CB仿生轻质高强纳米复合结构材料的可控制备与性能分析研究Word格式.docx

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利用北京航空航天大学的力学测试平台对材料的模量、强度、应力-拉伸曲线等常规工程进行测试。

在搭建的倒置光学／共聚焦拉曼／扫描探针显微镜系统中加装一个微拉伸装置，在不同应力或应变条件下原位、实时观察复合材料体系的微纳结构和界面结构，以便研究自然和人工复合材料对外界载荷的反应，解决复合材料设计与构筑中的一些基本科学问题。

利用扫描探针技术中的纳M拉伸方法研究界面的相互作用，并通过理论计算和模拟验证实验结果。

（5）纳M结构材料的宏量制备与应用

受自然启发，特别是以自然界材料的多级组装和纳M科学为牵引，可以显著降低由组装过程中的随机性造成的组装体的空间尺寸和形貌的不均一，有利于纳M复合结构材料的宏量制备。

同时，以应用需要为导向来设计材料，根据飞行器不同部位（机翼、机身、发动机等）对纳M组装材料性能的要求（材质轻、强度高、耐高低温、耐老化或耐腐蚀等），设计相应的组装路线。

通过受自然界多级次、多尺度的组装原理启发→设计材料→组装得到新型功能结构材料（包括材料的可控制备）→应用实践检验材料→修改完善设计这样一个螺旋上升的过程，提升我们设计和制造具有先进性能的结构材料和具有光、电、热和磁等多种性能的功能材料的能力，实现结构和功能的统一，局部与整体的协调与统一，同时探索该材料在航空航天、民用等领域的应用。

上述研究内容覆盖了新型纳M复合结构材料可控制备过程中四个层次：

自然界生物体微观结构与性能的揭示，目标分子与纳M结构单元的设计合成，初级纳M结构的空间受控组装和多级纳M结构的动态可控组装，以及纳M结构的集成和应用，可望为仿生轻质高强纳M复合结构材料体系的设计、可控制备和应用奠定坚实基础。

二、预期目标

总体目标：

获得一批国际水平的创新性研究成果，使我国在仿生轻质高强纳M复合结构材料研究和应用总体水平进入国际先进行列，争取做出若干原创性的工作，在国际上占有一席之地。

预计经过5年的研究，发展若干种具有重要应用价值的高性能纳M复合材料的组装结构的可控制备方法和组装技术，认识高性能纳M结构可控制备及组装的基本原理和规律性，为发展基于新型纳M复合材料及组装结构的应用研究提供物质基础，为航空航天与国防用纳M复合结构材料和技术领域的可持续发展及其成果转化提供新知识、新技术和新材料。

五年中预期达到的具体目标：

在知识创新方面：

发现新概念、新原理、建立新理论。

主要在揭示生物体结构与其特殊性能之间的内在本质、仿生轻质高强纳M复合结构材料的可控制备、测试表征技术的改进与提升等方面取得重要进展，做出在国际上有重要影响的工作。

5年发表200-220篇SCI收录的论文，其中二区以上的论文多于50％，其中影响因子在5以上的不少于30篇，3以上的80篇，出版1－2本以上专著，申请专利20-25项。

为建立仿生轻质高强纳M复合结构材料体系框架奠定基础。

通过本工程的执行，培养和造就一批高层次的、交叉复合型研究人才，形成若干个在相关领域中有研究特色和国际影响的研究团队。

在方法创新方面：

模仿具有特殊性能生物体的结构，制备具有轻质、高强等特性的新型人工材料，从认识自然到模仿自然进而在特定功能侧面超越自然。

在技术创新方面：

仿生多尺度微观结构制备技术；

目标分子及纳M结构单元的组装技术、复合技术；

纳M复合材料的可控制备技术。

在材料创新方面：

制备出对国民经济有重要影响的、具有自主知识产权的35种新材料，申请20-25项发明专利；

发展用于航空航天与国防等领域的轻质、高强纳M复合结构材料。

利用结构及功能协同的纳M复合材料取得的研究成果，对传统材料进行改性，为传统产业的改造和升级换代提供理论和技术基础。

在优秀人才培养方面：

培养一批高层次的研究人才，包括2-3名具有国际影响力的科学家，若干名国家杰出青年基金获得者和长江学者；

造就一批高层次的年轻学术带头人，建立一支在国内外有影响的纳M科技研究团队，形成几个在国内外有重要影响的高性能纳M复合结构材料研究基地。

三、研究方案

本工程依据国内外纳M结构材料研究的发展趋势，紧紧围绕新型纳M复合结构材料在基础研究和未来应用中所面临的几个关键问题开展研究工作。

在本工程中，我们将发挥化学、物理、材料、力学和生物的多种学科交叉的优势，从战略性、前瞻性、基础性的重大共性问题出发，针对我国未来发展具有重大影响的几类受自然启发的面向航空航天与国防应用的纳M复合结构材料设计、组装和集成、制备与应用中的关键科学问题进行研究，对多尺度、多级次纳M复合结构材料的设计，可控制备与应用及其多层次功能的开发这一重大问题重点突破，发展纳M加工新技术和新理念。

总体研究思路见图1所示。

主要研究内容包括：

揭示自然界中具有特殊结构性能体系（蜘蛛丝、飞鸟骨骼、贝壳等）多尺度微观结构与性能的关系；

提供功能纳M复合材料可控制备的设计原理与依据；

探索具有结构及功能协同的纳M复合结构材料的制备新方法；

开发仿生轻质高强纳M复合结构材料体系；

探索新型纳M复合结构材料体系测试与表征的新技术和新方法；

解决纳M复合结构材料的稳定化及实用化等关键科学问题。

以期取得一批具有中国特色和优势、在国际上有竞争力和重大应用价值的重要成果，为我国经济社会的可持续发展做出有显示度的重要贡献。

总体研究方案如下：

（1）揭示自然界中具有特殊结构性能体系（蜘蛛丝、飞鸟骨骼、贝壳等）多尺度微观结构与性能的关系

从仿生角度出发，结合已有研究基础，从分子、纳M、微M尺度体系深入研究自然界中具有特异性能的材料物理化学结构特征，特别是对其功能起关键作用的表、界面结构与特性的内在联系进行研究，进而揭示自然材料的多尺度微观结构与结构性能之间的本质关系，有助于发现和提出新概念、新原理、建立新理论，为仿生轻质高强纳M复合结构材料的共性制备提供指导和理论依据。

i.

（2）单分散各向异性纳M结构单元的设计与制备

借鉴分子合成，高分子活性聚合以及生物分子缩聚的概念来指导纳M结构的制备；

通过纳M结构单元的组成、形貌、表面修饰，不对称粒子外场作用等手段在纳M结构单元上构建纳M尺度的空间各向异性，为目标分子、纳M结构单元的多级次可控组装奠定基础。

ii.（3）纳M结构材料的多尺度、多级次功能组装

借鉴自然界中多尺度、多级次组装的概念，在空间精确地控制纳M结构单元的组分序列和空间构型，制备具有空间构型稳定但可调的初级结构；

协调纳M结构间的各种相互作用力，构建一个组装-解离的可控平衡，实现纳M结构的动态组装。

同时，深刻认识纳M结构间的各种不同层次的相互作用规律，实现纳M结构组装成多级化和程序化组装，制备多级多层次有序的功能纳M结构组装体系，如：

轻质高强复合结构块体材料、高强超韧纤维编织材料、高强耐腐层状功能材料、具有可逆黏附作用的“壁虎胶水”、环境障涂层、热障涂层、吸波材料、自修复材料等。

（4）探索新型纳M复合结构材料体系测试与表征的新技术和新方法

发展复合材料表征的新技术。

在对新型复合材料中多尺度形貌结构和化学成分表征的基础上,研究复合材料在宏观和微观尺度上的力学性能、屈服及失效机制和断裂结构的表征、不同结构单元之间复合界面的共价与非共价相互作用以及力学性能以外其它功能的表征测定。

将充分运用现有仪器设备，强调常规设备的改装、组合联用、及创新使用方法，并在应用过程中发展新的表征技术和方法。

iii.（5）纳M结构的宏量制备和应用

纳M结构的多尺度、多级次有序组装可以减小因组装过程的随机性造成的组装体的多分散性，从而使功能纳M复合结构材料的宏量制备成为了可能。

这是纳M复合结构材料应用的前提。

实现“源于自然，超越自然”的材料发展思想。

其关键问题是实现材料结构和性能的可控性和稳定性。

将通过多尺度组装得到的纳M复合结构材料用于航空航天、国防、民用等领域，以应用中的表现来完善材料的设计和组装。

与目前国内外的相关的研究相比，本工程强调从具有重大应用前景的面向航空航天与国防的重要功能纳M复合结构材料中选择其关键基础问题有重点地进行深入系统研究，实现基础研究与国家发展目标的紧密衔接，体现我国“有所为，有所不为”的科技发展观，争创原创性的基础科研成果。

尽管国内外关于纳M技术的研究已取得了长足的进步，但是将仿生技术运用到航空航天与国防用轻质高强纳M复合结构材料的可控制备方面的研究却处于起步阶段，基于此，本工程以仿生理念和纳M技术为灵魂，指导仿生轻质高强纳M复合结构材料体系的可控制备，将认识自然、模仿自然、在某一侧面超越自然有机结合，实现结构和性能的统一，局部和整体的统一，为航空航天、国防等领域在功能材料方面的战略需求提供核心技术储备。

通过本工程的实施，拟在以下四方面取得重大突破：

（1）自然材料的多尺度微观结构与结构性能之间本质关系的揭示；

（2）多尺度、多级次功能纳M结构组装及构筑原理；

（3）仿生轻质高强纳M复合结构材料的制备规律；

（3）测试与表征技术的改进与提升；

（4）航空航天用仿生轻质高强纳M复合结构材料的核心技术储备等。

本工程研究团队长期从事与纳M材料制备与结构设计、组装、功能化、半导体光电器件等方面的基础研究，在纳M结构材料的可控制备与功能化、复杂无机结构功能材料的构筑和组装、功能分子结构设计、纳M复合结构材料制备和性能、纳M结构表征等方面已经取得了一系列重要进展和优秀成果，在纳M材料可控生长、聚合物控制矿化、特殊复杂纳M材料的构筑、新型半导体结构设计、无机-有机纳M复合纳M结构设计与制备、微纳M复合结构材料在航空航天、国防领域的应用等某些方面处于国际先进水平，已经做出了一些在国际上有影响的研究工作，一些研究方向甚至在国际上处于领先地位。

基于上述研究思路和方案，本工程将不仅在纳M复合结构材料的多尺度、多级次组装的基础研究领域取得在国际上具有重要影响的成果，开发具有重大应用价值的高性能纳M复合结构材料，并且将培养出一批具有国际影响力的科学人才，形成独具特色的研究群体，为我国纳M科技的发展做出贡献。

图1.本项申请的技术路线图.

课题设置

本工程从受自然界启发多尺度、多级次的组装原理出发，结合已有研究基础，系统深入研究自然界中某些特殊结构性能体系（蜘蛛丝、飞鸟骨骼、贝壳等），揭示自然材料的多尺度微观结构与结构性能之间的本质关系，构筑从分子到纳M、微M尺度仿生纳M复合结构材料体系，如块体材料（仿骨骼），层状材料（仿贝壳）、纤维材料（仿蜘蛛丝）。

这些材料可以作为块材、薄膜材料、纤维材料单独使用，也可相互组合形成多种轻质高强的复合材料体系，根据应用需要也可与其它功能复合，实现结构-功能一体化的高性能复合材料体系。

围绕研究目标，本工程设置以下5个课题：

01课题：

仿生纳M复合结构材料的设计原理

重点研究内容：

从分子、纳M、微M尺度体系深入研究自然界中具有特殊结构性能体系（蜘蛛丝、生物体骨骼、贝壳、肌肉等），特别是对其功能起关键作用的表、界面结构与特性的内在联系进行研究，进而揭示自然材料的多尺度微观结构与结构性能之间的本质关系，有助于发现和提出新概念、新原理、建立新理论。

深入研究纳M复合结构材料界面与界面的匹配与协同，为轻质高强纳M复合结构材料的共性制备提供指导和理论依据。

目标：

通过对自然界中具有特殊结构性能体系的研究，揭示微观结构与性能的关系，为功能纳M复合材料的可控制备提供设计原理与依据，为课题2，课题3，课题4和课题5提供基础。

承担单位：

北京航空航天大学，中国科学院化学研究所

负责人：

郭林

经费比例：

18.8%

02课题：

新型高性能纳M复合结构材料的设计合成与可控制备

各向异性的纳M结构单元间的相互作用力是控制它们空间组装的前提，也是实现程序化组装的基础。

将系统地研究通过纳M结构单元的尺寸、形貌和表面化学功能的调控，利用功能分子对特定各向异性纳M结构单元的裸露晶体晶面的选择性吸附作用等进行选区修饰，以及不对称粒子等手段引入空间各项异性等手段和方法，可控地赋予纳M结构在不同空间区域的各向异性。

发展制备和表征单分散各向异性纳M结构单元的关键技术。

依据自然界中特殊微观结构与性能的关系，设计合成目标分子及纳M结构单元，获得多种具有特定理化性质的组装单元，调控作用于纳M结构单元的各种组装驱动力，实现纳M结构单元的多级程序化组装，制备出具有轻质、高强等特性的面向航空航天、国防的纳M复合结构材料。

与课题1，课题3形成互补，为课题4和课题5提供研究对象。

中国科学技术大学，中国科学院苏州纳M技术与纳M仿生研究所

俞书宏

24.8%

03课题：

新型碳纳M纤维的制备及其复合材料的结构设计、界面和性能

以发展轻型、耐高温、高强和韧性复合材料为背景，研究新型碳纳M纤维的合成和纺丝的基本原理方法和技术；

碳纳M纤维的表面处理、功能化、编织和排布的物理化学问题、结构设计和性能；

弥散/定向/原位复合材料的结构设计和制备原理和技术；

复合材料的表面/界面和增强/增韧/功能化的纳M结构和性能的实验规律、作用机理及其最优结构设计。

发展新型高性能碳纤维的连续、定向制备方法及其增韧陶瓷、增强金属和多功能化树脂基复合材料的多层次结构设计、材料性能、韧化/强化/多功能化等方法，提高陶瓷基、金属基和树脂基复合材料的韧性、强度和抗冲击性和实现材料的多功能化。

制备出具有轻质、高强等特性的面向航空航天、国防的纳M复合结构材料。

与课题1，2形成互补，为课题4和课题5提供研究对象。

天津大学

李亚利

18.8%

04课题：

纳M复合结构材料体系的结构与性能表征

在外加载荷的同时结合高分辨电子显微镜、共聚焦拉曼显微镜和扫描探针显微镜等多种手段对复合材料体系的多尺度结构进行原位、实时、和动态的研究。

深入揭示原子尺度的表面化学结构，纳M尺度的界面相互作用、以及微M以上尺度的复合聚集态结构对材料力学性能和其它功能的决定性作用。

将充分运用现有仪器设备，强调常规设备的改装、组合联用、及创新使用方法，并在必要的时候开发新设备。

探索从微观和宏观两个方面研究自然材料和人工材料的结构与性能关系的新技术和新设备，实现对新型纳M复合结构材料中多尺度形貌结构和化学成分、复合材料在宏观和微观尺度上的力学性能、屈服及失效机制，和断裂结构的表征；

不同结构单元之间复合界面的共价与非共价相互作用；

以及力学性能以外其它功能的表征测定。

本课题的研究将充分运用现有仪器设备，强调常规设备的改装、组合联用、及创新使用方法，并在必要的时候开发新设备。

以课题1、课题2，课题3和课题5提供的材料为研究对象，探索从微观和宏观两个方面研究自然材料和人工材料的结构与性能关系的新技术和新设备，为课题1、课题2、课题3和课题5提供技术支持。

中国科学院苏州纳M技术与纳M仿生研究所，中国科学技术大学

陈立桅

05课题：

纳M复合结构功能材料在航空航天与国防等领域的应用探索

探索目标分子、纳M结构单元的宏量制备方法，研究组装体材料的宏量制备方法，探索将多尺度、多层次组装技术与传统微纳加工技术的结合方法，围绕国家在航空航天与国防等领域的重大需求，将研发的轻质、高强纳M复合结构材料在相关领域进行探索性应用。

基于课题1、课题2、课题3的研究，发展仿生多级次有序组装纳M复合结构材料宏量制备的新方法。

向课题1，课题2和课题3反馈组装单元及组装体的设计需求。

中国科学院化学研究所，北京航空航天大学

赵彤

为了推动工程的顺利实施，我们全盘考虑了工程的实施方案，把主要研究内容划分为4个层面，组织5个课题进行分工合作研究。

这4个层面是:

1）自然界中某些生物体微观结构与性能关系的揭示；

2）结构单元的设计与多级纳M结构的调控组装；

3）纳M复合结构材料体系测试与表征新技术和新方法的研发；

4）多尺度、多级次纳M复合结构材料的宏量制备和应用。

本工程具有双重研究目的：

一、从基础研究角度，发展材料设计和制备新概念，探索调控材料性能的新规律；

二、从实际应用角度，开发纳M结构组装材料的重大应用价值。

课题设置以仿生和纳M科学为牵引，以纳M结构单元间的相互作用为轴心，将纳M结构材料多级次组装的4个层面贯穿在一起。

结合研究的两个主要目的，我们组织5个课题进行分工协作研究。

首席科学家在部署每一个子课题承担科研任务的同时，也明确了他们在整个工程中的地位和作用，以及其与它课题的联系。

5个课题既含有相对独立的研究内容，又互为依托，相互反馈，对纳M结构材料的功能组装的4个层面进行层层深入研究。

本工程第一层面课题为第二层面课题提供理论指导并为二、三层面上工作的展开奠定了基础；

第二层面是在第一层面的基础上为第三层面提供研究对象，第三层面为第一、二层面上工作的深入提供了保障；

第四层面密切结合了第二、三层面的工作，同时为第二层面的工作提供了有效的反馈。

5个子课题是按照从基础到应用，从局部到整体，循序渐进，不断深入来部署。

这样的课题设置能够确保各个课题组充分发挥团队精神、共同协作、多学科、多角度、多层次研究纳M复合结构材料可控制备、自组装原理和功能应用等基本科学问题和应用开发，确保完成本工程总体预期研究目标。

本工程由国内从事纳M结构组装研究基础较好的5个单位组成，形成了一支优势互补的团队。

研究方案和内容是在五个单位的细致和深入的协商和讨论的基础上形成，经过一年多的科研讨论和学术互访，五个单位对本工程的有着统一深入的认知，对工程的课题分工有着清晰的共识。

四、年度计划

年度

研究内容

预期目标

第一年度

2010年1月-2010年12月

通过对自然界中具有特殊结构性能体系（蜘蛛丝、飞鸟骨骼、贝壳等）的研究，揭示微观结构与性能的关系；

设计和制备目标分子、纳M结构单元，重点在纳M结构的组成、尺寸、形貌，和表面功能化；

研究纳M结构单元的界面组装；

系统研究纳M尺度内各种相互作用力对组装的过程影响；

受限空间内和模板诱导纳M结构单元的各向异性的组装。

初步研制3-5种纳M结构单元的组装和宏量制备的方法。

获得有关自然界中具有特殊结构性能体系（蜘蛛丝、飞鸟骨骼、贝壳等）的微观结构与性能的关系的有关规律，为新型纳M复合材料的可控制备提供设计原理与依据；

发展设计和制备目标分子、纳M结构单元构筑与组装的新方法；

探索3-5种轻质仿生复合材料的结构设计与制备方法。

初步建立和完善有关仿生复合材料性能表征的实验平台。

发表SCI论文30篇以上，申请国家发明专利5项以上。

第二年度

2011年1月-2011年12月

研究在纳M结构构单元上构筑空间各向异性和探索选区修饰对纳M结构稳定性的影响；

利用各向异性的纳M结构单元模拟两亲分子的自组装机理；

利用生物大分子或合成高分子诱导微粒自组装；

通过纳M结构单元多级组装构筑新型复合结构材料。

开展纳M复合结构材料表征方法的研究，在全面开展各项研究工作的基础上，选择性能最佳的试样研究新现象和产生的机理。

获得具有不同形态和结构的纳M结构单元的表面修饰和组装规律；

实现通过纳M结构单元多级组装构筑3-5种新型纳M复合结构材料；

发展适合新型纳M复合结构材料力学性能等表征的技术和方法。

对具有优越性能和有应用前景的复合结构材料进行工艺优化和技术储备研究。

发表SCI论文40篇以上，申请国家发明专利5项以上。

第三年度

2012年1月-2012年12月

利用空间各向异性诱导纳M结构空间受控组装，研究纳M结构单元初级组装结构的空间构型与其协同效应的关系；

利用界面诱导纳M结构单元的组装，并调控其空间取向；

开展纳M复合结构材料及块体材料稳定性的研究；

选择典型的纳M等级复合材料及块体材料体系进行力学性能测试；

总结对纳M复合结构材料应用有实际指导意义的规律，推动多尺度纳M复合结构材料的共性制备与实际应用。

获得纳M结构单元初级组装结构组装规律及其功能化组装体；

筛选具有典型的纳M等级复合材料及块体材料体系进行力学性能测试；

总结对纳M复合结构材料应用具有实际指导意义的规律，推动多尺度纳M复合结构材料的共性制备与实际应用。

发表SCI论文50篇以上，申请国家发明专利5项以上。

第四年度

2013年1月-2013年12月

研究纳M结构初级组装体的界面行为，利用界面实现动态组装；

利用外场间接调制界面模板结构或直接调制纳M结构间的组分的空间构型，实现对纳M结构组装过程的调控；

探索新型纳M复合结构材料体系测试与表征的新技术和新方法。

在全面开展结构及功能协同的纳M复合材料体系实验和理论研究的基础上，进一步研究多尺度纳M复合结构材料在航空航天等领域的应用。

获得利用界面和外场实现

对纳M结构单元组装结构的调控原理与规律，通过对几种具有典型的纳M等级复合材料及块体材料体系的力学性能测试，反馈和指导材料的制备工艺过程，筛选出具有结构及功能协同的高性能纳M复合材料体系，力争在可用于航空航天等领域的轻质高强纳M复合材料的研制方面有新突破。

第五年度

2014年1月-2015年8月

在系统地总结和归纳前四年的工作基础上，对纳M复合结构材料的多尺度、多级次功能化组装的关键问题攻关。

对不同的纳M结构（一维、二维、三维）进行系统集成、组合与复合；

宏量制备出3-5种轻质高强纳M复合结构材料；

在制备工艺、特性研究、基本物理效应对特性的控制及与应用需求之间的关系等有所突破。

为设计和建造新的技术设备提供新原理、新方法和新途径。

全面总结有关仿生轻质高强纳M复合结构材料的组装、制备规律，建立结构-功能一体化的高性能复合材料体系。

筛选和优化具有优越性能的轻质高强纳M复合结构材料体系，宏量制备几种具有重要应用价值的面向航空航天的轻质高强纳M复合结构材料，做出若干具有显示度的重大成果。

全面实现本工程的研究预期目标。

发表SCI论文40篇以上，申请国家发明专利6项以上。