锂资源在地壳中含量匮乏，我国钴资源长期依赖于进口，仅锂离子电池三元正极材料的成本占到了国内动力锂离子电池生产企业四大关键材料（正极，负极，电解质，粘结剂）成本的50%以上，并呈现每年递增的趋势；另一方面，我国石墨产量全球前三，同时炭质资源非常丰富，如果能够基于富矿炭质资源发展低成本高性能储能电池，不仅能够实现低成本炭质资源的增值与高效利用，更重要的是能够为缓解锂资源与钴资源带来的资源紧缺问题寻求更优的替代方案。双离子电池是一种正负极活性材料均可以采用石墨的非常规电池，不仅具有高电压窗口（3~5 V），并且可以通过调控阴阳离子尺寸控制嵌入正负极石墨电极的状态，获得性能可调控，电压窗口可调控的低成本储能电池。 近期，在方岱宁院士的指导下，团队陈浩森、宋维力副教授等与北京科技大学焦树强教授团队密切合作，基于自主发展的原位电池力学/电化学耦合可视化表征技术，在双离子电池力学/电化学耦合方面取得重要进展，相关成果在国际顶级期刊Advanced Energy Materials（2017年影响因子21.875）上发表。该工作基于石墨与生物质等富矿炭资源，通过生物质衍生物发展超轻三维网络炭集流体，并...

　　方岱宁院士课题组近期在点阵结构的热膨胀性能设计方面取得突破，相关结果2016年1月发表在固体力学顶级期刊JMPS上(86卷，173-191页)。 　　对于在温度急剧变化环境中工作的大型结构，例如对地观测卫星的支架平台等，材料热胀冷缩可能导致结构的过大变形，从而影响平台功能的稳定性。由于材料热膨胀系数可调节范围有限，因此单纯的材料设计对控制温度变形的作用很有限。本研究的结果显示在结构设计时采用热膨胀系数不同的若干种材料进行组合，可以做到热膨胀系数的跨量级调节，实现结构温度变形的可控设计。 图1 热膨胀系数接近于零的点阵结构 本研究基于三角形基本结构，设计了由铝合金与不锈钢两种热膨胀系数不同的常用工程材料组成的二维点阵结构。通过几何尺寸和角度设计，可以实现热膨胀系数从正到负的调节，甚至可以设计制造出热膨胀系数接近于零的所谓零膨胀结构。在此基础上，提出了一种广义不动点方法，可以针对大型结构进行热膨胀系数设计，得到所需的不动点、线或面，为实际工程结构的零膨胀设计提供了指导。

　　对于内部结构复杂的材料和结构部件，根据CT扫描图像进行数值建模与仿真是进行性能预测和评价的主要方法。先进结构技术研究院方岱宁院士课题组近期在基于µCT三维几何重构的材料与结构性能评价技术方面取得进展。 　　虽然CT扫描重构和有限元分析并非新技术，然而基于CT扫描图像的三维实体化建模仍然是国际上一个研究的热点与难点，国内同类技术未见公开报道。 　　 　　图1 多孔材料的三维实体化建模与性能评价 　　 　　图2 三维编织复合材料的实体化建模与性能评价 　　方岱宁院士研究团队经过数年攻关，开发了具有完全自主知识产权的µCT三维几何模型数值化程序，实现了µCT三维几何重构、三维实体化建模与材料性能数值仿真分析的无缝对接。提出了基于缺陷统计特征的复合材料力学性能预测方法，建立了国内独有的材料缺陷性能评估和数值仿真平台，达到国际先进水平。研究成果为国防及工业高端装备领域材料与结构检测和性能评估提供了重要技术保障。

　　先进结构技术研究院方岱宁院士课题组近期在超高温极端环境下材料性能测试方法与科学仪器研究中取得新进展。 　　航天航空关键热端部件长时间处于超高温极端环境中，材料的超高温力学、抗氧化、抗热震性能及损伤演化的测试和表征方法，对于各类超高速飞行器的设计、制造和服役可靠性等具有十分重要的意义。目前国外的超高温测试技术与设备对我国实行保密与封锁，我国相关的超高温材料性能测试技术相对落后且缺少先进的实验设备，急需开展超高温极端环境下材料性能测试方法与科学仪器研制工作。 　　 　　方岱宁院士课题组在国家自然科学基金委重大科研仪器设备研制专项的支持下，发展了超高温极端环境下材料性能测试方法，自主研发了国内首台超高温（1800℃）有氧环境材料力学性能测试系统，突破了超高温（1800℃）有氧环境测试夹具、发热体、变形精确测试等关键技术，首次实现了材料在超高温（1800℃）有氧环境下拉伸、弯曲、压缩、剪切力学性能测试（强度、应力-应变等）。此外，还研制出超高温（2300℃）惰性环境力学测试系统、超高温多气氛环境氧化/热震一体化测试系统、高温（1600℃）宽频透波测试系统、高温（1600℃）多气氛环境材料压...

　　先进结构技术研究院方岱宁院士课题组与中车株洲电力机车有限公司，在磁悬浮列车结构部件轻量化结构设计与制造技术方面取得进展，相关研究成果2016年6月发表在复合材料领域主流期刊Composite Part B (99卷，277-287页)。 　　磁悬浮列车被认为是解决城区间交通拥堵和缓解交通压力最经济、最环保、最有效的先进技术，该结构主要驱动力来源于电磁铁悬浮力，车厢及悬浮架等结构减重是该技术未来研究的重点。 　　 　　图1 磁悬浮列车悬浮架结构 　　方岱宁院士课题组针对磁悬浮列车大尺寸多腔体异型结构进行了技术攻关，设计并制造出了轻量化复合材料结构部件，减重效果达到35%，并满足承载、防火、老化、装配等技术要求，首次实现了大尺寸多腔体异型复合材料结构件的设计与一体化成型，研究结果表明复合材料结构件在轨道交通领域可以作为主承力结构的进行应用。

　　先进结构技术研究院陈少华教授课题组通过数值仿真，提出了缺陷及掺杂可控纳米碳管自组装制备的新方法，为合理实现和调控纳米碳管半导体性能提供了可能。相关成果2015年9月发表在纳米科学领域主流期刊Nano Research（8卷，2988-2997页） 　　 　　图1 缺陷及掺杂任意分布的石墨烯条带自组装为纳米碳管 　　 　　图2 缺陷规则排列的石墨烯条带自组装为缺陷可控的纳米碳管，缺陷过多，则自组装失败 　　 　　图3 硼、氮异质原子规则掺杂的石墨烯条带自组装；蓝色原子代表硼，红色代表氮。 　　纳米碳管可以通过调整其缺陷位置、缺陷类型及掺杂其他原子来调控其物理和化学性能。直接在一维纳米碳管上控制缺陷及掺杂相当困难，但在二维石墨烯片上制备缺陷及掺杂的可控技术及将石墨烯片剪裁为尺寸可控的石墨烯条带技术已经存在。课题组应用数值仿真的方法，研究了含缺陷或异质原子掺杂的石墨烯纳米条带在辅助纳米碳管内的自组装行为，研究发现：一定的温度控制下，可以通过缺陷规则排列的石墨烯条带自组装为缺陷可控的纳米碳管，但石墨烯条带内缺陷的原子份数亦直接影响缺陷可控纳米碳管能否成功自组装，当石墨烯条带内缺陷原子份数过...

　　先进结构技术研究院陈明继副研究员与华北电力大学课题组合作，在耐刮擦透明超疏水材料研制方面取得进展，相关成果于2016年5月发表在材料化学主流期刊Journal of Materials Chemistry A (第4卷，7869-7874页)。 　　透明超疏水涂层不仅具有优异的超疏水特性，而且具有很好的透光性，在汽车挡风玻璃、太阳能帆板等方面有广泛的应用前景。目前的透明超疏水涂层功能稳定性不佳，在表面磨损和油污沾染后超疏水性和透光性损失严重。 　　 　　图1 砂纸反复刮擦后水滴表面接触角的变化情况 　　 　　图2 酸碱侵蚀后材料透明超疏水特性的效果 　　本研究通过巧妙的设计和工艺改进，将接枝有含氟低表面能官能团的二氧化硅纳米颗粒嵌入到硅橡胶基体的表面和浅表层中，同时提高了透明超疏水材料的耐酸碱腐蚀和耐刮擦性能。研究组将进一步改进完善该类材料的整体性能，以期能够应用于恶劣野外环境下的透明超疏水防护表面。

　　先进结构技术研究院方岱宁院士课题组，在夹芯复合材料结构侧压强度理论、实验方法和有限元分析等方面取得进展，相关研究成果2016年3月发表在复合材料领域主流期刊Composite Part B (94卷，34-44页)。 　　 　　图1 夹芯复合材料样件侧压测试及失效模式 　　 　　图2 长细比对临界侧压强度、缺陷因子的影响 　　泡沫（PVC）夹芯复合材料在海军舰船、运载飞行器等装备中作为甲板和蒙皮结构广泛使用，该结构主要承受侧压载荷，现存侧压强度理论预测模型未考虑结构屈曲模式的影响，理论预测结果与实验结果存在较大误差。针对该问题，课题组通过理论分析、试验测试和有限元分析等方面，系统研究了长细比、侧压屈曲形式、缺陷因子等对夹芯结构侧压临界强度的影响，建立了有效的有限元分析方法。该研究成果将为轻量化夹芯结构的设计和应用提供工程技术指导。

　　先进结构技术研究院吴文旺副教授针对双材料、多层薄膜界面对位错环弹性场的影响开展系列研究工作，提出新的傅立叶空间半解析解，并分别考虑完美界面、非完美界面模型的差异。相关成果2016年1月发表在固体力学领域顶级期刊JMPS(87卷，7-37页)。 　　 　　图1：各向异性双材料界面模型 （a）块体应力；（b）界面镜像力；（c）界面附加应力；（d）最终界面 　　由不同材料铺层构造的多层薄膜/涂层在微电子、光电器件、多功能纳米复合结构中具有广泛的应用，以及物理环境更为苛刻的物理环境（飞行器、火箭发动机、交通、新能源、核能等）。界面两侧材料弹性模量和晶体取向的差异引起的附加应力对于理解位错和界面之间的相互作用机理极为关键，导致位错在界面上运动受到影响，并穿透界面或被界面吸收。 　　 　　图2：采用各向同性、各向异性模型计算CuNb双材料中位错环界面弹性场 （a）面内变形场；（b）应力场。其中，Cu取向[111]，Nb取向[110]，位于Nb半空间中的位错环半径为5nm，距离界面10nm。 　　通过本课题的研究，可以得到如下结论： 　　（1）基于材料应力平衡方程，采用二维离散傅立叶变换，得到每...

　　先进结构技术研究院方岱宁院士课题组提出了考虑母体材料率效应的蜂窝结构动态面外压缩平台应力的理论模型，为蜂窝结构抗冲击吸能设计提供了指导。相关成果2015年11月发表在复合材料领域主流期刊Composite Structures (132卷，644-651页)。 　　 　　图1 (a)蜂窝结构压缩变形图和(b)压缩过程应力应变曲线 　　蜂窝结构是一种具有优良的抗冲击吸能特性的结构。蜂窝结构在受到面外冲击载荷的作用下将发生均匀的塑性变形（如图1a），从而有效吸收冲击能量。图1b给出了典型蜂窝结构在面外压缩载荷下的应力应变关系，可以看出曲线有一个很长的平台段，而决定蜂窝结构压缩变形吸能水平的正式平台应力的大小与平台段的长度。因此平台段应力的准确预测对蜂窝结构抗冲击吸能设计具有很重要的指导意义。 　　 　　图2 本文模型与前人模型对率相关平台应力预测结果与实验的对比 　　前人研究表明蜂窝结构面外压缩平台应力是与加载速率密切相关的。平台应力的率相关理论模型主要是上世纪九十年代提出的冲击理论(Shock Theory)，该模型只考虑了动态压缩过程材料的惯性效应，而忽略了蜂窝母体材料的率效应。本...