在5月16日开幕的第四届全国超材料大会上，由北京理工大学、天津大学、香港理工大学等合作完成的研究成果“声学超构材料逆向设计方法与应用”获评首届“中国超材料十大进展（技术创新类）”。“中国超材料十大进展...

2025年5月14日晚，北京理工大学先进结构技术研究院陈浩森教授团队在Nature杂志发表研究论文，另辟蹊径交出“智能电池”力学答卷。

中熵合金由于其优异的结构稳定性和卓越的力学性能，在航空航天、核工业等领域具有广泛的应用前景。然而，传统的CrCoNi中熵合金尽管表现出较好的结构稳定性，但其相对较低的硬度和屈服强度一直是制约其更广泛工业应用的主要瓶颈。 北京理工大学先进结构技术研究院方岱宁院士课题组曲兆亮副教授等人基于激光冲击强化在中熵合金表面梯度微结构与力学性能关联研究方面取得了重要成果。该研究成果以“Investigating the correlation between mechanical properties and gradient microstructures in laser shock peened CrCoNi alloy”为题，发表于力学研究领域的国际顶级期刊《International Journal of Plasticity》（https://doi.org/10.1016/ j.ijplas.2025.104331）。 本研究利用激光冲击处理（Laser Shock Processing, LSP）技术，在CrCoNi中熵合金（Medium-Entropy Alloys, ME...

近日，北京理工大学先进结构技术研究院元旭津课题组在流体力学领域著名期刊Physics of Fluids发表了题为“Enhanced wind energy harvesting through omnidirectional airflow metamaterial concentrators”的研究论文，博士生周梦婧为第一作者，元旭津老师和赵小见老师为共同通讯作者。 风能作为一种可再生能源，随着技术的进步，逐渐成为全球能源转型的关键部分。然而，风能发电仍面临低风速和间歇性的挑战，这限制了其应用效率。为了解决这些问题，本团队提出了一种创新的风能汇聚设计——全向聚风阵列结构，旨在提升风能的收集效率，特别是在低启动风速下,仿真结果显示能够将风能密度提升至输入的360%，与垂直轴发电机配合，有望用于下一代风电系统，使得风电系统能够工作在较低的环境风速下。 设计概念图 该全向阵列式结构采用了一种受超材料原理启发的新型复杂梯度结构，结合不同的基本单元的组合形成环向集流结构。并对结构进行了仿真验证，通过仿真分析与计算，团队最终确定了一种最优设计方案，其风能捕获效率较传统设计提升...

热塑性复合材料（TPCs）因其优异的性能而备受关注。然而，服役过程中不可避免的损伤，使得高效结构修复技术成为关键问题。相较于传统用于热固性复合材料（TSCs）的修复方法，如机械连接和胶接修复，TPCs独特的热塑性特征使焊接修复成为一种更具应用前景的解决方案。其中，超声焊接凭借其快速高强、无需引入异质材料的优势，在TPCs结构修复领域展现出巨大的潜力。 我院李营教授、赵天副教授等人开展了基于超声焊接工艺的损伤热塑性复合材料高效修复方面的研究。该研究首次系统探究了超声焊接修补典型开孔损伤结构件的可行性及有效工艺窗口，并结合声发射与DIC等技术分析了不同焊接时间下修补样件力学性能、失效机制及损伤演化过程。研究成果以“Towards ultra-fast and high strength structural repair of damaged thermoplastic composites: Ultrasonic welding”为题发表于复合材料力学领域顶级期刊《Composites Part B》（https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025...

近年来，以旋翼无人机等为代表的微小型智能武器不断涌现，展现出隐蔽性好、机动性强、成本低等优势，逐渐成为世界军事强国竞相发展的关键技术之一。然而，随着微小型无人智能武器的系统算力呈指数增长，电子系统的发热量急剧增大，传统热导率较低的聚合物基板已难以满足服役要求，急需发展新型的高导热材料与结构。传统聚合物材料热导率低，难以满足高导热需求。目前常见的解决途径是在聚合物材料中添加陶瓷填料进一步提升热导率。然而由于陶瓷填料在聚合物基体中的分散状态不连续，导致热导率提升并不显著。 近日，我院何汝杰教授、李营教授等人在方岱宁院士“先进结构”思想的指导下，受树叶叶脉启发，开展了面向微小型无人系统高导热需求的仿叶脉陶瓷/聚合物复合结构的设计、3D打印与导热性能研究，取得了阶段进展。研究成果以“3D Printed Leaf-Vein-Like Al2O3/EP Biohybrid Structures with Enhanced Thermal Conductivity”为题发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》（https://doi.org/10.1021/...

锂离子电池因其能量密度高、循环寿命长等特点广泛应用于电动汽车和储能系统中。目前LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 （NMC811）多用作高能量密度电池正极材料。然而，由于该材料晶格释氧会引起的固体电解质界面（SEI）以及正极电解质界面（CEI）动态变化会导致电池性能降低，因此提高NMC811正极稳定性是关键。表面包覆氧化铝（Al2O3）及氧化硼（B2O3）是提高NMC811稳定性的有效策略之一，然而不同包覆组分的排列结构对电化学/化学稳定性的影响仍有待研究。 北京理工大学先进结构技术研究院陈浩森教授与宋维力教授团队联合北京科技大学/兰州理工大学焦树强教授团队开展了从颗粒-电极-电池尺度的电池界面动态老化研究，基于Al2O3及B2O3两种不同包覆结构的NMC811正极材料系统研究了在45℃循环和65℃存储时的稳定性。实验表明，Al2O3及B2O3均匀包覆结构能够增加CEI及SEI内部无机组分含量并减少电池内部副反应产气，进而提高界面和系统稳定性。该研究成果以“Mechanistically understanding the correlation between dynamic ...

热障涂层凭借其卓越的隔热性能，广泛应用于燃气涡轮发动机的高温部件中，显著提升了发动机的效率和性能。然而，在高温服役环境下，由于粘结层氧化等作用，热障涂层与基体之间的界面裂纹会逐渐扩展，最终导致涂层剥落。因此，界面失效行为的评估已成为热障涂层研究的核心问题之一。目前，常温下用于表征热障涂层界面失效的测试方法难以适用于高温环境，而一些高温测试方法则难以实现单纯的界面断裂。作为一种微纳米尺度的测试方法，压痕法在热障涂层力学性能测试中得到了广泛应用。通过界面压痕法，可以获得热障涂层完整的界面裂纹。然而，界面压痕法在高温条件下难以精确测试涂层断裂形貌，导致其应用受限。因此，在高温条件下对热障涂层界面失效行为进行定量研究仍面临巨大挑战。 北京理工大学先进结构技术研究院方岱宁院士课题组曲兆亮副教授等人基于高温X射线成像和原位压痕加载装置，发展了高温原位界面压痕法，实现了热障涂层高温界面韧性的定量表征，得到了热障涂层的高温界面失效模式。研究成果以“Interfacial failure behavior of thermal barrier coatings (TBCs) at high tempe...

电动汽车、无人驾驶飞行器和其他智能设备市场的拓展，需要开发具有高功率密度和高能量密度的锂离子电池（LIB）。提升具有高能量密度特征的高镍三元正极（NMC811）的功率密度是开发“双高”LIB的关键。提高NMC811的功率密度，优化正极的倍率性能主要通过优化正极的电极过程动力学实现，其中降低NMC811正极的界面电荷转移阻力是减弱正极极化的关键策略之一。为了理解NMC811正极-电解液界面电极过程，亟需开发高精度、定量化的界面过程研究方法。 北京理工大学先进结构技术研究院陈浩森教授与宋维力教授团队联合北京科技大学/兰州理工大学焦树强教授团队，开发了一系列基于单颗粒电化学的正极界面过程研究方法。实验结果表明，所构建的方法能够实现LIB正极界面层（CEI）演化过程中化学组分信息的采集以及界面动力学的定量化。该研究成果以“Promoting interfacial reaction via quantifying NMC811 CEI evolution and Li+ desolvation using single-particle electrochemical methods”为题，...

空间非均匀热环境导致航天器结构热变形，从而严重影响了遥感卫星成像精度。提升光学相机、微波雷达等复合结构与载荷的热尺寸稳定性，是确保卫星长时服役高质量成像的关键。然而，目前的研究大多仅针对均匀温度场进行，对于复杂空间热环境下的结构热变形预测，仍是该研究领域面临的一项关键挑战。此外，金属增材制造过程中难以避免地会引入气孔、夹杂等缺陷，这些缺陷具有随机性和波动性。这种随机性和波动性导致实际结构与理想设计模型之间存在显著差异，进而使得仿真结果与实验结果不相符。因此，开发一种能够高保真预测并准确表征结构热变形特性的方法，已经成为该领域亟待解决的核心问题。 北京理工大学先进结构技术研究院郭晓岗教授团队联合北京空间飞行器总体设计部周浩高级工程师提出了一种仿生零翘曲夹层结构在非均匀温度场下热变形的高保真预测方法。热变形实验表明，该方法能准确描述近零翘曲夹层结构的超低热变形行为。该研究成果以“A prediction method of thermal deformation of near-zero warping sandwich structure under non-uniform tempe...

    碳纤维增强树脂基复合材料（CFRPs）凭借其优异的比刚度和比强度，广泛应用于国防装备中。然而，高能激光对CFRPs的毁伤研究目前较为缺乏。在激光与CFRPs相互作用过程中，打击中心局部区域的温度会在短时间内迅速升高至升华温度，导致CFRPs出现严重的热失配，在内部产生极高的热应力。同时，基体和碳化层在热影响区经历由烧蚀引起的复杂化学反应，造成了材料的化学损坏和缺失。CFRPs的不均匀变形与烧蚀现象共同决定了其失效形式，从而增加了探究CFRPs激光毁伤机理的难度。     近日，我院雷红帅教授、王潘丁副教授、赵则昂副教授等人在方岱宁院士的指导下，实现了激光烧蚀CFRPs毁伤形貌的三维定量表征，建立了高能激光与CFRPs相互作用的理论模型，揭示了CFRPs在高能激光作用下的毁伤机制。研究成果以“Thermal-mechanical-chemical coupled model for high energy laser damage to CFRP based on CT characterization”为题发表于复合材料力学领域期刊《Composites Science an...

近日，华电科工集团储能分公司投资并承建的——曹妃甸“光储充”智慧能源综合利用项目开工建设。该项目为2021年国家重点研发计划“储能与智能电网技术”专项“储能锂离子电池智能传感技术”示范工程项目，项目位于唐山南部沿海、渤海湾中心地带华电曹妃甸重工装备有限公司厂内，建设内容包括光伏车棚、充电桩、户外一体化储能柜及其他配套设备。华电科工储能分公司基于课题研究成果自主开发全新3S（EMS、PCS、BMS）系统和内置智能传感电池集成技术将在该项目示范应用。 国家重点研发计划“储能与智能电网技术”专项“储能锂离子电池智能传感技术”由北京理工大学陈浩森教授负责，北京理工大学、清华大学、西安交通大学、华中科技大学、电子科技大学等一流高校，中国华电科工集团有限公司、宁德时代新能源科技股份有限公司、浙江清华柔性电子技术研究院、天目湖先进储能技术研究院、北京海博思创科技股份有限公司等企业，联合开展的系统性储能锂离子电池智能传感技术研究。该项目的建设投产将电池内置智能传感技术真正实现“用得上、用得好”，为提升储能锂离子电池安全性、稳定性和运行效率提供独特的中国方案。 转载出处：https://mp...

导读： 陶瓷基复合材料由于其耐高温、高比强度以及高断裂韧性的特性被广泛用于航天航空、核能等诸多领域。陶瓷基复合材料常见制备工艺主要有化学气相沉积法（CVI）、前驱体浸渍裂解法（PIP）和金属熔渗反应法（RMI）。CVI工艺通过气相小分子热解沉积实现材料致密化，但不适用厚壁样件；PIP工艺通过前驱体反复浸渍-裂解进行致密化，往往需要重复9-16轮，且前驱体利用率低（30wt%左右）；CVI和PIP两种工艺周期长、成本高大大限制了其广泛应用。与前两者相比，RMI工艺制备周期相对较短，但高温金属熔体对纤维损伤程度大，显著影响材料的力学性能。 快速成型工艺方法一直是陶瓷基复合材料重点研究方向。例如，欧洲C3HRME项目、日本NITE技术以及美国MATECH的FAST技术。然而，上述快速制备工艺均使用了高温高压的烧结技术，这类烧结技术不仅依赖高昂的工艺设备，而且制备异形构件非常困难。 图1.国外报道的快速制备工艺方法 北京理工大学张中伟教授团队开发了一种具有原位自增密的陶瓷基复合材料快速制备技术，旨在实现材料的高效、高通量、低成本制备。开发了无机填料改性的新型高粘聚硅硼氮烷前驱体，具...

近日，北京理工大学先进结构技术研究院董浩文副教授联合天津大学汪越胜教授、美国罗文大学沈宸助理教授、香港理工大学成利院士、美国杜克大学Steven A. Cummer教授等多位波动力学、声学超材料专家，在国际著名期刊《Materials Today》（影响因子：24.537）上发表了题为“Inverse design of phononic meta-structured materials”的前沿综述文章，系统回顾了声子超构材料逆向设计领域的研究进展，全面梳理了声子超构材料（图1）的基本概念、内涵、逆向设计方法论、逆向设计的声子超构材料与定制化波动功能、以及定制化声子超构材料的典型应用等，并对声子超构材料逆向设计的未来研究进行了展望。 图1：声子超构材料及其潜在应用 在过去的三十年中，作为一种具有精细微结构和序构的人工功能复合材料，声子超构材料(Phononic meta-structured materials, PMSMs)吸引了广泛的关注，从频散工程，到波前调控，甚至整个波场的任意构建等大量复杂波动现象与功能方面均展现出了惊人的弹性波或声波操纵能力。声子超构材料的核心...

在军事行动、体育活动以及交通出行等多种场合中，人们常常会面临各种伤害的风险，这些伤害可能涉及出血、骨折等多种类型，对个人的身体健康造成显著影响。“面向人民生命健康,”急需发展更加高效的医用材料。压电复合材料（piezoelectric composites）因其将机械力转换为电信号的能力，在生物医学领域受到了广泛关注。通过3D打印技术制备具有复杂结构的压电复合材料，不仅可以有效提升其压电输出性能，还能实现定制化的治疗应用，具有重要临床前景。 北京理工大学先进结构技术研究院李营教授、何汝杰教授团队前期在3D打印骨植入物、止血材料等方面取得了一定进展，尤其在电、磁、热等外场刺激促进骨修复领域积累了一定成果（Journal of Advanced Ceramics, 2023；ACS Biomaterials Science & Engineering, 2023等）。本次，团队应邀系统性总结了压电复合材料的3D打印与医学应用进展情况。论文首先介绍了压电复合材料的类型，并回顾了常用于其制备的3D打印技术，分析了每种3D打印技术的优缺点。随后，重点阐述了3D打印压电复合材料在医学领域的最新应...

1.导读 三维针刺斜纹布复合材料因其变形能力强、耐高温烧蚀性和优异的尺寸稳定性等优点，在航空航天、热场材料等领域发挥着重要作用。与传统的无纬布相比，斜纹布中的经纱和纬纱交织在一起，针刺后的细观结构更加复杂，同时实际中会采用不同的针刺角度来满足服役部件不同位置处的性能需求，试验测试为不同针刺角度下材料力学性能的获取提供了一种有效的手段。然而，如何建立一种有限元模拟方法来分析其内部复杂的细观结构，预测三维针刺斜纹布复合材料的力学性能，并分析针刺细观结构对其力学性能的影响规律，依然是一种挑战。 我院梁军教授、葛敬冉副教授团队在《Composites Science and Technology》期刊上发表了关于针刺斜纹布复合材料力学性能分析方面的研究工作，论文标题为《A novel analysis method for mechanical properties of 3D needled twill composites based on virtual fibers》。 原文链接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2023.110129 ...

太赫兹电磁波在成像、制导、通信、医疗及无损检测领域具有广阔应用前景，由此带来的电磁污染、电磁干扰问题日益显著，急需开发高性能的太赫兹波段电磁屏蔽材料。当前，前驱体转化陶瓷被大量报道应用于微波电磁波屏蔽领域，但其太赫兹波段的屏蔽性能关注较少。此外，下一代太赫兹电磁屏蔽器件往往复杂异形，前驱体转化陶瓷的传统成形方式通常只能制备粉体、薄膜或简单块体，难以满足应用要求。光固化3D打印被成功报道应用于前驱体转化陶瓷及其构件的成形，如果基于前驱体转化陶瓷的太赫兹电磁屏蔽材料能够实现光固化3D打印，将为后续复杂异形太赫兹器件的研制提供极大便利。 我院李营教授、何汝杰教授组成的研究团队致力于开展太赫兹功能材料与器件的设计与制造研究，近期取得了系列研究进展。 首先，如何实现前驱体转化陶瓷（PDC）的高精度制造是一个难题。研究团队采用面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术开展了PDC-SiOC微结构的高精度制造工艺研究，经过系统工艺探索与优化，成功制备了高精度的PDC-SiOC微结构，结构特征尺寸仅52μm，具有极高的制造精度与设计制造保真度。相关研究成果以“Accuracy controlling...

聚酰亚胺气凝胶(PIAs)由于其优异的耐高温性能、广泛的工作温度范围和灵活性，在热防护材料应用方面受到了广泛的关注，目前被认为是高端制造业的关键材料。其良好的柔韧性、优异的热稳定性和高孔隙率等优良特性使其成为航空航天和空间探索设备(如气动减速器、可回收太空舱和地面探测器等)的最佳隔热材料。然而，由于复杂的应用环境和使用要求，平衡传统PIA的耐高温性和机械强度仍是一项挑战。此外，高收缩率和较差的成型能力限制了材料的多功能发展。因此，设计气凝胶的宏观形状和微观结构是实现低收缩率、强保温性和高机械强度的必要条件。 基于上述问题，北理工徐宝升副教授课题组在化学工程领域TOP期刊Chemical Engineering Journal (IF:13.3)发表了题为 “Ultralight, low-shrinkage copolyimide aerogels with excellent mechanical strength for flexible thermal protection” 的研究成果，采用一种共聚改性-化学亚胺化的策略合成了具有优异的保温隔热性能和力学性能以及良好的耐高...

蒙皮等热结构是飞行器在高温极端服役环境中雷达波的主要散射源。未来新型飞行器热防护结构的设计，不仅要考虑材料与结构的耐高温、承载特性，还必须考虑其雷达隐身特性。传统的解决策略大多是采用吸波陶瓷材料，但其承载能力相对较差、吸波带宽窄、吸波效能有限。结构化的隐身方案，能够同时实现耐高温、承载与高性能宽频吸波。然而，陶瓷材料如何实现结构化隐身，其设计与制造都是难题。 我院何汝杰教授、黄怿行副教授在方岱宁院士的指导下开展耐高温雷达隐身陶瓷材料及其结构的设计、增材制造研究。近日，团队针对高温陶瓷材料的结构化隐身，采用大变异遗传算法设计了轻量化、承载、耐高温、宽频吸波的SiC陶瓷蜂窝超结构，并基于挤出3D打印制备SiC陶瓷材料结构件，完成了技术原理研究和初步验证。相关研究成果以“Material extrusion 3D printing of large-scale SiC honeycomb metastructure for ultra-broadband and high temperature electromagnetic wave absorption”为题发表于增材制造领域顶级期刊...

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2023.105497 固体材料中裂纹扩展受到微观结构的显著影响，因此微结构设计为调控裂纹扩展路径和等效断裂性能提供了有效途径。近日，固体力学旗舰期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids (JMPS)以“Pinning cracks by microstructure design in brittle materials”为题报道了北京理工大学先进结构技术研究院在脆性材料断裂性能调控领域的最新进展。 文章首先建立了基于离散元的非均质材料等效J积分计算框架（见图1），通过测量圆均匀化计算多尺度材料的路径无关J积分，实现复杂微结构影响下材料等效裂纹扩展阻力曲线的定量表征；进而分析了脆性材料中与孔洞相关的钝化钉扎和偏转钉扎，并通过调控孔洞与裂纹的相对位置激发不同增韧机制（见图2）；最后通过引入随机分布微孔洞和周期分布微孔洞调控钉扎机制，从而控制裂纹扩展路径和等效断裂韧性，确定“增脆-增韧转变”和“最大增韧”的临界条件，并且将微孔洞钉扎机制推广应用于软硬双相...