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报告题目：微纳米力学超材料的构筑设计、先进制备和力学研究

报告人：李晓雁  副教授

     清华大学

时间：2021年4月8日下午15:00

报告人简介：

  李晓雁，清华大学长聘副教授、特别研究员、博导，曾入选海外高层次青年人才计划、获得国家优秀青年基金。现任中国力学学会理性力学和力学中的数学方法委员会副主任、力学学会青年委员会委员、中国材料研究学会超材料分会理事、中国复合材料学会智能复合材料专业委员会委员，同时担任《Mechanics of Materials》的副主编以及《Communications Materials》（创刊编委）、《Nanomaterials》、《力学学报》中英文版、《中国科学：技术科学》中/英文版和《固体力学学报》等国内外10余个期刊的编委或青年编委。一直致力于新型结构材料的构筑设计、先进制备和力学研究。至今以第一或通讯作者在Nature、JMPS、Nature Nanotech、Nature Rev Mater、Nature Mater、Nature Commu、Nano Lett、Adv Mater、PNAS、PRL、Small等期刊发表SCI论文60余篇，英文书章3篇。授权/申请国内外发明专利3项，自主软件著作权4项，其中两项实现科技成果转化，取得了良好的经济效益。曾获得Eshelby力学青年学者奖、中国力学学会青年科技奖、Elsevier EML青年学者奖和光华教育基金会资助的RISUD访问学者奖等国内外科技奖励。

报告摘要：

  对于结构材料而言，其性能与微结构之间的复杂耦合关系导致其力学性能之间存在明显的矛盾或互斥，如高强度与良好的可恢复性、高强度与低密度、高强度与高韧性等。如何克服多孔结构材料力学性能的互斥，实现多孔结构材料同时具有超轻、高强度、大变形、缺陷不敏感等优异性能是固体力学和材料科学领域长期存在的一个关键科学问题和挑战。为此，我们提出了微纳米力学超材料设计的三个基本原则，根据这些设计原则（选用合适的基体材料、优化基元几何、控制特征尺寸），研发了两种先进制备方法与工艺，实现了三类具有多级尺度、且轻质、高强韧的三维微纳米力学超材料的制备，在一定程度上解决了传统多孔结构材料力学性能互斥的难题。

  研发了双光子光刻技术和磁控溅射相结合的方法，并采用该方法制备了三维高熵合金-聚合物纳米点阵材料。该复合纳米点阵材料同时具有较高的强度和良好的可恢复性，最大压缩应变超过50%仍然可以实现几乎完全恢复，且单位体积能量吸收高达4.0 MJ/m3。该纳米点阵材料克服了传统多孔材料高强度与良好的可恢复性的制约。另外，研发了双光子光刻技术与高温热解相结合的两步法，并采用两步法成功制备了Octet型和Iso型热解碳纳米点阵材料。当该点阵材料的密度约为1.0 g/cm3时，其强度高达1.9 GPa，接近于热解碳材料的理论拉伸强度极限，导致其比强度比目前所有人工制备的微纳米点阵材料的比强度高1-3个量级。进一步通过控制试样尺寸、热解温度等参数制备了直径为几百纳米到十几微米的热解碳圆柱。这些热解碳微柱的平均拉伸强度达到1.6 GPa，且压缩强度表现出明显的尺度效应。当直径小于2.3 m时，强度高达13.7 GPa，达到材料的理论压缩强度极限，符合早先的理论预测，且这些热解碳微柱能够承受50%的压缩应变而不出现明显的破坏，展示出类橡胶的力学行为。这些微柱的弹性极限可达20-30%，最大比压缩强度达到9.79 GPa cm3/ g，超过了多晶金刚石（被认为是具有最高比强度的块体材料）的比压缩强度。这些热解碳材料克服了多孔结构材料低密度和高强度的互斥、以及高强度与高韧性的互斥。