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新材料开发

CEMAR在高分子材料领域尤其是高分子工程材料的力学性能及其断裂机理方面做了大量系统且深入的研究。以此为基础,CEMAR在新材料研究领域不断的开拓,积累了丰富的研发经验,成功开发了纳米碳酸钙颗粒增韧的聚丙烯复合材料、天然纳米管增韧的高抗冲击环氧树脂复合材料、天然纳米管增强的碳纤维/环氧树脂复合材料、高分子微孔发泡超轻高强工程材料、新型胶囊化储能相变材料及微纳米陶瓷纤维膜等多种性能优异的新材料。   


CEMAR新材料创新实验室是以工业化应用为导向的公共研发平台。实验室拥有经验丰富的专业研发团队及各种先进的检测与分析设备,适合承担高分子材料、无机非金属材料及金属材料的研发项目。实验室可以通过协助研发、共同研发和代理研发等方式与企业进行合作,也可以提供一整套的专业的材料表征和失效分析服务,为企业提供科技创新助力和技术保障,降低企业研发门槛,规避企业研发风险。目前,新材料创新实验室除了积极与企业合作开发特定需求的新型材料及相关生产加工关键技术外,也在进行其它新材料的研究探索工作,积累产业化素材。


团队在材料领域中的研究


高分子材料的力学性能(增强与增韧)

碳酸钙纳米颗粒增韧聚丙烯(PP)

      通过大量实验和深入的研究,我们利用44nm的碳酸钙颗粒首次大幅提高了PP的力学性能,其中包括:冲击强度提高300%,断裂韧性提高500%, 拉伸模量提高85%等。更重要的是,我们发现加入纳米碳酸钙会改变PP的晶体结构,而且在受力过程中,其会作为材料内部应力集中点而产生空穴现象。这种在材料内部大规模产生的空穴可以释放材料的塑性约束,使材料产生大规模的塑性形变,进而大幅提高韧性。本成果被同行广泛认可并大量引用,至今已多达近900次,是高分子材料增强增韧领域的经典文章。

     


高抗冲击的环氧树脂的制备

      利用一种天然纳米管材料,我们可以将环氧树脂的冲击强度提高多达4倍,并且保持了包括杨氏模量和热学稳定性在内的其他性能。经过系统的研究,我们发现纳米管从基体上的脱粘、桥联、断裂及其富集相的存在等都对材料的冲击性能的提高有着很大贡献。这项开创性工作受到各界科研工作者的大量关注和追踪,短短几年已经被引用将近200次。


航空用高性能碳纤维/环氧树脂复合材料

      碳纤维增强环氧树脂复合材料由于高强、高韧、质轻及高热稳定性等优异性能广泛应用于航空、航天和军事等高端领域。众所周知,由于该种复合材料的层间力学性能较差,导致复合材料整体的断裂韧性和耐疲劳性能下降,严重制约了其作为航空材料结构件的应用。鉴于此,我们创造性地在原有的二元体系中引入天然纳米管来增强复合材料的层间力学性能。实验结果证明,由于天然纳米管在碳纤维布层间区域的桥联、脱粘等现象,大量微裂纹可以在材料中稳定存在而不扩展为主裂纹从而断裂,该种复合材料的层间剪切强度提高了至少25%, 层间断裂韧性提高了近40%。更重要的是,我们发现,由于这种天然纳米管的低廉的价格和在高分子材料中易于分散等特性,其工业化应用前景将大大超过著名的碳纳米管。

   

微纳米陶瓷纤维膜

      近些年,我们利用先进的静电纺丝工艺成功制备了一种微纳米纤维膜,该膜孔径均一,孔隙率及表面积大且过滤性能优异。该膜可以广泛应用于:生活及工业的废水废气处理、食品发酵和除菌、果汁和啤酒的提纯和化学品催化生产和储能等领域。目前已经申请中国发明专利两项,美国专利一项。


材料领域的计算机仿真模拟研究(增韧机理)

      利用计算机仿真模拟的手段,我们对材料的断裂及其断裂行为进行了深入的理论研究。例如,我们利用XFEM对材料的断裂行为进行的定量研究。该研究把科学界对于增韧体系的定性认识提高到了新的高度。

    

 

材料领域的计算机仿真模拟研究(热管理

      热性能系统化计算机仿真模拟是一项在材料应用领域十分关键的技术。通过对电动汽车内部的热管理系统进行数字化建模,我们系统地研究了胶囊化相变材料在电动汽车中的应用前景。在相变产品用量及其摆放位置、车内温度预测、使用前景及其局限性等方面给出了理论解释。