一、轻质点阵材料结构设计、制备与表征
研究院近年来在轻质点阵材料结构多功能设计、制备、表征和应用领域开展系列研究，提出了多级点阵结构设计理念及方法，发明了国内外首台全自动三维编织机，解决了大尺寸异型结构轻量化设计与制造难题。出版了国内首部点阵材料力学专著，研究成果获教育部“高等学校自然科学奖”一等奖1项，研制的轻量化多功能复合材料与结构支撑了国防与工业高端装备建设。
二、轻质/隐身/承载一体化结构
传统隐身涂层存在吸波频带窄、密度大、机械性能与耐候性能差等问题，涂层的维护费用也十分惊人。因此，迫切需要发展结构功能一体化技术，以满足新型隐身舰船和战机的需求。研究院提出了一种轻质/隐身/承载一体化结构的设计理念，融合了超材料、纳米材料等新型吸波组元，并且通过结构功能一体化设计，在保证结构力学性能和耐候性的同时，充分发挥吸波组元的效率，达到宽频强吸收的优异性能。
三、轻质/承载/防热/隔热一体化材料与结构
研究院系统地开展了耐1600℃ C/SiC复合材料点阵结构、耐1800℃超高温陶瓷点阵波纹板结构、梯度多孔透波结构等飞行器关键热部件的设计、制备与性能表征研究。
C/SiC复合材料点阵结构
氧化锆陶瓷波纹板和超高温陶瓷UHTC波纹板
四、新型耐高温/承载多功能一体化热连接材料与结构
提出了功能梯度复合材料设计新概念，设计制备了耐1600℃热桥阻断材料/结构（隔热型）、耐1600℃高温/承载热连接材料/结构（高导热型）、耐1600℃高温/承载热连接材料/结构（低导热型）。
耐高温热桥阻断材料/结构（隔热型）
耐高温热连接材料/结构（低导热型、高导热型）
一、新型合金类硅负极材料的变形与失效机理研究
硅负极材料由于具有理论容量大、资源丰富等优点而受到广泛关注，然而脱嵌锂过程中的变形与断裂问题突出，电化学/力学耦合机理复杂。研究院通过建立原位观测实验平台，发展新型的力/化学耦合变形理论，开展了不同应力条件下的化学势-浓度、不同浓度条件下应力-应变实验和理论研究；发展了考虑离子扩散反应动力学的非线性断裂准则。为研制低成本、高性能、长寿命硅负极锂离子电池提供工程设计指导。（JPS，2014；EA，2015）
a. 硅负极材料圆柱变形前；b. 变形后；c. 硅负极材料方柱变形前；d. 变形后；e. 硅负极材料断裂
二、能源电池热失控机理及内部温度健康监测研究
锂电池的“热失控”事故多因短路而起，短路后可能引起燃烧，严重的会导致爆炸，其中热失控过程中电/化/力/热耦合机理复杂，一直是电池研发的热点与难点。研究院通过搭建能源电池温度实时在位观测平台，研究力滥用条件下电池内部结构变形及温度变化，提出安全预警阀值；进一步，发展柔性薄膜温度传感器内埋技术，已成功应用于扣式及软包电池样件，实现电池内部温度实时监测。为电池热失控机理的揭示及电池安全使用提供理论依据和技术支撑。（EML，2016）
a. 软包电池挤压实验；b.红外在位温度监测；c.电极断面变形图；d. 扣式电池内置温度传感器；e.软包电池内置温度传感器
三、能源/承载一体化材料与结构设计
能源/承载一体化是通过承载件与储释能系统的相互融合，形成既能承载又能储释能量的结构，以实现装备轻量化、节约系统空间的目的。研究院开展了同时具有优异的力学性能和电化学储能性质的材料体系研究，构筑了基于离子传输的电池（如锂/铝离子电池等）、超级电容器材料体系等。同时，制备了实现可弯曲、轻质柔性钛酸锰锂电极材料。下一步将结合工程需求进行合理的结构设计，探索这一非常具有潜力的能源/承载一体化材料与结构。（JPS，2016）
a. 能源/承载一体化概念示意图；b. 一种金属基一体化设计；c.可弯曲新型电极；d. 电极结构示意图
四、掺杂橙色磷光染料的白光有机电致发光器件
OLED作为面光源在照明领域逐渐显露其独特的优势，通过颜色补偿法利用高能的深蓝光和低能的黄光实现白光(CIE：x坐标= 0.33，y坐标= 0.33)发射。系统研究了菲并咪唑衍生物作为深蓝色荧光材料，掺杂橙色客体染料铱配合为PO-01，实现了极其接近理论白光CIE色坐标(0.339, 0.330)，同时器件具有3.7 V的低启动电压，是一类极具商业价值的白光OLED器件。(RSC Adv., 2015, 5, 72009)
白光OLED器件(a. 密度泛函优化的分子结构，b. OLED器件结构示意图，c. CIE色度图，d. 双发射白光电致发光光谱)
五、非掺杂型深蓝色有机电致发光器件
为了解决现有发深蓝光有机发光材料种类稀少，器件效率低，启动电压过高的问题，系统研究了一类基于菲并咪唑为核构筑的新型深蓝色荧光材料，这类材料(CIE：y坐标< 0.10)在电致发光器件中极具潜力。器件具有3.6 V的低启动电压。(RSC Adv., 2015, 5, 72009，)(专利：深蓝色电致发光化合物及其制备方法和应用201510607586.4)
深蓝光OLED器件(a.D–π–A构型的菲并咪唑衍生物分子结构,b. OLED器件结构示意图,c.CIE色度图，d. 3.6V低启动电压)
六、表/界面仿生黏附力学与微纳米材料力学
仿生研究了壁虎类生物的表界面黏附行为，获得了系列广义黏附接触模型的解析解，拓展了经典Kendall模型，揭示了壁虎类生物的宏、微观黏附机制，为仿生爬壁机器人黏附系统的设计提供了理论依据；仿生受精卵细胞在输卵管节段波作用下的表面黏附输运行为，提出了非均匀应变场驱动表面颗粒黏附输运的新概念；进一步应用低维材料表界面的黏附特性，提出了实现薄膜/基底完美黏附界面的倾斜法，及纳米碳卷提高复合材料断裂韧性的新思想，给出了手性与缺陷可控的纳米碳管(CNT)的黏附自组装制备新方法。(JMPS, 2006, 2007, 2009; IJSS 2009, 2010, 2014; APL, 2012; Soft Matt 2012; Carbon, 2014; JPCC, 2014; Sci Rep, 2015; Nano Res, 2015)
基于连续介质力学框架，提出了一种低阶应变梯度理论，建立了理论对应的有限元新算法，合理表征了微尺度材料力学行为的尺寸依赖性，解释了裂纹尖端解理断裂机理，预测了剪切带初始形成宽度。研究了纳米材料表面能密度的尺寸效应，提出了一种表征纳尺度材料表面对材料力学行为影响的表面效应理论模型，仅引入相应块体材料的表面能密度及纳米材料的弛豫参数，涉及参数物理意义明确，并有效表征了多种典型纳米结构及材料的力学行为。 (Acta Mater, 2000, 2004; IJP, 2002; IJSS, 2002, 2007, 2011; JAM 2014; Surf Sci 2015; JAP 2015)
一、航天轻质点阵复合材料筒体与翼舵结构
为满足重型运载火箭、飞行器对轻质大直径主承力筒体及异型翼舵结构的迫切需求，研究院提出了多级点阵结构的概念，开展了基于双蒙皮缠绕成型工艺的大直径点阵夹层圆柱壳、三维穿插整体成型翼舵结构的设计与制造研究。近年来承担了国防“863”、国防重大预研等项目，研究成果被选为国防“863”成果展示样件。
轻质点阵复合材料筒体和翼舵
二、高铁轻量化复合材料导流罩与悬浮架结构
为满足轨道交通装备对轻量化的迫切需求，研究院开展了轻质复合材料大尺寸异型车用零部件的设计、制造与应用研究，发展了复合材料固化变形高精度控制方法。近年来，承担了中车集团高铁超轻整流罩、碳纤维悬浮架等重大工程应用技术攻关。参与研制的轻量化复合材料导流罩已应用于高铁车辆，碳纤维悬浮架目前处于实验室测试阶段。研究成果为轨道交通装备发展提供了技术保障。
一、基于μCT三维几何重构的材料与结构寿命评价技术
三维CT扫描技术作为新兴的无损检测技术，具有缺陷检出率高、干扰因素少、缺陷可精确定位等优点；同时，基于三维几何重构技术，结合有限元计算方法，可实现含缺陷材料损伤演化及结构剩余寿命预测。研究院针对泡沫铝材料、编织复合材料开展了三维几何重构技术研究，开发了材料微缺陷识别和三维重构软件。在此基础上，提出了基于缺陷统计特征的复合材料力学性能预测方法，建立了国内独有的材料缺陷性能评估和数值仿真平台，达到国际先进水平。研究成果为国防及工业高端装备领域材料与结构检测和性能评估提供了重要技术保障。
目前研究院已采购225kV微焦点射线机一台，并与Zwick试验机耦合，实现了材料损伤在位观测，最大载荷100kN；600kV常规焦点射线机一台，可用于构件级无损检测，可检工件规格 φ1200×5000（筒体：直径×长），检测精度为：裂纹≤50μm，气孔≤φ0.3mm。
二、多尺度参数化建模与多场耦合损伤数值仿真方法
开展了编织复合材料多尺度参数化建模、材料制造缺陷的定量化模拟、热-力-氧耦合渐进损伤与失效分析等工作。
拥有大型硬件计算平台，具备Ansys、Abaqus、Comsol等大型有限元商用软件资源；近年来基于商用软件自主开发了多种建模与功能计算软件包，能够满足在强度、氧化烧蚀、爆炸与冲击、隐身、流固耦合等多方面的计算需求。
一、力电磁多场耦合环境下材料力学性能测试方法与仪器研发
电磁功能材料广泛应用于电子信息、汽车、生物医学及工业控制等重要领域。自主研发了国际上首台多场耦合微纳米压痕仪，力电磁耦合多轴鼓泡仪及力电磁热多场耦合加载和测试系统，制定了相应的测试标准。首次发现了电磁材料硬度、模量和加卸载功之间的标度关系，提出了力电磁耦合微纳米压痕表征方法；提出了功能薄膜断裂韧性的表征方法，研究了外场对材料模量、断裂韧性的调控；并建立了层状磁电材料含尺度效应的力电磁耦合非线性本构关系。这些研究为电磁功能材料与器件宏微观尺度下的实验表征和性能评价提供了有力支撑。相关成果出版学术专著两部，获2005和2010年度国家自然科学二等奖，2007年度教育部“高等学校科学技术奖（技术发明奖）一等奖”，所研制的仪器在国内外二十余个高校和科研单位推广应用，取得了显著的经济和社会效益。（Rev. Sci. Instrum.,2013，2014；Sci. Rep., 2014）
二、超高温极端环境下材料性能测试方法与科学仪器
前国外的超高温测试技术与设备对我国实行保密与封锁，我国相关的超高温材料性能测试技术相对落后且缺少先进的实验设备，急需开展超高温极端环境下材料性能测试方法与科学仪器研制工作。研究院发展了超高温极端环境下材料性能测试方法，自主研制了一系列超高温极端环境下材料性能测试仪器，提升了国内该领域的实验装备水平和表征技术手段，促进了科学技术研究的源头创新，也为国防和工业高端装备攻关和质量保障提供了技术支撑。
1. 超高温（1800℃）有氧环境力学性能测试系统
自主研发了国内首台超高温（1800℃）有氧环境材料力学性能测试系统，突破了超高温（1800℃）有氧环境测试夹具、发热体、变形精确测试等关键技术，首次实现了材料在超高温（1800℃）有氧环境下拉伸、弯曲、压缩、剪切力学性能测试（强度、应力-应变等）。
2. 超高温惰性环境力学测试系统、超高温多气氛氧化/热震一体化测试系统
研究院自主研发了超高温惰性环境力学测试系统，可测试真空/惰性气氛室温至2300℃间的拉伸/压缩/弯曲/剪切强度及其应力-应变曲线。同时，自主研发了超高温多气氛氧化/热震一体化测试系统，可测试材料在氧化、真空、惰性气氛下的热震行为和在不同氧分压下的氧化行为。
3. 高温1600℃宽频（2-40GHz）透波测试系统
研究院提出了高温宽频透波结构设计新方法，自主研发了国内首台高温1600℃宽频（2-40GHz）透波测试系统。
4. 高温1600℃多气氛环境材料压痕测试系统
研究院自主研发了高温1600℃有氧环境及气氛环境下（空气、惰性、氧分压）材料压痕测试系统。
5. 多气氛/超高温/快速升温力学性能测试系统（研制中）
为提高测试效率、更加贴近材料实际服役环境条件，研究院正在研制多气氛/超高温/快速升温力学性能测试系统，可实现惰性、有氧环境快速升温条件下材料拉伸、弯曲、压缩、剪切力学性能测试（强度、应力-应变等）。
