走近机电|一文了解先进材料成形研究所
苏州大学机电工程学院
先进材料成形研究所
01
研究所简介
先进材料成形研究所是苏州大学机电工程学院下设研究机构之一。先进材料成形研究所成立于2015年，现有固定专职科研人员8名，教授2人，副教授5人，实验师1人。针对航空航天、汽车、医疗器械等高技术领域与高端产业对零部件高性能、轻量化、高可靠性与功能高效化的迫切需求，依托学院机械制造及其自动化专业及自设二级交叉博士点（激光制造工程），探索发展零部件形状复杂化、功能化、材料复合化的成形制造新原理新技术，实现零部件从微观组织到宏观结构的可控制造。
在现有基础上，进一步完善团队梯队建设，形成在结构设计、材料调控、可控制造等领域具有自身特色的科研团队，为提高学院整体科研实力和创新能力做出贡献。通过承担国家、省市和横向科研课题，培养高水平的研究型与应用型人才，初步建立人才培养、科学研究和成果转化三位一体良性发展的运行机制。
02
团队成员
学术带头人
陈瑶 教授
先进材料成形研究所所长
苏州大学特聘教授/博士生导师。2003年10月毕业于北京航空航天大学材料加工工程专业，获工学博士学位；2006年3月中国科学院力学研究所博士后流动站出站；2006年4月至2008年6月在美国佛罗里达国际大学机械与材料工程系从事博士后研究工作；2008年8月至2010年8月受日本学术振兴会（JSPS）资助在大阪大学接合科学研究所从事研究工作（JSPS研究员）。
主要从事等离子喷涂、激光材料加工等相关领域的研究工作。作为项目负责人，先后主持、完成国家自然科学基金，装备预研国防基金，江苏省科技支撑（工业）项目、江苏省自然科学基金等20余项。相关研究成果已在ACS Applied Materials & Interfaces、Carbon、Acta Biomaterialia、Acta Materialia、Applied Physics Letters、Scripta Materialia等国内外学术刊物上发表论文120余篇(其中SCI 90篇, Web of Science 检索他引2600余次，h-index 29) ，获授权发明专利11项。获教育部自然科学一等奖，“全国优秀博士论文提名奖”。
团队成员
王永光 教授
超光滑抛光、摩擦学与表/界面工程
邢占文 副教授
副所长，增材制造技术与应用
李文利 副教授
复杂结构设计与增材制造实现
赵栋 副教授
先进陶瓷及其复合材料制备、性能表征与应用
俞泽新 副教授
液相等离子喷涂、微纳功能涂层
齐菲 副教授
先进结构与复合材料、基于智能学习的材料损伤表征方法
刘卫卫 实验师
科研辅助
03
研究方向
1
面向高端应用场景的表面功能涂层设计与制备
特种高温涂层新材料及其制备技术
生物降解骨组织工程支架多尺度性能耦合与形性调控原理与技术
光催化/电催化微纳涂层设计与制备
液相等离子喷涂可控微纳结构涂层
先进吸波涂层设计与制备
2
面向金属、陶瓷材料的增材制造技术与应用
基于增材思维的设计与实现
增材制造关键机构与成套装备
3D打印材料设计与调控
3D打印工艺优化与关键领域应用
3
面向极端制造的高效与精密加工
超光滑抛光
表面/界面工程与技术
机械摩擦磨损与润滑
4
面向高温环境的复合材料结构分析与评价
超高温陶瓷复合材料设计及评价
基于分形理论及智能学习的材料热冲击性能表征方法
电动汽车电池热管理系统
04
科研成果
近年来，研究所围绕先进材料成形与制造开展工作，取得了显著成果。承担纵向科研项目13项、横向项目20余项，累计科研经费1000余万元；在Science Bulletin、ACS Applied Materials & Interfaces、Carbon、Additive Manufacturing、Materials & Design等国内外重要学术期刊发表SCI论文60余篇，其中中科院一区论文30余篇；申请国家发明专利32项，PCT专利3项，其中授权发明专利15项，转让发明专利1项；建立校级协同创新中心2项，获省部级奖励7项，市厅级奖励3项。
01
碳纳米材料增强羟基磷灰石复合材料/涂层强韧化设计
基于碳纳米材料（如碳纳米管、石墨烯）优异的力学、物理性质及羟基磷灰石（HA）优异的生物活性，提出“高强韧性碳纳米材料增强生物活性陶瓷涂层”设计新思想，建立了石墨烯增强复合材料中界面应力传递模型 (图1)，进而阐明了界面发生剥离及石墨烯结构发生破坏的条件 (图2）；揭示了石墨烯/HA复合材料体外生物矿化机制 (图3)。此外，基于Eshelby等效张量模型建立了碳纳米管形状因子及复合材料孔隙率对复合材料涂层弹性模量影响规律模型，并提出了CNT-基体界面脱结合时临界能量释放速率的重要判据。
02
等离子喷涂涂层仿生设计及扁平粒子协同强韧化
等离子喷涂过程中，熔滴在基体表面铺展时常因无法完全填充先沉积层的粗糙表面或与之难以充分润湿，导致涂层内部扁平粒子间未完全结合形成孔隙，使得涂层力学性能（弹性模量、硬度等）、腐蚀及氧化性能较同成分致密块体材料显著下降。基于珍珠母贝壳和等离子喷涂层两者层状结构的高度相似性，提出等离子喷涂“微纳叠层仿生结构”的设计构想，实现涂层“扁平粒子界面及扁平粒子内部协同强韧化”。
03
高Jackson因子小面晶体非平衡凝固液/固界面结构及生长机制
晶体凝固生长形态受控于其液固界面结构与生长机制。发现典型小面晶体TiC（Jackson因子约为5-8）在101-105k/s的凝固冷却速度范围内呈现径向辐射枝晶状、小片链状、发达树枝晶、网络树枝状、小面分叉花瓣状、小面辐射花草状等一系列凝固生长新形态（图1），建立其生长形态随冷却速度演化的物理模型（图2）。尽管冷却速度的变化可改变小面晶体的组织尺度（如晶粒大小、二次枝晶臂间距等）和宏观生长形态，但小平面晶体 “原子尺度光滑的液/固界面结构和侧向生长机制”的基本特征恒定不变。
04
金属/陶瓷增材制造关键技术、成套装备与应用
针对航空航天和生物医疗领域对复杂结构零部件和植入物的重大需求，研制了选区激光熔化金属3D打印和陶瓷立体光刻3D打印系统，研发了强韧、透明、耐温等系列化光敏树脂3D打印材料，构建了以流变特性为设计依据的粘弹膏体陶瓷打印材料，满足复杂结构金属/陶瓷零部件形性一体化制造需求；依托自研装备，开发了钛合金、钽、钨等金属粉末及氧化铝、氧化锆、氮化硅等粘弹膏体的打印工艺，相关产品进入试航认证和临床研究。主要成果获中国商业联合会科技进步一等奖、江苏省科学技术三等奖和机械工业科技进步三等奖。
05
原子级超光滑抛光技术及装备研发
围绕碳化硅、氮化镓晶体和重大机械装备中关键金属零部件的高效材料去除和高质表面加工要求，开展了原子级的电复合超光滑抛光技术研究，研制了电复合超精密抛光装备。针对金属零部件，通过调控机械和化学的协同作用，最高缩短抛光时间近10倍，获得粗糙度为20nm的镜面效果，广泛应用于航空、军工、3C、汽车、纺织、模具、高端装备等加工领域。获得江苏省科学技术奖二等奖、湖南省自然科学奖二等奖、中国商业联合会科学技术奖二等奖。
06
基于极小曲面的复杂多孔结构设计制造与性能评价
基于三周期极小曲面实现了超高孔隙率多级结构的设计，并在标准单元的基础上实现了曲面体填充多孔结构、在多种标准单元基础上实现单元之间的杂化和融合设计。借助立体光刻、激光选区熔化实现了极小曲面多孔结构的增材制造，通过仿真与试验建立了多孔结构与加载过程应力传递行为的关联性。
07
三维多孔吸波材料
针对雷达隐身的现实需求，探索了多种碳材料吸波材料制备技术，结合超材料频率选择表面，重点研究集材料设计和性能控制于一体的高温吸波涂层制备及性能研究，改善了低维碳材料高温抗氧化性方法，揭示了低维碳材料的微观结构与高温复介电常数的内在联系，获得了高温吸波涂层复介电常数调控方法，实现吸波材料体系创新，为先进高温吸波涂层制备技术提供理论基础和技术支撑。
08
用于能源和环境方向的光/电催化涂层
基于我国绿色发展的重要需求，围绕用于污染降解、电力存储、氢能制备所需功能涂层开展研究，以液料等离子喷涂（SPPS）为特色制备技术，首次实现了基于SPPS技术制备良好纳米结构，建立了微纳结构的沉积机制，研究了沉积条件-涂层特性-涂层性能的内在联系，制备了多种用于能源和环境方向的光催化、电催化涂层。
09
面向高温环境的复合材料结构分析与评价
制备了面向极端高温服役环境的硼化锆基超高温陶瓷复合材料，对其微观结构、热冲击损伤与断裂、微纳米力学性能等进行了系统研究。融合分形理论及智能学习算法，提出了高温结构陶瓷热冲击损伤表征方法。对电动汽车锂电池组的热特性进行计算和仿真，设计优化热管理系统，降低热失控触发风险。
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编辑排版：薛旭宁