中国科学技术大学“211工程”现代工程材料的力学行为和材料设计子
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Transcript 中国科学技术大学“211工程”现代工程材料的力学行为和材料设计子
中国科学技术大学“211工程”
现代工程材料的力学行为和材料
设计子项目“九五”期间
建设总结报告
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
执行时间:1997-2000
一、建设任务及完成情况简述
1.1 主要建设任务
⑴. 建设并完善材料力学行为和材料设计开
放研究实验室。
⑵. 建设材料强度与材料设计专业人才培养
基地。
⑶. 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。
⑷. 培养和造就一支年龄结构合理、兼备力
学和材料科学知识的高水平学术队伍。
1.2 任务完成情况
经4年来的努力,已较圆满地完成了原
定的4项建设任务。简述如下:
(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。
实验室已成立了第一届学术委员会
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,细观力学行为的测量,分子动力学模拟,材
料冲击损伤机理等。
(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。
(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,
特种材料“KDC-1号”在主要性能上已达到美国
LORD公司的性能,与生产部门已有接触,为实际
应用创造了条件。其他进展见第四部分。
(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
博士学位18 人(占44 %),引进海外杰出人才4
人,高访2人。
二、具体指标及实现情况
原计划一:
材料力学行为和材料设计开放实验室,
争取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。
<1> 高低温宏细观力学行为的近距和远距
高精度测试系统
已建立MTS高低温、近远距显微测试系
统,低温 77K,高温560 0C,配有显微望
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。
显微望远镜和CCD系统
<2>同步辐射材料力学实验站: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。
装置照片
<3>冲击拉伸、冲击扭转和轻气炮等系列的
材料动态力学行为测试系统
改进旋转式冲击拉伸设备,改进了冲
击压缩和扭转Hopkinson杆及测试设备,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
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10-5105/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。
Hopkinson杆及测试设备覆盖应变率范围
从每秒10的正2次方至10的正3次方,
旋转式冲击
拉伸装置杆及
测试设备覆盖
应变率范围从
每秒10的正2
次方至10的正
3次方,
中应变率机覆盖应变率范围从每秒10的
负1次方至10的正1次方,
压剪复合加载轻
气炮覆盖应变率
范围从每秒10的
正4次方至10的正
6次方。
<4>复合材料和电磁流变材料等智能材料的
制备基地
已建成电磁流变实验室和陶瓷复合材
料制备实验室。
特殊磁流变材料“KDC-1号”已达国际
水平,并有重要应用价值。
真空碳管炉
中温管式炉
电磁流变实验装置
<5>计算机辅助材料设计和力学行为研究的
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提
供了保证。
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又懂
材料物理化学的本科毕业生。
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。由于学生具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。
原计划三:
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。
已完成:
<1>承担科研情况:
国家自然科学基金: 22项;国家高技术基金: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;
总共:1038.35万
年均研究经费 207.67 万,大大超出40万/年的
原定指标。
<2>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。
原计划四:
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
批重大或重要成果。
<1>培养和造就一支老中青结合、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。
年龄分布情况
40岁以下(18人)
49%
44%
50岁以上(20人)
7%
40-50岁(3人)
1996年和2000年具有博士学位占总人员的比例
1996年具有博士学位
2000年具有博士学位
占总人员比例
占总人员比例
具有博士学
位的人员
33%
具有博士学
位的人员
不具有博士
学位的人员
67%
44%
56%
不具有博士
学位的人员
<2>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。
三、建设经费到位及使用情况
3.1 计划建设经费和建设经费到位情况
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
总计划经费(500
万);到位经费
(468万)
自筹资金(40
万);到位经费
(40万)
中央专项资金
(360万);到位
经费(360万)
部门配套资金
(100万);到位
经费(68万)
计划经费(万元)
到位经费(万元)
3.2 资金使用情况为:
购买五万元以上大
型设备的资金
(2,814,003元)
3000000
2500000
购买五万元以下设
备的资金
(1,545,117.13
元)
交流、培训及资料
方面的资金
(52,865.98元)
2000000
1500000
1000000
500000
0
资金使用情况
实验室改造、机器
安装等建筑安装工
程方面的资金
(268,013.89元)
本项目已花费资金4,680,000.00元,其中,
五万元以上的较大型设备共有14件:
序号 日 期
摘
要
使用部门 金 额(元)
1 97-12- 3 TDS640A示波器 2G 500M
气 炮
103,520
2 98- 5-14 计算机服务器、工作站
机 房
554,692
SUN E-3000,SUN ultri Ⅰ
3 98- 5-15 TDS420A示波器
SHPB
64,000
4 98- 5-18 长距离显微镜QM100,手持式视屏 M T S
635,478.27
显微镜
5 98- 6-25 计 算 机 软 件
MSC: 机 房
226,291
PATRAN,DATRAN,NASTRAN
6 98-11-17 光学式信号分析仪 HP3566A
磁流变
137304.55
7 99- 3-17 真空镀膜机 DM-452A
材 料
82734.00
8 99- 3-22 结构陶瓷材料制备系统-1
材 料
257,221
9 99- 7- 8 结构陶瓷材料制备系统-2
材 料
65,000
10 99- 7- 9 电子振动台(含控制仪)DY300-2 磁流变
58,400
KY-3
11 99-12-15 中应变率材料试验机
冲 击
230000.00
12 00- 3- 7 结构陶瓷材料制备系统-3
材 料
100000.00
13 00- 5-30 TDS654s数字示波器 5G 1000M
气 炮 120,815.01
14 00- 6-21 结构陶瓷材料制备系统-4
材 料
90,000.00
按年购入五万元以上的设备情况:
96
97
98
99
2000
台数
0
2
6
6
2
总额(元)
0
553520.00
1719119.00
682021.00
1020815.01
二十万美圆以上的大型设备没有。
严格安照原计划任务书圆满高效地完成了项目
建设经费指标和任务。
四、 建设成果效益及标志性成果
4.1 建设成果效益
“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。
(3)人才培养方面,培养了(已答辩)硕士53
人,博士30 人,博士后6人,材料强度与材料
设计专业毕业生35人(本科)。
14
授予博士学位人数
96年6人,97年3人,
98年5人,99年4人,
00年12人
12
10
8
6
4
授予硕士学位人数
96年9人,97年12人,
98年13人,99年11人,
00年8人
2
0
1996年
1997年
1998年
1999年
2000年
(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研究项
目的情况。( 1996年以来 )
国家自然科学基金重点项目
2%
26%
其他重要项目
59%
面上项目
1%
12%
中科院重大项目
高技术项目
(5)历年科研项目与经费情况
400
96年到位:54.7万
300
200
97年到位:122.87
万
98年到位:197.7万
100
99年到位:307.3万
0
2000年到位:355.7
万
年平均 207.67万
(6)发表论文情况
仅1998-2000三年间,本实验室共在国
内外主要学术刊物上发表学术论文347篇,
其中国外163篇,国内重要刊物184篇,被
SCI, EI, ISTP收录99篇次,出版专著三本。
4.2 标志性成果共七项
标志性成果一:
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:
<1> 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40%,;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.
<2>整体学术水平, 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,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.
<3>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, 取得了明显的成效。
<4>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。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。
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又懂材料科学的
本科毕业生。由于学生具有材料和力学交叉学科知
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。
标志性成果三:
“材料力学行为和材料设计”开放研究实验室
已建成“材料力学行为和材料设计”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。
整个实验室已具有相当规模并已正式开放运行。
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。
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,
正在进行试验研究。
KDC-1磁流变液材料性能:
外观
深色略灰混浊液状流体
气味
无异味
毒性
无毒性
粘滞性
可以调节,一般较粘稠
溶剂
亲水型或憎水型
沉降
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。
使用温度 -50℃ ~ 200℃
闪点
250℃
最大剪切强度
500mT下15 Kpa(与美国Lord公
司性能相比约低5-10%)
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μm量级,达到国际先进水平。
(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。
(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,以及实验验证,比较系统地建立了SR-CT
实验方法。并采用该方法针对复合材料(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。
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
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:
MTS :10-5-10-1/s,
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,
压剪复合加载轻气炮:104-106/s,
该试验系统除进口的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。
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
和曲线坐标形式。首次建立了物理构造非协调元
的一般公式,发展了非协调元的理论基础。
(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、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。
五、存在问题及今后发展思路
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。
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,在低温生物工程方面,研
究生物材料和组织的损伤断裂问题;在nano
方面,研究钠米材料和超导材料的力学行为。
(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
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)。
中国科技大学五系现代工程材料的力学
行为和材料设计子项目执行小组
2001年1月19日