總體定位和研究方向

特種環(huán)境復(fù)合材料技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程、力學(xué)兩個(gè)國(guó)家雙一流建設(shè)重點(diǎn)學(xué)科的主要組成部分，在學(xué)?！?511 計(jì)劃”的支持下目標(biāo)達(dá)到世界一流學(xué)科前列。實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)以杜善義院士為首席科學(xué)家，以韓杰才院士為學(xué)術(shù)帶頭人，現(xiàn)任實(shí)驗(yàn)室主任赫曉東教授。

圍繞國(guó)家重大需求，實(shí)驗(yàn)室形成特色鮮明的三大研究方向： （1）特種環(huán)境復(fù)合材料模擬表征與優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。包括極端環(huán)境與材料耦合模擬理論和方法；極端環(huán)境下材料損傷、破壞規(guī)律與性能表征；材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法。實(shí)驗(yàn)室提出了開展超常服役條件下特種材料的“模擬-表征-優(yōu)化”研究思路；具備燒蝕型防熱復(fù)合材料損傷/破壞規(guī)律與性能表征研究能力；提出了非燒蝕超高溫防熱材料的概念，并在高超聲速與非燒蝕材料耦合響應(yīng)機(jī)理上開展了研究工作。（2）特種材料的復(fù)合與組織性能控制技術(shù)。包括新型熱防護(hù)復(fù)合材料和復(fù)合結(jié)構(gòu)技術(shù)；超輕復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)性能匹配性實(shí)現(xiàn)技術(shù)；特種功能復(fù)合材料及薄膜組織性能控制技術(shù)；特種材料及結(jié)構(gòu)的快速成型與高效加工技術(shù)。實(shí)驗(yàn)室在超高溫非燒蝕復(fù)合材料、新型金屬熱防護(hù)、超輕/柔性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、大尺寸高性能光電材料等方面取得了重要進(jìn)展。（3）特種材料性能測(cè)試與分析技術(shù)。包括特種環(huán)境下材料宏觀性能測(cè)試技術(shù)；特種環(huán)境下材料微觀組織及其演化分析技術(shù)；極端環(huán)境下材料響應(yīng)信息獲取技術(shù)；材料高溫性能測(cè)試技術(shù)；常溫復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)；特殊環(huán)境材料響應(yīng)在線獲取技術(shù)。

關(guān)鍵技術(shù)突破

（1）極端環(huán)境材料與結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。

材料與結(jié)構(gòu)在超高溫等極端環(huán)境下的力學(xué)行為是關(guān)系航天器成敗的核心問(wèn)題之一。實(shí)驗(yàn)室提出了解決熱防護(hù)問(wèn)題的若干新理論和新方法，在細(xì)觀燒蝕理論、非燒蝕熱防護(hù)等方面發(fā)揮技術(shù)引領(lǐng)作用。

高超聲速飛行器最大挑戰(zhàn)之一是高速飛行“熱障”帶來(lái)的高溫材料本身和復(fù)雜高焓/非平衡流動(dòng)環(huán)境與材料的耦合問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)室專注高焓、高溫等極端服役環(huán)境下復(fù)合材料的熱致?lián)p傷/失效機(jī)理與破壞理論、熱/力/氧化與熱/力/電等多場(chǎng)耦合分析方法研究，為高超聲速飛行器用高溫復(fù)合材料性能表征、預(yù)報(bào)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

在組合式超高溫陶瓷端頭的研制中，實(shí)驗(yàn)室建立了超高溫陶瓷材料強(qiáng)韌化機(jī)制及實(shí)現(xiàn)途徑，大幅度提高了超高溫陶瓷材料的損傷容限和抗熱沖擊性能，揭示了超高溫陶瓷材料在極端服役環(huán)境下的熱響應(yīng)和長(zhǎng)時(shí)間氧化機(jī)理，攻克了大尺寸超高溫陶瓷材料的制備和三維復(fù)雜異型熱結(jié)構(gòu)件的精密成型技術(shù)瓶頸，解決了空天飛行器頭錐等關(guān)鍵熱端部件在極端環(huán)境下的長(zhǎng)時(shí)間抗氧化和高溫維型的技術(shù)難題。

基于高超聲速飛行器大面積防熱的可重復(fù)使用、耐高溫、輕質(zhì)、易安裝維護(hù)、安全可靠等諸多“瓶頸”問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)室提出了多孔防隔熱材料 力-熱-微結(jié)構(gòu)連續(xù)調(diào)控的多目標(biāo)設(shè)計(jì)方法，突破了耐高溫剛性陶瓷隔熱瓦的微結(jié)構(gòu)連續(xù)調(diào)控技術(shù)，以材料微結(jié)構(gòu)按需設(shè)計(jì)為指導(dǎo)思想，基于陶瓷隔熱瓦纖維基元，纖維分布、孔結(jié)構(gòu)與宏觀密度間的內(nèi)在規(guī)律，揭示了素坯成型及過(guò)熱蒸汽干燥環(huán)境調(diào)控機(jī)理，突破了微量助劑、均勻環(huán)境控制的燒結(jié)技術(shù)難題，成功制備出耐高溫高強(qiáng)韌剛性陶瓷隔熱瓦，實(shí)現(xiàn)了防隔熱材料微結(jié)構(gòu)與宏觀性能的綜合調(diào)控；發(fā)明了多孔陶瓷基防隔熱材料表面多功能梯度層的制造技術(shù)，解決了關(guān)鍵粉體材料合成與陶瓷纖維高溫腐蝕的難題，突破了基體與涂層的界面匹配關(guān)鍵技術(shù)，研制出可用于多孔陶瓷基防隔熱材料表面的多功能復(fù)合梯度層，滿足多次可重用需求，為我國(guó)高性能多孔纖維防隔熱材料的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，并提供技術(shù)儲(chǔ)備。

（2）智能與多功能材料的微結(jié)構(gòu)調(diào)控及其力學(xué)行為。

實(shí)驗(yàn)室基于具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的形狀記憶聚合物復(fù)合材料，通過(guò)精細(xì)力學(xué)理論分析和巧妙智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決了低溫、輻照等極端惡劣使役環(huán)境下，長(zhǎng)時(shí)間鎖定、低沖擊可靠展開的關(guān)鍵技術(shù)難題，使我國(guó)成為世界上首個(gè)將形狀記憶聚合物智能結(jié)構(gòu)應(yīng)用于深空探測(cè)工程的國(guó)家。

實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料的力-熱耦合非線性本構(gòu)理論；闡明形狀記憶聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)彎曲變形的微觀屈曲機(jī)理；開展基于形狀記憶聚合物的4D打印智能制造技術(shù)研究；構(gòu)建了非線性介電性能和超彈性性能耦合條件下的介電彈性體智能聚合物的本構(gòu)模型，設(shè)計(jì)了爬行、抓取等多種電驅(qū)動(dòng)仿生柔性機(jī)器人；優(yōu)化設(shè)計(jì)多種智能可變形結(jié)構(gòu)，并將其用于變體飛行器結(jié)構(gòu)；提出基于多種光纖傳感器的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)性能演變過(guò)程及損傷狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)方法，對(duì)運(yùn)行過(guò)程中的大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；發(fā)明碳納米紙多功能納米復(fù)合材料，具有良好的導(dǎo)電性、與樹脂浸潤(rùn)性，提高飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的防雷擊和防除冰性能。

實(shí)驗(yàn)室石墨烯基結(jié)構(gòu)隱身一體化復(fù)合材料團(tuán)隊(duì)以具有極低體密度以及優(yōu)異電磁性能的石墨烯連續(xù)體為核心，結(jié)合傳統(tǒng)的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，在國(guó)際上提出了基于石墨烯的承載隱身一體化復(fù)合材料概念。針對(duì)復(fù)合材料的微觀設(shè)計(jì)，創(chuàng)新性地發(fā)展了一種先進(jìn)的電磁隱身材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)控理論，通過(guò)優(yōu)化微結(jié)構(gòu)單元的電磁參數(shù)及空間分布，設(shè)計(jì)出具有特殊周期微結(jié)構(gòu)單元的石墨烯吸波連續(xù)體結(jié)構(gòu)，突破了電磁隱身材料微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與調(diào)控技術(shù)難題。

科研項(xiàng)目成果

超高溫陶瓷材料本征脆性和可靠性差，長(zhǎng)期制約其工程化應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)室提出了碳纖維增韌超高溫陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)和制備新方法，通過(guò)低溫補(bǔ)給的理念，將燒結(jié)溫度降低 35%，制備的復(fù)合材料斷裂韌性等關(guān)鍵性能得到了量級(jí)提升，同時(shí)，其室溫和高溫抗彎強(qiáng)度表現(xiàn)優(yōu)異，可靠性獲得了大幅提升，真正意義上實(shí)現(xiàn)了超高溫陶瓷復(fù)合材料的強(qiáng)韌化與抗氧化協(xié)同。

航空和航天等前沿技術(shù)發(fā)展對(duì)結(jié)構(gòu)和載荷輕量化的追求更加極致，復(fù)合化是提高結(jié)構(gòu)效率、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu) / 功能一體化最為重要的技術(shù)途徑。實(shí)驗(yàn)室瞄準(zhǔn)典型可重復(fù)使用高馬赫數(shù)飛行器結(jié)構(gòu)輕量化需求，針對(duì)機(jī)身典型結(jié)構(gòu)部位，開展了基于仿生結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)的不同材料方案、不同結(jié)構(gòu)形式的多方案研究，探明了不同方案的應(yīng)用可行性。

實(shí)驗(yàn)室在國(guó)內(nèi)首次開展了大尺寸超薄金屬內(nèi)襯輕量化復(fù)合材料貯箱的研制工作。發(fā)明了纏繞纖維與芯模表面間滑線系數(shù)的表征方法，提出了基于工藝可實(shí)現(xiàn)的精密纏繞理論；建立了仿壁虎腳結(jié)構(gòu)的界面層設(shè)計(jì)理論模型，制備出了超薄金屬內(nèi)襯與復(fù)合材料層間的超強(qiáng)界面層；掌握了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷自修復(fù)方法，提高了復(fù)合材料壓力容器的可重復(fù)使用次數(shù)，相比同容積、同壓力的金屬容器減重 70%，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

針對(duì)高熱流、大剪切力、短時(shí)間使用環(huán)境下輕質(zhì)復(fù)合材料翼舵結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)室開展了耐高溫樹脂配方研制，攻克了碳纖維增強(qiáng)耐高溫復(fù)合材料熱熔預(yù)浸料的制備技術(shù)及大尺寸復(fù)雜構(gòu)型復(fù)合材料翼舵結(jié)構(gòu)研制，交付產(chǎn)品與傳統(tǒng)方案相比減重顯著且構(gòu)件不需要額外防熱涂層。

實(shí)驗(yàn)室在藍(lán)寶石單晶大尺寸生長(zhǎng)、高穩(wěn)定、高精度測(cè)控、高生產(chǎn)率和晶體質(zhì)量生長(zhǎng)方面取得了重大研究成果，成功掌握了φ250～320mm 高質(zhì)量藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)技術(shù)，研制了φ320mm 高質(zhì)量藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)的專用設(shè)備及其高穩(wěn)定高精度測(cè)控裝置，完成了藍(lán)寶石整流罩近尺寸成型（撈球）加工技術(shù)研究，突破了高效近成型精密加工技術(shù)。