端环境、可长期稳定服役的防护材料结构与技术。碳纳米复合材料具有物理力学性能突出、微纳结构可精确构筑、多尺度表界面可优化设计等独特优势，为满足上述需求并探索关键应用提供了创新思路。本课题组明确并解决防护机理中的共性科学与技术问题，发展结构功能一体化设计与制备方法，实现机身、机翼与尾翼前缘、雷达罩、油箱口盖等关键结构中的典型应用。具体内容如下：

1. 碳纳米复合材料设计与实验分析

2. 碳纳米复合材料构效理论与使役性能预测模型

3. 关键应用防护性能需求分析与碳纳米复合材料结构件制备

4. 极端环境防护机理分析、检测技术与性能评价

基于碳纳米材料的优异物理性能，针对多场耦合的极端服役环境构筑多级次纳米复合防护材料。依托中国科学技术大学，与中航工业济南特种结构研究所、上海飞机制造有限公司、合肥航太电物理技术有限公司、中航工业西安飞机工业有限责任公司等航空企业合作，在飞机极端服役环境防护领域具有重大应用前景。

代表性研究成果：

1. Bai, Y.; Zhu, M.; Wang, S.; Gao, F.; Gao, R.; Qu, Y.; Cui, X.; Wang, G.; Liu, L.; Zhang, H.; et al. Mechanism study of advanced lightning strike protection composite systems using a miniature tip discharge system. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 2023, 167, 107394. DOI:
https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2022.107394.  查看文件

2.Bai, Y.; Zhu, M.; Wang, S.; Gao, F.; Gao, R.; Wang, C.; Wang, G.; Jin, H.; Liu, L.; Zhang, H.; et al. Superaligned carbon nanotube film/quartz fiber composites towards advanced lightweight lightning strike protection. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 2023, 173, 107617. DOI:
https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107617.  查看文件

3. Bai, Y.; Zhu, M.; Wang, S.; Liu, L.; Zhang, Z. Dynamic electrical failure of carbon nanotube ribbons. Carbon 2023, 202, 425-431. DOI:
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.10.070.  查看文件

研究方向：高分子/类高分子凝胶

高分子凝胶在医疗、工业中已经有大量应用，研究高分子凝胶增韧机理对克服其服役中力学失效瓶颈具有重大意义。无机亚纳米线基有机凝胶是2022年首次由我国科学家发明的兼具无机-有机材料特性新兴材料，其网络为类高分子的无机亚纳米线，分散介质为有机溶剂。然而无机亚纳米线属于半刚性链，单分子力学性质迥异于高分子柔性链，因此现有高分子凝胶的力学模型不能直接应用于无机亚纳米线基有机凝胶。力学机理的缺失导致无机亚纳米线基有机凝胶在储存和运输危险试剂时的稳定性难以评估、恶劣环境下服役时难以进行优化设计以抵抗破坏。本课题组开展高分子/类高分子凝胶力学机理对比研究，具体内容包括：

1.高分子凝胶网络增韧机理及其强韧复合材料设计

2.无机亚纳米线基有机凝胶粘弹性-多孔弹性响应机理

3.无机亚纳米线基有机凝胶断裂-疲劳破坏机理

无机亚纳米线基有机凝胶的出现证明了通过在亚纳米尺度精确控制无机物团簇自组装可以构筑兼具无机-有机材料特性的凝胶材料。无机亚纳米线基有机凝胶在汽油、正辛烷等有机溶剂的高效吸收、稳定储存、安全运输和精确释放方面具有广阔前景。发展描述无机亚纳米线基有机凝胶在溶剂扩散、力学载荷等激励下力学响应的模型，可以指导该凝胶在储存运输危险溶剂的稳定性评估、在恶劣环境下服役进行优化设计以抵抗破坏，为该凝胶的应用提供理论支撑。

代表性研究成果：

1. Zheng, D.; Lin, S.; Ni, J.; Zhao, X. Fracture and fatigue of entangled and unentangled polymer networks. Extreme Mechanics Letters 2022, 101608.  查看文件