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