理工交叉與融合突破空天復合材料關鍵力學問題
——走進特種環(huán)境復合材料技術國家重點實驗室

總體定位和研究方向

特種環(huán)境復合材料技術國家重點實驗室是哈爾濱工業(yè)大學材料科學與工程、力學兩個國家雙一流建設重點學科的主要組成部分，在學校“2511 計劃”的支持下目標達到世界一流學科前列。實驗室團隊以杜善義院士為首席科學家，以韓杰才院士為學術帶頭人，現(xiàn)任實驗室主任赫曉東教授。

圍繞國家重大需求，實驗室形成特色鮮明的三大研究方向： （1）特種環(huán)境復合材料模擬表征與優(yōu)化設計技術。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)化設計理論與方法。實驗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機理上開展了研究工作。（2）特種材料的復合與組織性能控制技術。包括新型熱防護復合材料和復合結構技術；超輕復合材料及結構性能匹配性實現(xiàn)技術；特種功能復合材料及薄膜組織性能控制技術；特種材料及結構的快速成型與高效加工技術。實驗室在超高溫非燒蝕復合材料、新型金屬熱防護、超輕/柔性復合材料結構、大尺寸高性能光電材料等方面取得了重要進展。（3）特種材料性能測試與分析技術。包括特種環(huán)境下材料宏觀性能測試技術；特種環(huán)境下材料微觀組織及其演化分析技術；極端環(huán)境下材料響應信息獲取技術；材料高溫性能測試技術；常溫復合材料結構健康監(jiān)測技術；特殊環(huán)境材料響應在線獲取技術。

關鍵技術突破

（1）極端環(huán)境材料與結構的力學行為。

材料與結構在超高溫等極端環(huán)境下的力學行為是關系航天器成敗的核心問題之一。實驗室提出了解決熱防護問題的若干新理論和新方法，在細觀燒蝕理論、非燒蝕熱防護等方面發(fā)揮技術引領作用。

高超聲速飛行器最大挑戰(zhàn)之一是高速飛行“熱障”帶來的高溫材料本身和復雜高焓/非平衡流動環(huán)境與材料的耦合問題。實驗室專注高焓、高溫等極端服役環(huán)境下復合材料的熱致?lián)p傷/失效機理與破壞理論、熱/力/氧化與熱/力/電等多場耦合分析方法研究，為高超聲速飛行器用高溫復合材料性能表征、預報和優(yōu)化設計提供了理論基礎。

在組合式超高溫陶瓷端頭的研制中，實驗室建立了超高溫陶瓷材料強韌化機制及實現(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)境下的熱響應和長時間氧化機理，攻克了大尺寸超高溫陶瓷材料的制備和三維復雜異型熱結構件的精密成型技術瓶頸，解決了空天飛行器頭錐等關鍵熱端部件在極端環(huán)境下的長時間抗氧化和高溫維型的技術難題。

基于高超聲速飛行器大面積防熱的可重復使用、耐高溫、輕質、易安裝維護、安全可靠等諸多“瓶頸”問題，實驗室提出了多孔防隔熱材料 力-熱-微結構連續(xù)調(diào)控的多目標設計方法，突破了耐高溫剛性陶瓷隔熱瓦的微結構連續(xù)調(diào)控技術，以材料微結構按需設計為指導思想，基于陶瓷隔熱瓦纖維基元，纖維分布、孔結構與宏觀密度間的內(nèi)在規(guī)律，揭示了素坯成型及過熱蒸汽干燥環(huán)境調(diào)控機理，突破了微量助劑、均勻環(huán)境控制的燒結技術難題，成功制備出耐高溫高強韌剛性陶瓷隔熱瓦，實現(xiàn)了防隔熱材料微結構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，解決了關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鍵技術，研制出可用于多孔陶瓷基防隔熱材料表面的多功能復合梯度層，滿足多次可重用需求，為我國高性能多孔纖維防隔熱材料的發(fā)展奠定了堅實的理論基礎，并提供技術儲備。

（2）智能與多功能材料的微結構調(diào)控及其力學行為。

實驗室基于具有獨立自主知識產(chǎn)權的形狀記憶聚合物復合材料，通過精細力學理論分析和巧妙智能結構設計，解決了低溫、輻照等極端惡劣使役環(huán)境下，長時間鎖定、低沖擊可靠展開的關鍵技術難題，使我國成為世界上首個將形狀記憶聚合物智能結構應用于深空探測工程的國家。

實驗室構建了形狀記憶聚合物及其復合材料的力-熱耦合非線性本構理論；闡明形狀記憶聚合物復合材料結構彎曲變形的微觀屈曲機理；開展基于形狀記憶聚合物的4D打印智能制造技術研究；構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模型，設計了爬行、抓取等多種電驅動仿生柔性機器人；優(yōu)化設計多種智能可變形結構，并將其用于變體飛行器結構；提出基于多種光纖傳感器的復合材料結構力學性能演變過程及損傷狀態(tài)的在線監(jiān)測與評價方法，對運行過程中的大型復合材料結構進行實時監(jiān)測；發(fā)明碳納米紙多功能納米復合材料，具有良好的導電性、與樹脂浸潤性，提高飛機復合材料結構的防雷擊和防除冰性能。

實驗室石墨烯基結構隱身一體化復合材料團隊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，結合傳統(tǒng)的蜂窩夾層結構，在國際上提出了基于石墨烯的承載隱身一體化復合材料概念。針對復合材料的微觀設計，創(chuàng)新性地發(fā)展了一種先進的電磁隱身材料微結構設計和調(diào)控理論，通過優(yōu)化微結構單元的電磁參數(shù)及空間分布，設計出具有特殊周期微結構單元的石墨烯吸波連續(xù)體結構，突破了電磁隱身材料微結構的設計與調(diào)控技術難題。

科研項目成果

超高溫陶瓷材料本征脆性和可靠性差，長期制約其工程化應用。實驗室提出了碳纖維增韌超高溫陶瓷復合材料強韌化設計和制備新方法，通過低溫補給的理念，將燒結溫度降低 35%，制備的復合材料斷裂韌性等關鍵性能得到了量級提升，同時，其室溫和高溫抗彎強度表現(xiàn)優(yōu)異，可靠性獲得了大幅提升，真正意義上實現(xiàn)了超高溫陶瓷復合材料的強韌化與抗氧化協(xié)同。

航空和航天等前沿技術發(fā)展對結構和載荷輕量化的追求更加極致，復合化是提高結構效率、實現(xiàn)結構 / 功能一體化最為重要的技術途徑。實驗室瞄準典型可重復使用高馬赫數(shù)飛行器結構輕量化需求，針對機身典型結構部位，開展了基于仿生結構組合設計的不同材料方案、不同結構形式的多方案研究，探明了不同方案的應用可行性。

實驗室在國內(nèi)首次開展了大尺寸超薄金屬內(nèi)襯輕量化復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現(xiàn)的精密纏繞理論；建立了仿壁虎腳結構的界面層設計理論模型，制備出了超薄金屬內(nèi)襯與復合材料層間的超強界面層；掌握了復合材料結構的損傷自修復方法，提高了復合材料壓力容器的可重復使用次數(shù)，相比同容積、同壓力的金屬容器減重 70%，達到國際先進水平。

針對高熱流、大剪切力、短時間使用環(huán)境下輕質復合材料翼舵結構，實驗室開展了耐高溫樹脂配方研制，攻克了碳纖維增強耐高溫復合材料熱熔預浸料的制備技術及大尺寸復雜構型復合材料翼舵結構研制，交付產(chǎn)品與傳統(tǒng)方案相比減重顯著且構件不需要額外防熱涂層。

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