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 temper...

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 and Technol...

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.weixi...

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，具备低挥发份、...

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问题之一就是...

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用...

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 2.内...

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 a...

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温性能...

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异质材料...

为了满足大涵道比、抗分层、高损伤容限等需求，航空发动机风扇叶片逐渐采用机织复合材料。然而，风扇叶片的外廓尺寸具有大扭曲的几何形态，在复合材料结构纤维预制体赋形过程中，纤维间会发生挤压、错动、扭转等相互作用，使得经纬纱线截面形态、体积含量和走向轨迹呈现不规则分布，这种复合材料细观结构的高度非均匀性极易引起材料内部应力集中，导致损伤发生，降低结构的可靠性，同时也大大增加了复合材料结构力学性能分析与评价的难度。 近期，我院梁军教授、葛敬冉副教授课题组基于数字单元法和仿射变换提出了一种能够真实反映机织复合材料扭曲结构内部细观纱线形态的高效数字化建模方法，并基于细观尺度模型预测了复合材料扭曲结构在悬臂载荷下的力学响应。该研究成果以“Mesoscale modeling of woven composite twisted structures combining digital element embedded model and affine transform”为题发表于期刊《Composites Science and Technology》。 在本研究中，首先基于数字单元法和嵌入单元法模...

纤维增强树脂基复合材料具有高比刚度/比强度、高稳定性、低热导率等优势，是重型运载火箭低温燃料贮箱的理想材料。全复合材料贮箱结构的设计与应用，被认为是进一步提高火箭运载效率的关键技术途径。然而，超低温环境下材料组分性能变化及热应力等因素，会显著影响复合材料的低温力学性能及损伤行为，给复合材料贮箱结构使役安全性设计与可靠性评价带来了困难。现有研究多采用离位方法观测复合材料的低温失效模式，超低温环境下复合材料内部损伤演化行为与机理有待进一步揭示。 近日，我院雷红帅教授、王潘丁副教授等人在方岱宁院士的指导下开展了基于低温原位μCT表征技术的复合材料低温失效机理研究，明晰了超低温环境下复合材料层板内部的损伤演化特征及影响机制。研究成果以“Cryogenic damage mechanisms of CFRP laminates based on in-situ X-ray computed tomography characterization”为题发表于复合材料力学领域顶级期刊《Composites Science and Technology》（IF=9.1, https://doi.org...

一、研究背景 在各种金属AM工艺中，金属增材制造工艺由于其克服尺寸和重量限制的潜力，在重工业中受到了越来越多的关注。然而，这一过程通常会导致热影响区（HAZ）的微观结构异质性增加和显著的晶粒粗化，因此需要适当的解决方案；另外，Ti6Al4V合金是各种工业应用中必需的高端材料之一，非常适用于金属AM。它是一种?+?钛合金，以其优异的高强度、低密度、高断裂韧性、优异的耐腐蚀性和优越的生物相容性等性能而闻名，这些特性使其对航空航天、生物医学和电力/能源应用具有吸引力。与传统的制造方法相比，AM具有显著的优势。然而，在解决颗粒结构的数值方法上缺乏足够的发展 。 基于上述问题，北理工廉艳平教授及其团队在增材制造技术领域TOP期刊Additive Manufacturing（IF：11）发表了题为“An extended cellular automaton finite volume method for grain nucleation–growth–coarsening during the wire-based additive manufacturing process”的研究成果，提出...

传统胶黏剂的黏附强度受材料性能及使用环境等因素的影响，且传统胶黏剂不可重复使用。如何设计强黏附且可重复使用的黏附表面是微机械系统、微电子封装等先进领域关注的关键科学问题。 壁虎通过强黏附与弱脱黏交替实现鲁棒性的爬行行为为该解决问题提供了创新灵感，并已成功制备仿壁虎黏附系统的多种微结构阵列表面。已有研究主要关注了微结构阵列材料及几何参数对表面黏附性能的影响。实验发现：相比于光滑平表面，相同表观面积微结构阵列表面的等效黏附强度反而较小，显然违背了通过微结构设计增强表面黏附的目的，有必要开展仿生微结构阵列表面黏附机理及其影响因素的基础理论研究。 近期，我院陈少华教授和彭志龙教授团队针对上述问题，建立了仿生微柱阵列表面与刚性光滑平基底的黏附接触力学模型（图1a），发展了一种微柱阵列界面黏附力传递规律的计算方法，定量表征了等位移加载条件下表面微柱和背衬层的变形，结合黏附界面的位移协同条件和单微柱脱黏准则，得到了微柱阵列表面典型的力-位移曲线（图1b）及每根微柱的受载情况（图1c）。最终发现：影响微柱阵列表面等效黏附强度的主要原因是界面脱黏时较低的微柱利用率，外缘微柱首先发生脱黏，界面整体脱黏仅依...

轴管状三维编织复合材料因其高比刚度、高比强度、可设计性等特点，在航空航天、汽车制造和医疗器械等领域的关键承力结构中得到了广泛应用。然而，在结构成型过程中，总是不可避免地产生增强相（纤维束）截面变化以及基体相（树脂）孔隙等缺陷；在结构件实际服役过程中，面临着高温、低温等环境因素，这些都可能对其力学性能造成影响。因此，准确预测三维管状编织复合材料在不同环境条件下的力学行为，对保证其服役安全性具有重要的意义。 近日，我院李会民老师在方岱宁院士的指导下，基于Micro-CT多尺度建模框架，建立了考虑温度影响的三维管状编织复合材料弹塑性损伤跨尺度有限元模型，该模型充分考虑了真实纤维束特性、纤维形态以及成型过程中的缺陷等因素，研究了不同温度下结构宏/细观尺度上的力学性能，为设计和制造这类结构提供了一种新的跨尺度建模分析方法。 该项成果以“Prediction of mechanical properties of 3D tubular braided composites at different temperatures using a multi-scale modeling framewor...

近日，北京理工大学郭晓岗副教授团队受生物组织中的肌肉纤维和神经元启发，提出了一种具有本体感知功能的电热驱动作动器。通过监测电热驱动过程中的驱动层电阻变化，结合构型反演算法，完成了结构构型的动态反演，实现了作动器的驱动-感知一体。研究成果以Somatosensory Electro-Thermal Actuator through the Laser-Induced Graphene Technology为题发表于国际TOP期刊Small。 肌肉组织中的肌肉纤维和神经元能够实现动作和感知。在肌肉运动过程中，神经元能够识别肌肉张力和压力的变化，感受关节伸展程度，使生物体准确的判断肌肉的动作。使用激光诱导石墨烯（LIG）作为电热驱动材料和压阻功能材料，基于肌肉组织功能仿生设计开发具有本体感知功能人工软体驱动器，将为智能仿生软体机器人的发展提供助力。 图1. 仿生自感知LIG驱动器设计示意图 研究团队在前期柔性传感器与驱动器的研究基础上，通过优化LIG驱动器的结构与制备参数，开发了具有本体感知功能的LIG电热驱动器。通过驱动器单元的组合，可以实现1D-2D，2D-3D及3D-3D等不同维度结构...

北京理工大学杨恒老师小组近期发表在《Acta Mechanica Sinica》（《力学学报》英文版）上的长篇综述“Structure driven piezoresistive performance design for rubbery composites-based sensors and application prospect: a review”被选为Editor's Pick，并在AMS 力学学报英文版公众号进行了重点报道。这一工作是对课题组近几年在传感监测方面研究工作进展的总结。文章信息如下：Jiachen Shang, Heng Yang*, Xuefeng Yao, Haosen Chen. Structure driven piezoresistive performance design for rubbery composites-based sensors and application prospect: a review. Acta Mech. Sin. 40, 423211 (2024). https://doi.org/10.1007/s10409...

传统金属、陶瓷、聚合物等材料体系，强度和韧性难以兼顾。贝壳（珍珠母）、骨头、龟壳背甲角质层等一类生物材料，通过“砖-泥”软硬相堆叠结构实现了良好的强韧匹配，为轻质-高强韧一体化结构材料的设计提供了创新思路。 然而，实验发现不同种类的生物材料软相界面层的构筑方式存在显著差异：珍珠母及骨材料内的软相界面为连续分布，而龟壳角质层内的软相界面呈现离散分布的特征。砖-泥堆叠结构生物材料如何选择连续或离散界面？其物理力学机制成为关键的基础科学问题。 近期，我院陈少华教授课题组建立了一种离散界面的砖-泥堆叠结构力学剪滞模型（图1），其极限情况则为连续界面剪滞模型。根据砖-泥堆叠结构生物材料的软硬相力学性能，采用线弹性本构和理想弹塑性本构分别表征硬相微片和软相界面层性质，硬相将发生脆性断裂，而软相将发生塑性断裂，理论结合实验分析了离散界面多个特征参数对砖-泥堆叠结构材料断裂性能的影响。 结果发现：当软硬相弹性模量相差较大时，连续界面有利于砖-泥堆叠结构材料的强韧匹配（图2）；当软硬相弹性模量比较接近时，离散界面有利于砖-泥堆叠结构材料的强韧协调（图2）。进一步应用真实生物材料的力学参数验证了上述结论：...

近日，北京理工大学雷红帅教授团队在生物学的启发下，借鉴变色龙皮肤的颜色调控机制，提出了具有可调控和宽频隐身特性的电磁吸波超结构设计新方法。该结构利用Kresling折纸的双稳态切换效果，实现低频与高频互补的电磁吸波特性，叠加频带覆盖2~18GHz。研究成果以Bioinspired Double-broadband Switchable Microwave Absorbing Grid Structures with Inflatable Kresling Origami Actuators为题发表于国际TOP期刊Advanced Science。 变色龙是自然界中可实现体表颜色快速变化的最具代表性的生物之一，其表皮的颜色变化源自于虹色素细胞和载黑素细胞的相互作用。其中，虹色素细胞提供底色，而载黑素细胞通过控制内部的黑色素在底部储囊和顶部分支之间快速移动实现体色的明暗转变，见图1所示。受此启发，研究团队通过模拟变色龙两种表皮细胞的不同功能，开发了一种可调控超宽频电磁吸波结构。选取了阻抗型格栅作为主体结构，模拟虹色素细胞的功能；选用圆形电阻片置于格栅中组成阵列，达到频率选择表面的效果，模拟...