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1、中国科学技术大学中国科学技术大学“211“211工程工程”现代工程材料现代工程材料(cilio)(cilio)的力学行的力学行为和材料为和材料(cilio)(cilio)设计子项目设计子项目“九五九五”期间期间建设总结报告建设总结报告第一页，共71页。项目名称：“现代工程材料的力学行为和材料设计”项目编号：106执行单位：中国科学技术大学力学和机械工程系项目负责人：伍小平 院士(yunsh)执行时间：1997-2000第二页，共71页。一、建设任务及完成情况(qngkung)简述第三页，共71页。1.1 主要建设任务.建设并完善材料力学行为和材料设计开放研究实验室。.建设材料强度与材料设计专业
2、人才培养基地。.开展材料基本力学行为、材料设计和特种材料应用等领域的基础研究和应用研究。.培养和造就一支年龄(ninlng)结构合理、兼备力学和材料科学知识的高水平学术队伍。第四页，共71页。1.2 任务完成情况 经4年来的努力，已较圆满(yunmn)地完成了原定的4项建设任务。简述如下：第五页，共71页。（1）“材料力学行为和材料设计”开放研究实验室已成为校级开放实验室，正在申请中科院院级开放实验室，整个实验室已具有相当规模并已正式开放运行。下属六个实验室：材料的基本力学实验室；细观力学实验室；材料动力学实验室；材料设计和CAD实验室；特种材料实验室；材料制备实验室；已全面建成。实验室建筑面
3、积：1000余 m2拥有大型设备、仪器设备总值1160 万元年科研经费：207.67 万元实验设备和测试仪器在“211”工程的支持下，上了一个台阶，形成系列化、规模化和现代化，具备了从低温至高温，低应变率至高应变率，细观至宏观(hnggun)的综合研究实力，在国内高校中独树一帜，并具有鲜明的特色。第六页，共71页。实验室已成立(chngl)了第一届学术委员会第七页，共71页。开放实验室等一批基金课题(9项)已开始进行，涉及上海同济大学、合肥工业大学、合肥炮兵学院、我校19系、9系和5系等单位，具有很好的开放度，内容涉及：特种电磁流变液材料的研制，细观力学(l xu)行为的测量，分子动力学(l
4、xu)模拟，材料冲击损伤机理等。第八页，共71页。（2）本科“材料强度与材料设计”专业方向已于1997年设置,至2000年已有4届本科生就读该专业方向,总人数达95人，已有2届毕业生，约35人，成为既懂力学又有物理和材料科学知识的新型学科交叉的毕业生。经过几年的摸索，完善了该专业方向的课程(kchng)设置，初步形成了“材料强度与材料设计”专业人才的培养基地。第九页，共71页。（3）在材料的基本力学行为、材料设计和特种材料应用等领域已进行了大量的基础和应用研究。如：电磁流变液特种材料的研究已走在国内前列(qinli)，特种材料“KDC-1号”在主要性能上已达到美国LORD公司的性能，与生产部门
5、已有接触，为实际应用创造了条件。其他进展见第四部分。第十页，共71页。（4）在队伍建设方面，已形成一支年龄大体合理的高层次高水平学术队伍，50岁以上20人，40-50岁 3人，40岁以下18人（占44%），具有(jyu)博士学位18 人（占44%），引进海外杰出人才4人，高访2人。第十一页，共71页。二、具体(jt)指标及实现情况第十二页，共71页。原计划一：材料力学行为和材料设计开放实验室，争取(zhngq)97年通过专家论证。提供有特色的材料力学行为宏细观实验手段，提供某些材料的特殊基础实验数据，提供材料设计和力学行为研究的计算机硬件和软件。第十三页，共71页。高低温宏细观力学行为的近距和
6、远距高精度测试系统 已建立MTS高低温、近远距显微(xin wi)测试系统，低温 77K，高温560 0C，配有显微(xin wi)望远镜和CCD系统，可对试样进行实时高低温条件下变形过程的细观观察与记录。第十四页，共71页。显微(xin wi)望远镜和CCD系统第十五页，共71页。同步辐射(fsh)材料力学实验站：检测材料内部缺陷及缺陷演化过程的测试系统 在科大同步辐射(fsh)加速器上已建立该装置，利用其X光对不透明试样内部损伤发展进行原位测量。该装置为可拆卸式，已在北京高能所电子对撞机上成功地进行测试。第十六页，共71页。装置(zhungzh)照片第十七页，共71页。冲击拉伸、冲击扭转和
7、轻气炮等系列的材料动态力学行为测试系统 改进旋转式冲击拉伸设备(shbi)，改进了冲击压缩和扭转Hopkinson杆及测试设备(shbi)，改进了压剪复合加载轻气炮及电磁测试系统，并新建了中应变率机，这样动态实验设备(shbi)实现了应变率100-106/s的全面连续覆盖。加载方式有拉、扭、压、剪及复合加载，结合MTS试验机，应变率覆盖范围从10-5-105/s，成为高校中覆盖范围最全，实验及测试手段最强和最先进的实验室。第十八页，共71页。Hopkinson杆及测试设备覆盖(fgi)应变率范围从每秒10的正2次方至10的正3次方，第十九页，共71页。旋转式冲击拉伸装置杆及测试(csh)设备覆
8、盖应变率范围从每秒10的正2次方至10的正3次方，第二十页，共71页。中应变率机覆盖(fgi)应变率范围从每秒10的负1次方至10的正1次方，第二十一页，共71页。压剪复合加载轻气(qn q)炮覆盖应变率范围从每秒10的正4次方至10的正6次方。第二十二页，共71页。复合材料和电磁流变材料等智能材料的制备(zhbi)基地 已建成电磁流变实验室和陶瓷复合材料制备(zhbi)实验室。特殊磁流变材料“KDC-1号”已达国际水平，并有重要应用价值。第二十三页，共71页。真空(zhnkng)碳管炉第二十四页，共71页。中温管式炉第二十五页，共71页。电磁流变实验(shyn)装置第二十六页，共71页。计算
9、机辅助材料设计和力学行为研究(ynji)的网络和软件硬件：工作站 SUN 等软件：大型软件，ABAQUS等，为计算机辅助材料设计和力学行为研究(ynji)提供了保证。第二十七页，共71页。原计划二：材料强度与材料设计专业，建立完整的教学体系，包括课程建设和教学实验室建设。1997年开始招收学生，每年15人左右。至2000年，培养出三届既懂力学(l xu)又懂材料物理化学的本科毕业生。第二十八页，共71页。已完成：1997年第一届材料强度方向开始招收学生（15人），每年占全年级1/3强，至今已有4届学生，约95人，2000年已有2届毕业生（35人），绝大部分考取国内外研究生。由于(yuy)学生具
10、有材料和力学交叉学科知识，很受欢迎。经三年努力，已建立完整的教育体系。第二十九页，共71页。原计划(jhu)三：承担国家自然科学基金重点研究项目，中科院重大项目，高技术项目和其他重要研究项目。培养出50名硕士和20名博士。年均研究经费达40万。第三十页，共71页。已完成：承担科研情况：国家(guji)自然科学基金：22项；国家(guji)高技术基金：10项中科院重大项目：1项；百人计划：2项基金委重点：2项；其他基金：16项横向课题：33项；年均研究经费 207.67 万，大大超出40万/年的原定指标。培养研究生情况为：硕士 博士已答辩：53 名 30 名超出原定指标。第三十一页，共71页。原
11、计划四：培养和造就一支老中青结合、结构合理的高水平学术队伍。其中年轻博士将占大多数，兼备力学和材料科学知识。在发展材料宏细观力学模型、探索材料多层次设计的理论基础、发展先进工程材料的评估理论与技术和材料开发与工程应用中的关键力学问题及技术难点等方面，产生一批重大或重要(zhngyo)成果。第三十二页，共71页。培养和造就(zoji)一支老中青结合、结构合理的高水平学术队伍。引进海外杰出人才4人，高访2人。50岁以上(yshng)(20人)40-50岁(3人）40岁以下(yxi)(18人)年龄分布情况第三十三页，共71页。1996年和2000年具有博士学位占总人员(rnyun)的比例具有(jyu
12、)博士学位的人员具有(jyu)博士学位的人员不具有博士学位的人员不具有博士学位的人员2000年具有博士学位占总人员比例1996年具有博士学位占总人员比例第三十四页，共71页。科研成果和获奖情况 在电磁流变液材料的研究，材料细观力学行为(xngwi)及本构理论等方面研究取得了一批重要成果，获国家自然科学三等奖一项，省部级科技进步奖二项。研制成功高安全起爆系统，并已获得国防发明专利。第三十五页，共71页。三、建设经费到位(do wi)及使用情况第三十六页，共71页。3.1 计划(jhu)建设经费和建设经费到位情况第三十七页，共71页。3.2 资金使用(shyng)情况为：第三十八页，共71页。本项
13、目已花费资金，其中,五万元以上(yshng)的较大型设备共有14件：第三十九页，共71页。按年购入五万元以上的设备情况：二十万美圆以上的大型设备没有。严格安照原计划(jhu)任务书圆满高效地完成了项目建设经费指标和任务。第四十页，共71页。四、建设(jinsh)成果效益及标志性成果第四十一页，共71页。4.1 建设成果(chnggu)效益第四十二页，共71页。“211工程”本子项目投入金费：468万元。通过“211工程”建设产生的效益：（1）引来的经费合计(hj)1638万元，其中：理科人才基地：200万元 海外杰出人才4人：800万元 科研经费：638 万元积效比：3.5倍（2）建成材料力学
14、行为和材料设计”开放实验室，科研设备仪器等96年 560 万元，2000年 1160 万元，净增600万元。第四十三页，共71页。（3）人才培养方面，培养了(已答辩）硕士53人，博士(bsh)30 人，博士(bsh)后6人，材料强度与材料设计专业毕业生35人（本科）。第四十四页，共71页。（4）承担国家自然科学基金重点研究项目,中科院重大项目，高技术项目和其他重要(zhngyo)研究项目的情况。（1996年以来）国家自然科学基金重点项目中科院重大项目高技术项目(xingm)面上(min shn)项目其他重要项目第四十五页，共71页。（5）历年科研项目与经费(jngfi)情况第四十六页，共71页
15、。（6）发表论文情况 仅1998-2000三年间，本实验室共在国内外主要学术刊物(knw)上发表学术论文347篇，其中国外163篇，国内重要刊物(knw)184篇，被SCI,EI,ISTP收录99篇次，出版专著三本。第四十七页，共71页。4.2 标志性成果(chnggu)共七项第四十八页，共71页。标志性成果(chnggu)一：力学一级学科博士学位授予权 211项目“材料的力学行为和材料设计”属于固体力学博士点.通过211工程建设,在1997年获得力学一级学科博士学位授予权,使整个力学学科增加了两个博士点，有了很大的发展：学术队伍的年龄结构更加合理：其中具有博士学位的教师比例,由22%增加为4
16、0%,；博士导师由13人增加为25人,平均年龄由1995年时的55岁降为目前的52岁；有两名教授当选中国科学院院士；由“引进国外杰出人才”渠道,引进4名年轻教授,成为中国科学院“百人计划”入选者.第四十九页，共71页。整体学术水平(shupng),在国内同一学科中,处于先进行列：有活跃的学术交流活动,近5年内主持了3次全国学术会议；承担了国家自然科学基金项目50项（其中重大项目1项,重点项目4项）,863项目和其他重要项目(如中科院“九五”基础研究重大和重点项目，知识创新工程项目,国防工程项目,参与国家经济建设项目等)近百项。经费较充足,所获得的研究经费逐年递增。并获得了国家自然科学3等奖1项
17、，中国科学院科技进步1等奖1项，3等奖2项等多项重要成果.第五十页，共71页。本科生和研究生培养,水平和规模都有较大的发展：作为理科力学人才培养基地,招生人数扩大了3倍；培养出的硕士生和博士生,由前5年的总数79人和23人,增加为近5年的133人和77人；在学研究生有了较大的规模；创建了“材料的力学行为和材料设计”新的培养方向,以适应学科发展新的需要.研究生在学期间,发表论文的数量和质量,都有很大的提高.有多种形式的学术活动,重视创新方向,促进学科交叉,在培养高素质研究生方面,取得(qd)了明显的成效。第五十一页，共71页。由于211工程建设,以及人才培养基地建设和中国科学院的重大装备投资,已
18、拥有较完备的教学和研究的实验室和实验仪器设备,总资产翻了1番以上，达到1150万，并在继续扩大建设,“工程科学实验中心”正在建设之中。为研究生的图书资料,除校图书馆有大的发展外,系图书馆由原40平米扩大为120平米,并有好的网络系统,可在国际国内查询(chxn)。整个办学条件有了明显的提高。通过211工程建设,力学系以新的面貌参与21世纪的竞争,既抓住新的方向开展基础研究的探索,又积极参与国民经济建设的多方面的应用研究,同时培养出适合新形势的高素质的人才。第五十二页，共71页。标志性成果二：材料强度与材料设计专业人才培养基地 遵照钱学森院士的建议和倡导，并结合211工程建设，我系于1997年设
19、置本科“材料强度与材料设计”专业方向。经过4年的建设，从无到有建立了完整的教学体系，包括课程建设和教学实验室建设。该方向已有4届本科生（约95人），2届已毕业（约35人），为国家培养出一批既懂力学(l xu)又懂材料科学的本科毕业生。由于学生具有材料和力学(l xu)交叉学科知识，很受用人部门欢迎。经过几年的摸索，完善了该专业方向的课程设置，初步形成了我国“材料强度与材料设计”专业人才的培养基地。第五十三页，共71页。标志性成果三：“材料力学(ci lio l xu)行为和材料设计”开放研究实验室 已建成“材料力学(ci lio l xu)行为和材料设计”开放研究实验室并已正式开放运行。该实验
20、室现为校级开放实验室，正在申请中科院院级开放实验室。下属六个实验室：材料的基本力学实验室，细观力学实验室，材料动力学实验室，材料设计和CAD实验室，特种材料实验室和材料制备实验室。在“211”工程的支持下，实验设备和测试仪器上了一个台阶，实现了系列化、规模化和现代化，具备了从低温至高温，低应变率至高应变率，细观至宏观的综合研究实力，在国内高校中独树一帜，具有鲜明的特色。第五十四页，共71页。整个实验室已具有相当规模并已正式开放运行(ynxng)。实验室现有实验室建筑面积 1000 余平方米，拥有大型设备和仪器等设备总值 1160 万元，年科研经费 197.4 万元。成立了第一届学术委员会，并拥
21、有主任办公室、客座办公室、大小学术会议室等。第一批实验室基金课题（9项）已开始进行，涉及上海同济大学、合肥工业大学、合肥炮兵学院、我校19系、9系和5系等单位，具有很好的开放度，内容涉及：特种电磁流变液材料的研制，细观力学行为的测量，分子动力学模拟，材料冲击损伤机理等。第五十五页，共71页。标志性成果四：KDC-1型磁流变材料 已初步开发出型号为KDC-1的磁流变材料，经实验室小批量生产，工艺简单稳定，有一定的沉降稳定性和较大的剪切强度，主要性能已接近美国Lord公司同类产品。目前该材料作为阻尼器使用的具有较高抗震性能的阻尼材料和离合器用的抗剪切材料，正在进行试验(shyn)研究。第五十六页，
22、共71页。KDC-1KDC-1磁流变液材料性能：磁流变液材料性能：外观外观深色略灰混浊液状流体深色略灰混浊液状流体气味气味无异味无异味毒性毒性(d xn)(d xn)无毒性无毒性(d xn)(d xn)粘滞性粘滞性可以调节，一般较粘稠可以调节，一般较粘稠溶剂溶剂亲水型或憎水型亲水型或憎水型沉降沉降新鲜制备的为均匀旋浮体系，静置一新鲜制备的为均匀旋浮体系，静置一周后逐渐沉降分层，搅拌后恢复原状。周后逐渐沉降分层，搅拌后恢复原状。使用温度使用温度-50-50 200 200闪点闪点250250最大剪切强度最大剪切强度500mT500mT下下15 Kpa15 Kpa（与美国（与美国LordLord公
23、公司性能相比约低司性能相比约低5-10%5-10%）第五十七页，共71页。标志性成果五：同步辐射材料实验站 在科大同步辐射加速器上已建成国内第一台同步辐射材料力学实验站，该装置利用同步辐射X光可对不透明试样内部缺陷和损伤发展进行原位测量。该装置为可拆卸式，已在科大同步辐射加速器和北京高能所电子对撞机上成功地进行了测试，已得到(d do)国内首张硼纤维复合材料和超导带材内部损伤的原位照片，分辨率为m量级，达到国际先进水平。第五十八页，共71页。(1)采用透视技术研究Bi-2223高温超导带材(BSCCO超导芯、纯Ag包套)的力学性能。在低温(液氮温度77K)和常温下的损伤形式没有本质变化；在弹性
24、阶段具有超导性,一旦进入塑性后,材料即失去了超导性。(2)研究硼纤维增强环氧树脂、碳化硅颗粒增强铝复合材料的内部结构及损伤演化,观测到硼纤维内部界面层上的缺陷(quxin)以及在载荷作用下的界面上的损伤分布大小,形态以及规律。损伤主要以裂纹形式向纤芯发展。针对碳化硅颗粒增强铝复合材料,损伤开始时主要以微空洞形式出现,在载荷作用下,微空洞不断长大并相互串接形成裂纹,最终导致材料破坏。第五十九页，共71页。(3)针对SR-CT技术进行了方法上的探索和研究。通过自行设计和研制旋转-加载系统,编制相应控制、分析计算软件(run jin)，以及实验验证，比较系统地建立了SRCT实验方法。并采用该方法针对
25、复合材料（金属基复合材料、硼纤维增强环氧树脂、碳纤维增强Al2O3陶瓷）进行了断层成像和重建。第六十页，共71页。标志性成果六：覆盖11个应变率量级的材料力学性能试验系统 建成国内唯一的，连续覆盖应变率范围(fnwi)从每秒10的负5次方至10的正6次方的材料力学性能试验系统，可全面测试材料的动态响应特性。其中：第六十一页，共71页。MTS：10-5-10-1/s，第六十二页，共71页。Hopkinson杆：102-103/s，旋转式冲击拉伸装置：102-103/s，中应变率机：10-1-101/s，压剪复合(fh)加载轻气炮：104-106/s，第六十三页，共71页。该试验系统除进口(jn
26、ku)的MTS试验机外，其余为自行研制的多台大型设备，其中许多都接近或达到世界先进水平。如：(1)研制成国内第一套用于压剪轻气炮的电磁P波、S波粒子速度测试系统，并成功的进行了压剪联合加载下的P波、S波测量。(2)研制成功旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验机,该设备保持世界同类设备的最高水平。其中在今年沈阳金属所卢柯教授发表于“Science”的关于纳米超塑性铜的论文中，有关高应变率下的试验结果就是在此获得的。第六十四页，共71页。标志性成果七：多变量非协调元优化设计的力学原理 本项目于1997年12月获国家自然科学三等奖一项。本项目的主要贡献在于：(1)首次导出了非协调元收敛条件的非线性形式和曲
27、线坐标形式。首次建立了物理构造非协调元的一般(ybn)公式，发展了非协调元的理论基础。第六十五页，共71页。(2)系统地导出了多变量非协调元的能量相容条件，由此条件对杂交元的应力场进行前处理，进而建立起杂交元的优化设计理论，该理论导致了一系列性能优越的杂交有限元。(3)发展了非协调元的稳定性理论，首次提出了保证非协调元解的稳定性的弱连续条件和单元内位移独立性条件。(4)系统地发展了卞学璜教授的零能模式（ZEM)理论，给出了二类(r li)、三类变量杂交/混合元的ZEM的一般公式，首次建立了关于ZEM的对偶控制定理，从理论上保证了多变量有限元的解的数值稳定性。第六十六页，共71页。五、存在问题(
28、wnt)及今后发展思路第六十七页，共71页。5.1 存在问题：(1)存在人才断层问题未根本解决，年轻人才尚欠缺，目前(mqin)高层次年轻人才仍偏少。(2)建设经费偏少，一些必要的大型设备和仪器尚有很多缺口。(3)工程技术人员奇缺。(4)实验室面积紧张。第六十八页，共71页。5.2 今后发展思路：(1)我们的优势是实验设备有特色，实验队伍强，在计算和数值模拟方面有独到之处，我们打算将两者相结合，在材料设计方面向前推进一步。(2)考虑到21世纪科技的前沿是 3O（bio生命科学；info信息科学；nano纳米科学），交叉学科是新的学科生长点，针对bio和nano开展有特色的研究，在低温生物工程方
29、面，研究生物材料和组织的损伤(snshng)断裂问题；在nano方面，研究钠米材料和超导材料的力学行为。第六十九页，共71页。(3)与国际同行进行有效的合作，采取请进来派出去的方式，请国外著名专家来科大讲学一段时间，作一段研究，推动一个学科方面的发展；派出骨干人员，利用国外一些实验(shyn)设备，共同培养研究生。(4)进一步加大引进人才的力度，花力气物色国外优秀人才。(5)直接参与国民经济主战场的科研与建设，比如国防建设（航天部、航空，兵器部门）和国民经济领域（石油、建筑、材料部门）。第七十页，共71页。中国科技大学五系现代工程材料的力学(l xu)行为和材料设计子项目执行小组 2001年1月19日第七十一页，共71页。